黃 玖

（廣西機電技師學院，廣西柳州 545005）

0 引言

目前，我國對于普通車床的常規(guī)設(shè)計僅考慮了車床高速切削加工中靜態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定特性，在一定程度上忽略了切削加工工藝中車床高速運轉(zhuǎn)下動態(tài)環(huán)境對車床的加工精度和加工效率產(chǎn)生的影響。尤其是在車床高速轉(zhuǎn)動時，生產(chǎn)部件組裝的不平衡會直接影響車床運行的平穩(wěn)性。車床切削加工中，刀片與刀架的不平衡會直接影響車床運行的靜態(tài)特性。當兩者之間的振動變化和振動幅值超出一定允許范圍時，會進一步導致車床切削加工的精細性下降。

此外，車床的運行環(huán)境也會影響車床切削加工工藝生產(chǎn)過程。車床回轉(zhuǎn)部件與車床地腳間產(chǎn)生的不平衡交變力會導致車床運行過程中產(chǎn)生相應(yīng)的振動激振力，進而形成切削振動的現(xiàn)象。車床切削加工工藝的振動幅值超出允許范圍之后，會導致其切削加工表面出現(xiàn)振動波紋等工藝惡化的情況，并加劇車床切削刀具部件的磨損，持續(xù)影響車床切削加工的標準。

1 研究背景和技術(shù)框架

目前，相關(guān)學者對車床高速切削加工的研究主要集中在切削的在線故障診斷上，而對于車床高速切削加工中的動態(tài)設(shè)計和裝配工藝動態(tài)特性的研究較為缺失?；诖?，本文以某車間的數(shù)控車床為研究對象，利用跟蹤裝配的方法對車床高速切削加工過程和各裝配環(huán)節(jié)的模態(tài)參數(shù)建立模態(tài)分布表，并根據(jù)切削振譜系數(shù)對振動問題進行分類。在研究微振動和強振動的基礎(chǔ)上，結(jié)合模態(tài)分布表，確定車床的故障原因，以提升車床高速切削加工工藝的效率。具體的診斷流程如圖1 所示。

圖1 車床動態(tài)特性診斷研究流程

2 構(gòu)建車床模態(tài)分布

模態(tài)分布表主要用于呈現(xiàn)車床各個系統(tǒng)模態(tài)之間的關(guān)系。車床在進行切削加工時，高速的切削加工工藝會出現(xiàn)微振動和強振動問題。為了檢測出切削時不同振動現(xiàn)象的原因，以車間的2 臺車床進行切削加工實驗對比。由實驗結(jié)果可以獲取準確的數(shù)據(jù)構(gòu)建車床的模態(tài)分布表，以便跟蹤車床裝配過程的每個環(huán)節(jié)，充分考慮車床周邊的環(huán)境條件，這是影響車床動態(tài)特性的重要因素。對車床床身固定之后，按照車床的裝配工藝序列正常裝配之后按照激振器的模態(tài)測試方法進行模態(tài)測試。然后將采集到的測試數(shù)據(jù)導入分析軟件，對采集到的數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析，對比安裝工藝不同序列的頻響傳遞函數(shù)，從而實現(xiàn)切削加工工藝的靜態(tài)振動和動態(tài)振動特征影響數(shù)據(jù)化。測試每個安裝步驟中新增裝配工藝或是安裝約束對車床整機運行的模態(tài)頻率，結(jié)合車床在最高工作轉(zhuǎn)速下經(jīng)常發(fā)生故障的頻率范圍（0～200 Hz）建立模態(tài)分布（表1）。

表1 整機模態(tài)分布

表1 中，步驟1（0）為床身無地腳平放在地面；步驟1（4）為床身使用4 個地腳固定；步驟1（6）為床身使用6 個地腳支撐固定；步驟2 為安裝滑鞍；步驟3 為安裝Z 軸絲杠；步驟4 為安裝主軸箱；步驟5 為安裝尾臺；步驟6 為安裝刀架；步驟7 為安裝主電機；步驟8為安裝液壓泵；步驟9 為安裝電氣柜。故障A 為床身地腳約束引發(fā)的振動頻率；故障B 為Z 軸導向系統(tǒng)中軸絲杠及導軌滑塊引發(fā)的振動頻率；故障C 為床身繞Z 軸扭轉(zhuǎn)剛度引發(fā)的頻率；故障D 為床身繞Y 軸的水平彎曲剛度。

