李莉平

（嘉興職業(yè)技術(shù)學院，嘉興 314036）

細長軸類零件在航空發(fā)動機中應用廣泛，可起到傳遞扭矩和支撐的作用。一般情況下，這種零部件的長徑比大于20，因而剛度較小。在機械加工時需要解決存在的部分難題[1-4]。第一，受到切削力、重力影響，在機加工時切削顫振與變形明顯，影響加工精度。第二，零件較長，導致切削加工時熱量難以及時擴散，出現(xiàn)工件彎曲變形的情況。第三，細長軸類零件一般由難加工材料制成，加工時設置的切削參數(shù)小，影響切削效率，會導致明顯的刀具磨損，降低了加工精度。為了滿足國民經(jīng)濟和航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件制造精度要求，提升細長軸加工精度，研究細長軸車削加工動態(tài)變形具有重要意義。

1 細長軸車削加工力學模型

細長軸車削前裝夾時，兩側(cè)分別通過卡盤和頂尖進行固定，具體如圖1 所示。根據(jù)力學知識可知，刀具與工件存在等大反向的切削力[5-7]。分解此作用力后可形成3 個正交的分力，即和走刀反向的軸向力Fx、和基面正交的切向力Fz、和其他兩個力都垂直的徑向力Fy。理論分析可知，工件加工過程中產(chǎn)生的振動主要和徑向力有關(guān)。

圖1 細長軸車削

細長軸受到徑向切削力后易出現(xiàn)彎曲變形，影響工件的加工精度。細長軸振動時，理論分析可知其各截面的中心軸線保持共面。工件的徑向尺寸明顯小于長度，因此其轉(zhuǎn)動慣量小，由此引發(fā)的變形可忽略不計。這種條件下分析切向振動時，選擇歐拉-伯努利梁理論對其振動過程進行建模[8-10]。

2 細長軸車削加工靜態(tài)特性分析

ANSYS Workbench 在靜力模擬研究中應用廣泛，可用于分析工件受到一定靜力后的變形和應力[11-12]。相關(guān)的分析方法可劃分為非線性和線性兩類。前一種適用于塑性、接觸面方面的分析；后一種主要用于線彈性材料。分析時加載的力是靜態(tài)的，因此無須計入阻尼效應與慣性，可簡化分析過程。細長軸在切削時的變形為線性分析，文章研究的細長軸工件材料為GH4146，密度為8 240 kg·m-3，彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3。

建立細長軸有限元模型，如圖2 所示。細長軸工件采用卡盤-頂尖的方式進行裝夾，因此工件模型左端采用全約束，右端采用頂尖約束。文章研究的細長軸以左端為起點，總長度的0.53 處為剛性最差位置，在此位置施加水平、豎直的彈性約束（模擬刀架支撐爪），同時在此處添加500 N 的徑向切削力。

圖2 細長軸有限元模型

如圖3 所示，在徑向切削力作用下，切削點處的最大變形量為0.198 2 mm。在約束和切削力不變的狀態(tài)下，以長度為單位分別在細長軸均布8 個不同的切削作用點進行模擬仿真，得出的變形量數(shù)據(jù)如表1 所示（研究的細長軸長徑比為35）。用相同方法的研究不同長徑比狀態(tài)下切削點位置變形情況，變形量數(shù)據(jù)如表1 所示。從表1 數(shù)據(jù)分析可得：細長軸長徑比越大，加工過程中變形越明顯，長徑比對細長軸工件的剛度影響較大。

表1 不同長徑比細長軸加工變形量

圖3 細長軸車削變形圖

3 細長軸車削動態(tài)分析

在研究工件振動特性時，模態(tài)分析技術(shù)應用廣泛，可以確定加工過程中工件各階模態(tài)下的固有頻率和振型。這樣在設置切削參數(shù)時可進行優(yōu)化而避免共振，改善加工效果。在研究切削過程穩(wěn)定性時，同樣需要開展模態(tài)分析。

3.1 細長軸工件動態(tài)特性分析

求解類型應為模態(tài)分析，帶入?yún)?shù)進行求解后確定前3 階固有頻率分別為189.74 Hz、587.32 Hz 和1215.4 Hz。圖4 為相關(guān)的振型。

圖4 細長軸模態(tài)分析前3 階主振型

3.2 帶跟刀架細長軸工件動態(tài)特性

在加工細長軸工件時，為有效減輕振動和變形，需要應用跟刀架。研究時對兩個支撐爪的跟刀架進行簡化處理，其中支撐爪可以簡化為彈簧約束，跟刀架可以在兩個方向支撐工件，從而大幅降低了加工過程中的工件振動和變形，有利于改善加工質(zhì)量。可見，在模擬分析時很有必要研究跟刀架和細長軸工件車削加工的相關(guān)性。

跟刀架的細長軸有限元分析過程，除約束條件外，其余與前面一樣。細長軸兩端施加位移約束，切削位置由于跟刀架支撐爪作用可簡化為水平方向及豎直方向彈性約束，用同樣方法對不同剛度跟刀架狀態(tài)下的細長軸進行分析，得到不同剛度跟刀架狀態(tài)下細長軸固有頻率，如表2 所示。

表2 各剛度跟刀架下細長軸固有頻率

對比應用跟刀架前后的細長軸工件模態(tài)分析結(jié)果可得：應用跟刀架前后的細長軸主振型改變顯著，由此可判斷是否應用跟刀架不會顯著改變細長軸固有振型。對比不同狀態(tài)下細長軸工件前3 階固有頻率，可得使用跟刀架細長軸工件的前3 階固有頻率有提高，其中1 階固有頻率的提高幅值較高。

綜上所述，細長軸工件在切削加工過程中，有無使用跟刀架對其工件本身的主振型影響較小，但跟刀架的使用提高了加工中切削工件的固有頻率，對切削加工中工件彎曲振動起到了一定的抑制作用。

4 結(jié)語

近年來，航空航天中對零部件精度的要求不斷提高，細長軸作為航空發(fā)動機的重要零部件，其加工精度直接關(guān)系航空航天工業(yè)的技術(shù)水平。航空細長軸零件部材料的硬度高，難以機械加工，同時剛度極差，在切削時受到一定作用力后易出現(xiàn)振動和變形，從而降低了其加工精度，嚴重情況下會使零件報廢。因此，研究細長軸加工過程中變形情況，可以為此類零件的高效精密加工提供參考。