基于包絡(luò)解調(diào)分析法的數(shù)控車床鏜孔振紋分析與改進(jìn)

霍洪旭 蔚 鑫

（①通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110142；②安朗杰安防技術(shù)（中國(guó)）有限公司，上海 200051）

數(shù)控車床在加工中，主軸振動(dòng)會(huì)直接影響工件的加工質(zhì)量。振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生大量噪聲，危害操作者身體健康[1-2]。高精密主軸軸承是數(shù)控車床主軸的重要組成部分，長(zhǎng)期使用的高精密主軸軸承可能發(fā)生損傷，從而引起切削加工的振動(dòng)，會(huì)在工件表面形成振紋（顫紋），降低被加工工件質(zhì)量，甚至降低刀具的使用壽命。

許多學(xué)者已經(jīng)在切削振動(dòng)方面做出了一些研究。凌益民等人以VMC850E 為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種外加阻尼器用來吸收主軸振動(dòng)的能量[3]。姜廣君等人設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)的軸承RUL 預(yù)測(cè)模型，且預(yù)測(cè)精度優(yōu)于其他現(xiàn)有方法[4]。張政君等人提出了一種基于時(shí)頻圖與雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承故障識(shí)別方法，具有較高的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性[5]。卞文彬等人基于稠密連接模塊的改進(jìn)深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載工況下滾動(dòng)軸承故障的高效診斷[6]。

本文針對(duì)HoriTurn125500F 臥式數(shù)控車床加工工件振紋故障，通過多次的、分步的分析機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)的原因，并利用包絡(luò)解調(diào)分析法，同主軸故障特征頻率進(jìn)行對(duì)比，辨識(shí)得到切削件波紋故障源。并通過軸承拆卸和切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文故障辨識(shí)方法的有效性。

1 故障現(xiàn)象描述

某軍工企業(yè)在加工某型號(hào)材料為特炮鋼的炮尾，利用工裝旋轉(zhuǎn)加工有孔的兩面、?140 mm 內(nèi)孔及梯形螺紋。設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速120 r/min，進(jìn)給速度0.3 m/min，切深1 mm。鏜刀桿為570-80-20-2020R山特維克?80 mm 防震鏜刀桿和570-3C1502400R 矩形刀柄接桿，探出長(zhǎng)度670 mm。工件內(nèi)孔表面產(chǎn)生振紋，且每個(gè)振紋間距基本相等，呈現(xiàn)等間距特點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 故障現(xiàn)場(chǎng)和工件表面

2 鏜孔振紋分析和改進(jìn)

首先梳理總結(jié)了常見的幾種可能導(dǎo)致加工件波紋的機(jī)械結(jié)構(gòu)故障源，并按照由簡(jiǎn)至繁的次序進(jìn)行初步辨識(shí)[7]，包括地腳與地基、主軸單元、齒輪變速箱和主電機(jī)等。

（1）機(jī)床地腳螺栓和地基故障。機(jī)床一階頻率，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型為機(jī)床整體繞地腳前后擺動(dòng)，可通過優(yōu)化床身地腳處結(jié)構(gòu)或選用減振墊鐵，來降低前后擺動(dòng)的幅值，減弱或者消除精密車削中的視覺波紋[8]。

與此同時(shí)，機(jī)床地基必須有足夠的剛度，以保證機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)及承載工作壓力時(shí)的偏移量，需參照“GB 50040—2020 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”要求檢驗(yàn)。

（2）齒輪故障。齒輪組是改變轉(zhuǎn)速、扭矩的重要組件。常見齒輪故障為斷齒和磨損。斷齒是疲勞過度以及負(fù)載過大，造成疲勞斷裂，從而導(dǎo)致齒輪箱振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出明顯沖擊。由硬質(zhì)顆粒引起的接觸面磨損，以及潤(rùn)滑問題所產(chǎn)生的磨損稱為非正常磨損，常伴隨著無規(guī)律的振動(dòng)頻率[9]。

（3）有效地降低振動(dòng)源的傳播。受加工誤差、偏心等因素影響，主軸箱會(huì)在窄V 帶的高速傳動(dòng)中引起振動(dòng)。當(dāng)激振頻率接近固有頻率時(shí)，窄V 帶將出現(xiàn)強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)。為此，將電機(jī)振動(dòng)源遠(yuǎn)離主機(jī)能夠有效減輕振紋。目前，主電機(jī)常采用掛式或落地式安裝方式，如圖2 所示。其中掛式安裝通過減震膠墊阻礙振動(dòng)的傳播，使其結(jié)構(gòu)緊湊、便于發(fā)運(yùn)；落地式安裝通過化學(xué)螺栓與地基相連，激光對(duì)中儀進(jìn)行精確對(duì)中，從源頭上解決振動(dòng)的結(jié)構(gòu)傳播。