3 車床切削加工振動故障研究

車床在高速切削加工的過程中，刀架、刀具以及其他組件之間因為高速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生振動。通過振動檢測器對振動信號進行整理，構(gòu)建反映車床振動信號的頻譜特征系數(shù)對比表，按照從低速到高速的順序劃分，將振動特征分為強振動和微振動。其中，微振動一般出現(xiàn)在車床進行精密加工的過程中，會出現(xiàn)視覺可察的振動波紋現(xiàn)象，一定程度上影響了車床精密加工的工藝性能。本文主要研究了車床高速切削加工狀態(tài)的產(chǎn)生的微振動檢測，為提升車床高速切削工藝性能提供參考。

3.1 切削微振動故障研究

車床在出廠時通常會進行切削抗振實驗，檢查工藝表面是否出現(xiàn)振動紋路，并且將其作為判斷車床安裝工藝是否符合的標準。車床切削振動頻率超出出廠標準時，通常需要對車床進行全面性檢查，才能夠確定故障的原因。本文利用頻譜系數(shù)和振動測試系統(tǒng)，實時采集車床切削加工時主軸箱前段和刀架的振動加速度信號，并對采集的信號進行快速傅里葉變換，得出車床的振動頻域。

為檢測車床微振動的原因和影響因素，將實驗機床的參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速2600 r/min，給進速度0.15 mm/r，切深0.15 mm，在該實驗參數(shù)下的加工參數(shù)進行車床高速切削加工的外圓精切實驗。實驗結(jié)果表明，車床進行高速精密性加工時，切削工件大部分表面光滑，在加工工藝允許范圍內(nèi)（圖2a））。但是在少量切削的工件表面會出現(xiàn)視覺波紋，其主要呈現(xiàn)為明暗相間的條紋，嚴重影響了生產(chǎn)部件的美觀性（圖2b））。

圖2 標準工藝件與視覺波紋工藝件對比

對比工件的表面層平滑度，發(fā)現(xiàn)2 個工藝件粗糙度均在區(qū)間（0，1］（單位：μm）內(nèi)。雖然2 個工件之間的粗糙度差別較小。但是通過振動檢測系統(tǒng)對2 臺車床的振動特征進行分析，對比模態(tài)分布表，可以發(fā)現(xiàn)其與分布表中的原因A 較為接近，因此認定其產(chǎn)生振動故障的原因是6 個地腳約束狀態(tài)不一致。

3.2 結(jié)果驗證

分析車床切削加工系統(tǒng)的特點，將其振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化為圖3。

圖3 車床自由度振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 中，M1、M2、M3為3 個不同質(zhì)量塊的質(zhì)量；S1、S2、S3為3 個質(zhì)量塊的位移；k1、k2、k3為質(zhì)量塊與地面之間的接觸剛度；C1、C2、C3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各個部件的粘性阻尼系數(shù)。

根據(jù)圖3 對車床中各質(zhì)量塊的受力情況進行分析。設(shè)SA、SB、SC為各質(zhì)量塊的運動速度，Sa、Sb、Sc為質(zhì)量塊的加速度，則各質(zhì)量塊只有在一定條件下才能實現(xiàn)振動方向相同。可以通過裝配工藝使接觸剛度和阻尼系數(shù)相互匹配，從而實現(xiàn)更好的加工工藝效果。

車床在安裝過程造成視覺波紋和振動的機理是高速切削加工中車床整體前后擺動，主軸系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)連接后產(chǎn)生的剛度差異導致切削加工過程中產(chǎn)生了相位差。根據(jù)本文構(gòu)建的模態(tài)分布表，可以很好地消除精密切削工藝產(chǎn)生的振動視覺波紋問題，從而進一步提升高速切削工藝的性能。

4 結(jié)束語

車床進行高速切削加工時，容易因為部件和結(jié)合面之間的動態(tài)差異而影響加工工藝效果，造成視覺波紋現(xiàn)象等，通常需要對車床整機檢測來消除問題，工作量較大。本文通過建立車床的模態(tài)分布表，運用振動檢測技術(shù)，可以快速找出高速切削加工中產(chǎn)生微振動的原因，為改善加工工藝提供參考。