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數控滾（gǔn）齒機滾刀主軸振動特性研究(上）

2018-10-15 來源：(重慶機床(集團)有限責任公司作者：李先廣楊勇

摘要：為了探尋滾齒機滾削振動特性（xìng），根據機床滾刀主軸結構、工藝參數及 Euler-Bernoulli 梁振（zhèn）動理論，建（jiàn）立了滾刀主軸 X向的振動響應函數模型，開展了振動（dòng）試（shì）驗測試，得到了滾齒機滾刀主軸振動頻率、X 向振動加速度及位移數據曲線。經分別比較滾刀主軸振動加速度與位移（yí）最大幅值的理論與測（cè）試數據，兩者相對誤差均小於 5%，表明理論與試驗（yàn）值的一致（zhì）性較（jiào）好，驗證（zhèng）了該型號滾齒機滾刀主（zhǔ）軸振動響應函數模型推導的正確性；並且由測試數據分析可知，該研究（jiū）對滾齒機（jī）主軸結構、加工工藝參數選擇與優化及加工誤差預（yù）測具有（yǒu）指導意（yì）義（yì），為該係列其（qí）他（tā）滾齒機主軸振動特性理論與試驗研究提供（gòng）經驗借鑒與（yǔ）參考價值（zhí），且也為滾齒機振動特性的後期深入與實用性研究奠定（dìng）理論與（yǔ）試驗基礎工作。

關鍵詞：滾齒機；滾刀主軸；振動；模型；測試

0 、前言

滾齒（chǐ）機高速（sù）切削過程中的自激激勵、強（qiáng）迫振動，對加工（gōng）齒輪質量與精度的穩定性影響較大，二者產生機理對機床係統的影（yǐng）響（xiǎng）難以控製；然而機床滾削加工中，振動現象不可避免（miǎn），且滾削振動是機（jī）床最（zuì）主要振源（yuán）。當機床（chuáng）主軸振幅超出齒輪精度誤差允許範圍時（shí），加工齒（chǐ）輪齒廓表麵（miàn）粗糙、質量惡化，會加速刀具磨損和降低使用壽命，最終影響或降低加工精度與生產效率。

滾齒機滾削振動是切削加工係統的（de）一種動態不穩定現象，盡管機床剛度和強度足夠高，但滾削振動是影響機床加工質量與效率的主要因素（sù）之一。滾齒（chǐ）機高速（sù）切削加工（gōng），使滾刀與工件間出現強烈自激振動，機（jī）床加工過程存在不穩（wěn）定性，導致滾刀與工件主軸中心距位置發生微幅變動，造成齒輪精度和表麵質量降低，故展開機床切（qiē）削動態特（tè）性（xìng）研究，對提高（gāo）機床加工精度和齒輪質（zhì）量具（jù）有重要作用。當前，滾（gǔn）齒機滾削動力學方麵的研究資料較少，如（rú）文獻分（fèn）別采用有限元（yuán）法、準實模態（tài）理（lǐ）論及振動動（dòng）態監測的方法進行了（le）一些研究（jiū），理論上（shàng）也取得了一些成果，但並未對滾齒機的實際滾削振動機理進行詳細深入研究（jiū），且這些研究結果的實用（yòng）性有限。在振動試驗研究方麵，諸多學者通過測（cè）試與分析切削力信號的方法來間接研究機床切（qiē）削（xuē）振動特性，這些研究較難直接獲取機床滾（gǔn）刀主軸振動位移，且對數控滾齒機滾削振（zhèn）動測試也（yě）較難適應。對於汽車用的大批量小齒輪，幾分（fèn）鍾完成一個齒輪加工，機床（chuáng）始終處於間斷性非連續切削（xuē）工況，間斷性的滾（gǔn）削（xuē）力是機（jī）床振動的主要自激振源，則激振頻率等於或接近機床部（bù）件固（gù）有頻（pín）率時，機床將出現共振現象，嚴（yán）重時會破壞滾刀與機床結構，影響機床裝配聯接特性，且還會（huì）在齒輪表麵留下振紋；還有當機床由滾削引發高頻振動時，將伴隨（suí）噪（zào）聲汙染，會危及操作者身心（xīn）健康，故滾削振動已成為影響滾齒機加工能力提升的主要因素之一。因此，為了探尋滾齒機（jī）滾削振動特性，本論文項目組（zǔ）根據（jù）機床結構與（yǔ）工藝參數、Euler-Bernoulli 梁振動理論，針（zhēn）對（duì）某型（xíng）號滾齒機開展滾（gǔn）削（xuē）振動特性理論與試驗測試研究工作（zuò）。

