王建軍,張小葉,張文帥,楊紅軍,穆龍濤

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院,陜西 咸陽 712000)

(2.咸陽市高端數(shù)控機床關鍵零部件工程技術研究中心,陜西 咸陽 712000)

(3.航天推進技術研究院,陜西 西安 710100)

(4.寶雞機床集團有限公司,陜西 寶雞 721013)

細長軸車削加工有較高的技術難度,一直是加工技術探討的方向之一[1]。車削振動會影響產(chǎn)品加工質(zhì)量,縮短刀具和機床使用壽命,嚴重時加工無法進行,因此克服振動是細長軸車削加工的主要難點之一[2]。目前,已有的研究主要從機床結(jié)構(gòu)、加工工藝、裝夾方式等方面來克服車削振動問題。本文的研究在一雙主軸、雙刀架數(shù)控車床上進行,工件雙端夾持,采用上下雙刀平衡反向車削方式對細長軸工件進行加工[3],副主軸夾持端對工件提供可通過程序控制大小的軸向拉力,分析研究軸向拉力對細長軸車削效果的影響,并進行實際測試及加工以驗證分析結(jié)論的準確性。

1 問題提出

某公司專門針對細長軸車削加工開發(fā)了一款雙主軸、雙刀架數(shù)控車床,車床主軸與刀具布局如圖1所示。該機床在對用戶提供的直徑為33 mm、長度為810 mm的樣件進行車削加工時出現(xiàn)劇烈振動、聲音異常、工件表面有魚鱗振紋等問題,如圖2所示,導致車削無法進行,后續(xù)車削時不斷加大對工件的軸向拉力,即使主軸側(cè)工件被拉出,振動依舊沒有得到改善。為分析軸向拉力對樣件加工時振動的影響,此問題作為探討內(nèi)容之一被提出。

圖1 機床主軸與刀具布局結(jié)構(gòu)圖

圖2 車削振紋

2 分析

在排除回轉(zhuǎn)和傳動系統(tǒng)的振動因素后,剩下的數(shù)控車床振動的主要類型是不隨車削速度而改變的自激振動。自激振動主要包括工件側(cè)的振動和刀具側(cè)的振動[4]?？蓪⒄麄€機床系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)分別進行分析,這兩個子系統(tǒng)分別為刀具側(cè)系統(tǒng)和工件側(cè)系統(tǒng)。

本文以工件側(cè)系統(tǒng)為對象,研究軸向拉力對細長軸車削的影響。思路是:對包括細長軸、主軸旋轉(zhuǎn)部分、主軸軸承在內(nèi)的工件側(cè)系統(tǒng)進行有限元分析,結(jié)合實際測試結(jié)果和實際加工實踐,分析軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)剛性的影響。為簡化分析,床身、主軸箱以及副主軸移動導軌作為剛性基礎,未納入系統(tǒng)分析范圍。

有限元分析包括軸向拉力對系統(tǒng)靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度影響的分析。靜態(tài)剛度分析為對相同載荷下工件變形量的大小進行分析對比,動態(tài)剛度分析為對工件側(cè)系統(tǒng)模態(tài)和諧響應共振頻率的大小進行對比分析。

3 軸向拉力對車削的影響分析

根據(jù)機床實際工件裝夾情況,對直徑為33 mm、長度為810 mm的樣件建立簡化分析模型,如圖3所示。副主軸和主軸兩側(cè)都是卡盤夾持,副主軸可軸向移動。在有限元邊界條件中需要施加主軸、副主軸繞軸線的旋轉(zhuǎn)約束。

圖3 機床工件側(cè)分析簡化模型

不考慮箱體變形和軸承的阻尼特性,主軸、副主軸的支撐軸承(包括軸向、徑向)均采用ANSYS軟件的彈性支撐邊界條件模擬。主軸前軸承采用兩個背對背安裝的角接觸球軸承,后軸承采用單列圓柱滾子軸承。前角接觸球軸承組合既承受軸向力,也承受徑向力,后軸承只承受徑向力。各軸承剛度取自軸承技術資料[5],見表1。

