普通車床高速切削加工振動問題研究

黃 玖

（廣西機(jī)電技師學(xué)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行的靜態(tài)特性。當(dāng)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(jìn)一步導(dǎo)致車床切削加工的精細(xì)性下降。

此外，車床的運(yùn)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(dǎo)致車床運(yùn)行過程中產(chǎn)生相應(yīng)的振動激振力，進(jìn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。

1 研究背景和技術(shù)框架

目前，相關(guān)學(xué)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。基于此，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(jìn)行分類。在研究微振動和強(qiáng)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(jìn)行切削加工時，高速的切削加工工藝會出現(xiàn)微振動和強(qiáng)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(jìn)行切削加工實驗對比。由實驗結(jié)果可以獲取準(zhǔn)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(jìn)行模態(tài)測試。然后將采集到的測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)；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(dǎo)向系統(tǒng)中軸絲杠及導(dǎo)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(jìn)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(qiáng)振動和微振動。其中，微振動一般出現(xiàn)在車床進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。車床切削振動頻率超出出廠標(biāo)準(zhǔn)時，通常需要對車床進(jìn)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(jìn)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(jī)床的參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速2600 r/min，給進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yán)重影響了生產(chǎn)部件的美觀性（圖2b））。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)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(diǎn)，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(jìn)行分析。設(shè)SA、SB、SC為各質(zhì)量塊的運(yùn)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(jī)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(dǎo)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(jìn)一步提升高速切削工藝的性能。

4 結(jié)束語

車床進(jìn)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(jī)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(yùn)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。