1、滾（gǔn）刀主軸振動特性模型

在滾齒機高速、大功率切削加工（gōng）中，滾削是機（jī）床主（zhǔ）要振源，且滾削振動對齒輪精度與質量影響較大(基（jī）於論文篇幅限製，本文（wén）僅總結（jié）了滾刀主軸 x 向振動特（tè）性研（yán）究成果，而工件主軸、Y 與 Z 方（fāng）向振動特性的研究（jiū），項目組在後期開展和進行總（zǒng）結)。由於滾齒機結構、係統及加工工藝均較為複雜，故對機床滾削係統進行了（le）一定程度簡化，近似處理（lǐ）為Euler-Bemoulli 梁，如圖 1～3 所示。

圖 1 為滾齒機切削係統結構示意圖

如圖（tú） 3 所示，根據簡支梁理論，假設梁各截麵中心軸在 XOY 同一平麵內且任（rèn）意微段在 XOY 平麵（miàn）內作彎曲振動，不計轉動慣量和剪切（qiē）變形（xíng）的影響，則（zé）滾刀主（zhǔ）軸的 X 軸運動方程為

圖 2 滾（gǔn）齒機滾刀與工件主軸（zhóu）示意圖（tú）

圖 3 滾刀（dāo）主軸 Euler-Bemoulli 梁模型示意圖

表 2 所示。

表 1 為滾刀主軸振動位移模型計算（suàn）最大（dà）位移（yí）幅值

表 2 為滾刀主軸振動加速度模型計算最大加速度幅值

2、振動測試試驗布（bù）置及參數設置

滾齒機（jī）結構的不對稱性、零件製造（zào）和裝配精度不良、回（huí）轉體不平衡及切削振動等均會導致滾齒機（jī）零件和裝配件間出現相對（duì）振動，最終可能導致滾刀主軸顫振，將直接影響齒輪加工精度與質量。因此，開展（zhǎn）機床樣機振動測試(如圖（tú） 4 所示)，既可評定樣（yàng）機振動特（tè）性，又可從試驗結果中發現機床結構設（shè）計與裝配存在的問題，為後期滾齒機結構優化與裝配優化（huà）提供支撐。

圖 4 滾齒機滾刀主軸振動測試係（xì）統平台

滾（gǔn）刀主軸振動試驗采用 DH311E 型加速度傳感器，傳感器靈敏度為 1.01 m V/(m·s2)，測試中加速度傳感器頻率設置測量範圍為 1～7 000 k Hz，測量係（xì）統（tǒng）采用 DH5958 動態信號測試分析係統及儀器。加速度傳（chuán）感器布置在滾刀（dāo）主軸徑（jìng）向(X 方向)，主要測量 X 方向振動加（jiā）速度，在測試係統軟件模塊中（zhōng），通過拉普拉斯變換與微積分算法（fǎ）得到主軸振動位移量。

振動測試中，采用單通（tōng）道（dào）加速度傳感器，帶磁性傳感（gǎn）器測頭分別沿 X 方（fāng）向水（shuǐ）平垂直粘磁到滾刀（dāo）主軸上；由於機床滾切加工中，滾刀主軸沿自身軸旋轉，故將（jiāng）加速度傳感器布置在滾刀主軸不旋轉部位。滾齒機振動測試是在滾齒加工（gōng）中進行（háng），圖 5、6為加速（sù）度傳感器安裝布置試驗車間現場示意圖，圖7 為滾齒機動態特性測試（shì）係統及界麵（miàn）示意圖。