表1 主軸軸承剛度參數(shù) 單位:N/μm

在ANSYS中建立工件側(cè)系統(tǒng)有限元分析模型,如圖4所示。

圖4 有限元模型

3.1 軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)靜態(tài)剛度的影響分析

通過對比有、無軸向拉力兩種情況下細長軸徑向剛度的變化,分析軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)靜態(tài)剛度的影響。在有、無軸向拉力情況下,在細長軸的中間位置和距主軸L/4處分別施加相同的徑向載荷,其中L為圖3中兩個卡盤端面之間距離。軸向拉力為1 880 N,是系統(tǒng)能承載的軸向最大值,施加的徑向載荷為500 N,為單刀車削時能承受的最大徑向抗力。圖5所示為細長軸中間靜態(tài)剛度最弱位置的變形量分析結(jié)果云圖,表2為細長軸兩施加徑向載荷處的變形量綜合對比結(jié)果。

圖5 細長軸中部受力靜態(tài)變形云圖

由表2和圖5可知,在距主軸端面L/4處,有軸向拉力時的變形量與無軸向拉力時的變形量差值為0.005 μm,工件中間位置變形量差值為0.25 μm,說明軸向拉力對工件的徑向靜態(tài)剛度有增強作用,但兩種工況下工件的徑向變形量差值非常小,故軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)靜態(tài)剛度的影響很小,可以忽略。

3.2 軸向拉力工件側(cè)系統(tǒng)對動態(tài)剛度的影響分析

車削振動分析屬機械動力學問題,最基本的方法是采用模態(tài)分析法和諧響應分析法,分別獲得其共振頻率、振型以及系統(tǒng)各階振型對外界負載的響應大小,找到系統(tǒng)動態(tài)剛度最薄弱處[6-8]。

首先,進行模態(tài)分析與對比,獲得有、無軸向拉力作用下系統(tǒng)的模態(tài)振型和各階頻率,對比兩種工況下的結(jié)果,定性判斷其動態(tài)剛度變化趨勢,作為進一步分析的基礎。表3為樣件在系統(tǒng)無軸向拉力和有軸向拉力下的模態(tài)頻率對比。根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn),軸向拉力對系統(tǒng)前10階模態(tài)振型幾乎沒有影響,在有軸向拉力作用時,2、3、10階模態(tài)頻率值與無軸向拉力時相比最大增加了0.26 Hz,增加量很小,而其他階模態(tài)頻率沒有變化,故軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)模態(tài)振型無影響,對模態(tài)頻率影響很小,可以忽略不計。

表3 軸向拉力對模態(tài)頻率的影響對比 單位:Hz

其次,為進一步分析軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)動態(tài)剛度的影響,對系統(tǒng)做諧響應分析,分別得到系統(tǒng)在兩種工況下的受激振動加速度和位移量,分析軸向拉力對系統(tǒng)受激振動的影響。

實際車削工況下,車削力存在周期變化[9-10],模擬該力的周期變化,對工件施加振動激勵。按圖6所示在工件中間位置[11]加載正弦激勵載荷,頻率為0～750 Hz,分別在有軸向拉力和無軸向拉力作用下進行諧響應分析,得到頻率響應的加速度、位移量,確定系統(tǒng)的最小動態(tài)剛度頻率值。

圖6 諧響應分析加載位置及大小

從圖7及表4可以看出,系統(tǒng)動態(tài)剛度頻率為230 Hz時,系統(tǒng)發(fā)生共振,加速度和位移幅值都達到最大值,系統(tǒng)動態(tài)剛度最弱,動態(tài)剛度值最小。根據(jù)表4,在軸向拉力作用下,系統(tǒng)動態(tài)剛度最弱時的頻率、加速度及位移與無軸向力作用時沒有變化或變化很小,說明軸向拉力對系統(tǒng)動態(tài)剛度影響很小,可以忽略不計。