圖2 主電機(jī)安裝方式

（4）進(jìn)給軸部件剛性檢測(cè)。為防止加工時(shí)進(jìn)給軸組件存在間隙，使振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)件安裝不牢，對(duì)運(yùn)行中的進(jìn)給軸組件進(jìn)行剛性檢測(cè)，如圖3 所示。

圖3 進(jìn)給軸組件剛性檢測(cè)

（5）采用被動(dòng)抑制法檢測(cè)振動(dòng)源。被動(dòng)抑制法是在機(jī)床上外加吸振器或質(zhì)量塊的方法來減輕機(jī)床部件的振動(dòng)，此過程無外界能量供給。具體措施：主軸箱增加配重和非刀片端刀桿增加配重或磁鐵，如圖4 所示。

圖4 被動(dòng)抑制法檢測(cè)振動(dòng)源

（6）提高主軸箱剛性支撐。對(duì)主軸箱側(cè)面做加強(qiáng)支撐機(jī)構(gòu)，可減緩因主軸箱剛性不足而產(chǎn)生的自激振動(dòng)。主軸箱表面打磨掉原漆后使用TS316 減摩涂層膠水，使支撐機(jī)構(gòu)同主軸箱和床身固定，如圖5 所示。

圖5 主軸箱支撐機(jī)構(gòu)

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的檢測(cè)判斷振動(dòng)來源同主軸箱、主電機(jī)、滑鞍組件、刀桿等無關(guān)，進(jìn)一步判斷振動(dòng)來源很大可能是主軸和主軸軸承，為此需要專用工裝檢測(cè)主軸剛性和采用主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，來判斷波紋故障來源。

3 卡盤浮動(dòng)支撐工裝與包絡(luò)解調(diào)分析法

3.1 卡盤浮動(dòng)支撐工裝檢測(cè)主軸剛性

工件懸出過長(zhǎng)，易使主軸產(chǎn)生疲勞和形變。為判斷加工振紋是否受主軸剛性影響，采用卡盤浮動(dòng)支撐工裝，可通過工裝前后被加工件表面質(zhì)量診斷振紋。

卡盤浮動(dòng)支撐工裝由底板、碟簧組及碟簧座、導(dǎo)向軸及滑動(dòng)軸承、左右自潤(rùn)滑支撐滾輪組及水平調(diào)整支架等組成，如圖6 所示。通過調(diào)整兩個(gè)滾輪之間的距離來調(diào)節(jié)支撐力，浮動(dòng)機(jī)構(gòu)依靠碟簧產(chǎn)生浮動(dòng)頂緊力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：此結(jié)構(gòu)能夠間接提高主軸剛性和緩解刀紋的深度，但不能消除振紋的寬度。說明鏜孔振紋緣由與主軸剛性無關(guān)，需要進(jìn)一步對(duì)主軸軸承進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 卡盤浮動(dòng)支撐工裝

3.2 包絡(luò)解調(diào)分析法

主軸軸承是傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要精密部件，且又較為薄弱。由于受到車削載荷和潤(rùn)滑等因素的影響，低轉(zhuǎn)速軸承會(huì)產(chǎn)生磨損，引發(fā)低頻振動(dòng)[10]。引起的沖擊信號(hào)往往會(huì)激起高頻固有頻率，即低頻故障信號(hào)作為某高頻載波的邊頻出現(xiàn)。因此，對(duì)于這種出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象的故障信號(hào)，往往需要通過包絡(luò)進(jìn)行分析診斷[11-12]。

包絡(luò)解調(diào)分析法是提取附在高頻信號(hào)上的低頻信號(hào)。當(dāng)主軸支撐軸承出現(xiàn)局部磨損時(shí)，伴隨切削加工產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起機(jī)床的高階固有振動(dòng)。以高頻固有振動(dòng)為研究對(duì)象，采用高通濾波將其從信號(hào)中提取出來。然后通過包絡(luò)檢波，提取周期脈沖對(duì)應(yīng)的包絡(luò)信號(hào)，對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析便能將與故障有關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中提取出來，快速而正確地診斷出故障發(fā)生的部位，避免了與其他低頻干擾的混淆，其原理示意圖如圖7所示[10]。

圖7 包絡(luò)解調(diào)分析法

為進(jìn)一步分辨主軸故障的具體故障源，以便于后續(xù)開展檢修工作，需根據(jù)軸承參數(shù)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和故障特征頻率計(jì)算。

3.3 主軸軸承參數(shù)測(cè)量

出現(xiàn)故障的臥式數(shù)控車床主軸為機(jī)械式變檔主軸，最高轉(zhuǎn)速nmax=250 r/min，其總體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。主軸軸承幾何參數(shù)見表1。

