车床加工细长轴振动及减振分析

摘要：不同类型的车床可以对细长轴等弱性刚度零件精密性进行切削加工，相比较于传统的车床车削加工方法，应用不同装夹方法可以对不同轴结合面下工艺系统元件、切削参数、铣刀系统、车铣加工的振动特点等进行分析。本文根据细长轴车床加工要求，提出了一种新的加工方法，并在建立相关模型的基础上，对其振动特点进行研究，以此提出了相关减振措施，旨在为提高细长轴精密性提供理论依据。

关键词：车床加工;细长轴振动;减振

引言：

在我国机械领域内，对于细长轴类零件的车床加工主要以车削方式位置，并结合各种辅助夹具、辅助支持、组合夹具来解决加工过程中的各种问题，由于细长轴零件刚度差、精密度不高，其在切削加工下会出现弯曲变形，且工件发生振动会影响工件尺寸和质量，对此需要加强对细长轴特点的研究，并采用不同加工方法来减少振动，以此降低振动发生率。在不断研究中，一些学者提供将车削系统和刀架进行组合，以此提高细长轴的特性，并提出了不同的加工方法以此减少振动，具体如下所示。

一、车床主轴有限元分析

车床主要加工轴类盘类零件，在车床工作中主轴作用非常重要，主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。车床主轴的支撑为两端轴承支撑，一端为圆柱滚子轴承，另一端角接触球轴承。具有拆卸方便，传动扭扭矩大等特点。为了有效精准的对主轴部件进行分析，要对主轴进行简化处理，忽略不影响整体的局部结构，之后进行网格划分，对主轴进行静刚度分析。分析结果主要看一阶频率和二阶频率，其它作为参考。主轴静刚度是车床主轴的一个非常重要的指标，他能反映出主轴负载和抵抗振东的能力，静刚度不足，主轴会产生很大的变形，并引起振动。更会导致加工细长轴的振动，所以对主轴的静刚度分析至关重要。通过对主轴进行了静态分析，找到了机床主轴结构的薄弱环节，结果表明，主轴的应力最高点和应变最大点产生在主轴轴肩附近。最后对主轴部件进行模态分析，模态分析真实模拟车床加工过程中的综合受力，可算出主轴的临界转速，为主轴结构的合理性提供重要的依据。有限元分析过程中可分析出主轴的固有频率，为规避整个车床的共振提供依据。总之主轴的结构优化，对于减少加工细长轴振动有很大的帮助。

二、车床加工工艺系统的振动特点及减振分析

（一）车床主轴系统振动及减振

对车床主轴和刀柄、刀具组成的系统各阶段模态频率进行分析，第一阶段模态频率和振动主要集中在刀柄上，且刀具横向振动，第二阶段模态频率和振动和第一阶段相同，第三和第四阶段模态频率和振动主要集中在主轴末端，并且横向振动，第五阶段模态频率和振动主要集中在主轴前轴承组和后轴承租的单元内，其也是横向振动。在以上各阶段中，主轴末端振动频率大，靠近前轴承组单元的振动频率大，对此可以发现，刀柄和主轴结合面刚度对刀具振动频率底阶段模态有较大的影响。

（二）工件模态参数振动及减振

在车床细长轴零件加工中，主要使用浮动卡盘、自定心中心架和活顶尖等辅助支撑方法，根据特定类型的细长轴零件，采用有限元方法计算其频率，对工件有限模型单元、节点进行统计，发现该单元类型属于线性两节点单元。且对工件有限元模型边界条件进行固定，以此分析其模态，结果发现，在卡盘和顶尖装夹方式下，工件频率稳定性差，主要原因是工件动力学特点不显著，难以进行切削加工。加入中心架后，可以有效提升动力学特点，且第一阶段频率稳定性和其他阶段都有提高，可以有效降低切削加工难度，且根据不同刀架位置和不同工件各阶段的频率稳定性变化规律可以发现，第一阶段频率稳定性变化值呈现先增后减的趋势，且在中心节点处达到最高值。对于卡盘和顶尖、中心架类的工件切削点频率特点进行分析可以发现，工件也会随着切削点的位置变化而不断变化，在具体的切削加工过程中，距离卡盘较近的工件频率特点组成的共振点曲线峰值较低。由此可以发现，切削系统在距离装夹点较近时，动力学特点最为显著，振动不会增加，工件的振动特点在夹盘到顶尖的位置呈现出先增后减的趋势，则说明在这种装夹方式下的峰值变化主要受到底阶段的模态影响。对此，在卡盘和顶尖装夹方式下，加入中心架后峰值振动频率升高后，峰值降低，可以有效改善工件动力学特点，可以提高切削加工效果[2]。

（三）工艺系统振动及减振

采用半功率点法对车床加工工艺系统振动幅度进行分析，建立模态参数，根据模态参数分析车削主轴和其他装夹方式下的系统振动特点，将一般车削数据进行对比后可以得出车刀和不同装夹方式下的系统复合振动频率特点。第一，卡盘和车削系统、主轴振动系统的振动特点。研究发现，车床加工时车刀的动力学属性不显著，车削振动系统和主轴振动系统的振动频率各不相同，前者振动频率大，两者的振动峰值主要受到模态的影响，车刀第一个阶段的模态变化最显著，主轴第一个阶段的模态变化较小。第二，卡盘和顶尖、中心架车削振动系统、主轴振动系统的振动特点。在以上两个系统振动峰值变化下，加入中心架可以有效增强工件动力学特点，并提高第一阶段的模态频率的稳定性和模态刚度，降低共振峰值。第三，卡盘和顶尖、刀架车削振动系统、主轴振动系统的振动特点。对比车削振动系统和主轴振动系统的振动频率可以发现，车削振动系统频率大，加入刀架后，工件振动系统频率稳定性没有增强，但是模态刚度有了变化，两者第一阶段的模态振动频率变化不限制，峰值变化主要受车刀的影响，对此工件振动对两个系统振动影响不显著[3]。

三、结束语

总之，本文对机床车削系统和主轴系统单元进行模态分析，通过优化工件，刀具建模，对车床主轴全过程振动和振动稳定性进行分析，结果卡盘和主轴结合面对第一阶段系统振动频率有较大的影响，并利用分析元件对刀具、刀架、轴承等结合面模型、装夹方法进行分析，在卡盘和顶尖装夹方法下，在振动环节的工件中加入中心架后发现，振动转移进主轴系统中，这一变化可以有效降低工件系统的振动特点，且对切削深度影响范围不大。另外，通过分析主轴系统和车削加工方法下的车床细长轴工艺系统的振动特点，结果发现，不同装夹方法下，优化、改进刀加工方法可以有效降低振动频率。

参考文献

[1]徐淑珍. 车床加工细长轴振动及减振分析[J]. 新疆石油天然气，1991（1）：4.

[2]郑鹤松. 细长轴在车削加工中振动及刀具角度控制浅析[J]. 职业，2008（11X）：3.

[3]金成哲，郭暢. 车铣加工细长轴的振动特性分析[J]. 工具技术，2018，52（11）：5.

作者简介：路阳（1987.11），女，汉，辽宁，本科，工程师，沈阳机床（集团）有限责任公司 ，卧车整机研发，110000。