表4 軸向拉力對動態(tài)剛度的影響對比

圖7 無軸向拉力時和1 880 N軸向拉力時工件中點處的響應

3.3 軸向拉力對不同長徑比工件動態(tài)剛度影響分析

為進一步研究軸向拉力對不同長徑比工件動態(tài)剛度的影響,保持工件長度為810 mm不變,依次對5種不同直徑的細長軸工件,在相同激勵載荷條件下進行諧響應分析,得到的諧響應共振頻率見表5。從表5可知,隨著長徑比的增大,工件側(cè)系統(tǒng)整體動態(tài)剛度逐漸減小,同時軸向拉力對系統(tǒng)動態(tài)剛度指標共振頻率增強的影響逐漸增加,但總體占比較小,理論上長徑比達45(直徑為18 mm)時,有軸向拉力時的共振頻率相對無軸向拉力時的共振頻率值的增量與無軸向拉力時共振頻率相比僅為1.18%,影響很小,可以忽略不計。

表5 不同直徑工件有、無軸向拉力的諧響應共振頻率

4 實際測量

使用申克SmartBalancer便攜式動平衡儀測量工件受激振動的頻率,如圖8所示。該動平衡儀具有頻譜測量功能,可對所測振動信號進行處理,解析獲得各頻率的振動加速度幅值。在無軸向拉力和有軸向拉力兩種狀態(tài)下,對直徑為33 mm、長為810 mm的工件采用敲擊法激振,所獲頻譜如圖9所示。由圖可知,兩種工況下的共振頻率分別為196 Hz和197 Hz,考慮測量誤差,認為兩個共振頻率一致,實測再次證明軸向拉力對系統(tǒng)的動態(tài)剛度影響很小,可以忽略不計。

圖8 諧響應動態(tài)測試

圖9 無軸向拉力時和有軸向拉力時工件中點處的實測頻率響應

實測196 Hz共振頻率比軟件分析頻率230.34 Hz低,經(jīng)分析可知,主要原因是軟件分析時支撐基礎按剛體處理,未考慮實際系統(tǒng)中主軸箱體、副主軸箱體、床身等的彈性,支撐副主軸的滾動導軌副也有彈性,這些實際存在的彈性體串聯(lián)在振動系統(tǒng)中,會降低系統(tǒng)實際的共振頻率。

通過以上分析和實際測試可知,軸向拉力對工件側(cè)系統(tǒng)自身剛度影響很小,可以忽略不計,因此提高軸向拉力無法解決本文第1章提到的工件加工時表面有魚鱗振紋問題,要考慮在其他方面想辦法。經(jīng)過不斷摸索,在改善車刀裝夾方式和調(diào)整車刀刀尖中心高以后,問題基本得到了解決,車削可以進行,但在批量加工時工件表面質(zhì)量不高。

針對這一問題,經(jīng)分析認為主要原因是工件在反向車削時受到軸向車削力和切削熱的影響,兩者都使會使工件伸長(因加工切削熱而引起的熱伸長)[12],而兩端固定的裝夾方式會使工件處于壓桿狀態(tài),加工時容易產(chǎn)生振動,為此采用較小軸向拉力(100 N)進行試切,達到了比較理想的加工效果,驗證了軸向拉力對加工效果影響不大的結(jié)論,加工效果如圖10所示。

圖10 軸向拉力(100 N)下加工效果

5 結(jié)束語

本文的分析、測試和實際測量結(jié)果表明,在機床雙夾持方式和一定范圍長徑比條件下,軸向拉力對工件側(cè)形態(tài)動態(tài)剛度的影響很小,可以忽略不計。因此,在雙主軸雙卡盤數(shù)控車床設備上, 對于長徑比小于25的細長軸(已驗證)工件采用雙端夾持方式、上下刀架車刀對工件進行平衡車削加工時,為了消除軸向車削力和工件熱伸長的影響,只需要施加一個較小的軸向拉力就能使工件處于穩(wěn)定狀態(tài),一味通過提高軸向拉力來增加工件側(cè)的剛度和穩(wěn)定性是個誤區(qū),那樣做反而會增大主軸軸承、絲杠等的負載,也降低了工件裝夾的可靠性。