表1 主軸軸承參數(shù)

圖8 主軸軸承分布圖

3.4 故障特征頻率計(jì)算

文獻(xiàn)[9]給出的機(jī)床主軸軸承故障特征頻率計(jì)算方法見式（1）～式（6）。

軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：

一個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)環(huán)上一損傷點(diǎn)的頻率：

Z個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)環(huán)上一損傷點(diǎn)的頻率：

一個(gè)滾動(dòng)體通過外環(huán)上一損傷點(diǎn)的頻率：

Z個(gè)滾動(dòng)體通過外環(huán)上一損傷點(diǎn)的頻率：

軸承滾動(dòng)體上的一損傷點(diǎn)通過內(nèi)環(huán)或外環(huán)的頻率：

式中：d為滾動(dòng)體直徑；D為軸承節(jié)徑；α為軸承接觸角；Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。

根據(jù)式（1）～式（6），以及表1 中主軸軸承參數(shù)，計(jì)算得到主軸故障特征頻率，見表2。

表2 主軸軸承參數(shù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步辨識(shí)加工振紋故障源，采用LC-810型振動(dòng)信號(hào)采集分析儀，高通濾波和分析頻率設(shè)置到1 kHz，并開啟包絡(luò)和抗混濾波，如圖9 所示。試驗(yàn)遵循傳遞路徑最短、測(cè)點(diǎn)剛度最大兩條原則，對(duì)主軸箱靠近主軸軸承位置進(jìn)行主軸空載振動(dòng)采集。

圖9 振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)主軸前端和后端振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)見表3。前端和后端振動(dòng)信號(hào)頻率均值分別為22.37 Hz和45.94 Hz。根據(jù)表2 中主軸軸承故障特征頻率計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：NN3048 的雙列圓柱滾子軸承滾動(dòng)體和NU1038 的單列圓柱滾子軸承外圈故障特征頻率分別為22.127 Hz 和44.792 Hz，與實(shí)驗(yàn)獲取的主軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果中的故障特征頻率基本一致。因此故障源為：主軸存在雙列圓柱滾子軸承滾動(dòng)體和單列圓柱滾子軸承外圈故障。

表3 主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)

4.1 主軸拆卸

為進(jìn)一步辨識(shí)、檢驗(yàn)故障源是雙列圓柱滾子軸承，還是單列圓柱滾子軸承，甚至是兩者均發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該軸承進(jìn)行拆解。從圖10 可以明顯看出，軸承的外圈和滾動(dòng)體存在嚴(yán)重的磨損。如果該軸承繼續(xù)服役，很可能引起燒瓦、抱軸，并導(dǎo)致重大的安全事故[13]。

圖10 主軸軸承磨損

4.2 切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)床切削振紋的故障源是否為主軸軸承，本文將NU1038 單列圓柱滾子軸承更換為高預(yù)緊力31038P4DB 的角接觸軸承，并更換NN3048 軸承。重新裝配精密機(jī)械主軸，并完成切削加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：主軸轉(zhuǎn)速120 r/min，進(jìn)給量Fs=0.3 mm/r，切深1 mm。切削件局部效果對(duì)比如圖11 所示，可以看出，更換故障軸承后，能有效消除加工件表面振紋現(xiàn)象。

圖11 切削件效果對(duì)比

綜上所述，將本文通過包絡(luò)解調(diào)分析法辨識(shí)得到主軸軸承故障源，替換后確實(shí)有效地消除了切削件表面的振紋現(xiàn)象，驗(yàn)證了本文包絡(luò)解調(diào)分析法的有效性。

5 結(jié)語

（1）通過安裝卡盤浮動(dòng)支撐工裝，對(duì)比切削效果，發(fā)現(xiàn)該裝置能夠間接提高主軸剛性和減小刀紋的深度，但振紋的寬度不能改變。進(jìn)一步說明鏜孔振紋緣由與主軸剛性無關(guān)。

（2）基于包絡(luò)解調(diào)分析法，通過LC-810 型振動(dòng)信號(hào)采集分析儀對(duì)主軸前端和后端振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，均值分別為22.37 Hz 和45.94 Hz。同NN3048和NU1038 軸承計(jì)算故障特征頻率22.127 Hz 和44.792 Hz 相近。更換高預(yù)緊力31038P4DB 的角接觸軸承和NN3048 軸承后，對(duì)比試驗(yàn)效果明顯。

（3）包絡(luò)解調(diào)法能夠有效提取載附在高頻信號(hào)的低頻信號(hào)，是滾動(dòng)軸承診斷中一種有效方法，在故障診斷分析領(lǐng)域中非常具有前景。