對（duì）細長軸生產中產生振動時，工藝（yì）係統受到幹擾和破壞，不僅讓加工表麵（miàn）質量嚴重惡化，縮短機床及刀具的壽命，還會發出刺耳的噪聲，對零件的加工生產產生嚴重的影響。細（xì）長軸類零件表麵粗糙剛度差、長徑比大，刀具在（zài）高（gāo）溫的細長軸氧化表麵車削時極易磨損，同時被加工的（de）細長軸圍繞軸心線產生強烈的扭轉振動而難以（yǐ）控製精度。

      在實際中采用精（jīng）確（què）的切削用量，配合精心設計的中心架（jià）和跟刀架，仍然不能生產出很好的細長軸。本文通過建立受（shòu）力模型，結合有（yǒu）限元分析法對細（xì）長軸切削加工過程中（zhōng）產（chǎn）生（shēng）的振動特性作（zuò）了（le）仿真分析，利用跟刀架采（cǎi）用（yòng）浮動的來限（xiàn）製細長軸最大振幅的位（wèi）置。從結果對比可以看出，用這種措施可以緩解振動，對（duì）徑向振幅有很好的限製作用，保證加工質量。

      1 對細長軸（zhóu）加工中各誤差的概述

      在（zài）實際加工中由於（yú）切削熱（rè）作（zuò）用、正向切削力以及徑向（xiàng）力下（xià），細長軸會發生振動，會使（shǐ）車削過程中各位置的物理機械性能和接觸剛度改變，導致細（xì）長軸熱擴散，受力不均，致使加工部位發生異變，刀具與工件間產生相對位移，會使加工表麵產生振痕，嚴重影響零件的質（zhì）量（liàng）和性能。我們用頻譜分析法，將細長軸加工過程中各誤（wù）差分為：(a)體表不平度誤差(b)振動波（bō）形的誤差(c)形狀的誤差。而形狀誤差為細長軸加（jiā）工過程中的（de）主要誤差方式，分為：(1)竹節形誤差(2)腰鼓形（xíng）誤差(3)麻（má）花形誤（wù）差。

圖1 細長軸車削受力圖

      2 建立受力模型

      振（zhèn）動（dòng）現象是由於細（xì）長軸在車削加工時頂尖支反力變化不均（jun1）勻引起的，試驗中我們在細長（zhǎng）軸頂尖（jiān）處采用彈（dàn）性（xìng）頂尖（理想彈（dàn）性體材料滿足：a.均勻分布的質量b.服從彈性定律c.各向特性相同）來對變化進行（háng）補償，通過生成支反（fǎn）力，根據頂尖（jiān）部（bù）位受力情況可將其（qí）看作固定（dìng）支架；跟刀架可在豎直方向自由移動，限（xiàn）製水平方向位移。對卡盤也作簡化，整個係統受力如圖1。F1 代表主切削力（lì），F2 代（dài）表（biǎo）軸向作用力，F3 代（dài）表徑（jìng）向作用力，M 代表車床施加的扭矩。細長軸在上述作用下在軸向等方向均發生（shēng）振動（dòng）。

      3 振動頻率的模（mó）擬仿真

      細長軸切削振動的仿真分析已作為針（zhēn）對其振動（dòng）特性所采取的有效（xiào）措施，通過仿真分（fèn）析表現了細長軸加工中的振動動態特性，並（bìng）以此確立了（le）緩振策略，即運用跟刀架（jià）浮動方式工作有利於減（jiǎn）弱振動對加工質量的影響，提高車削質量。

圖2 細長軸有限元模型

      采用VDRAG 命令拉出如圖2的（de）細長軸（zhóu）的有限元（yuán）網格模型，加工時軸受到不同方向的（de）力的作用，並且截麵為圓，因此我（wǒ）們用（yòng）ANSYS 中的95 號元素材料，它是高階的（de）多麵體元素材料（liào），有20 個結點，可用於曲線幾何體建模。建模時（shí），對模型做適當簡化，除去螺紋和鍵槽等細（xì）節信息。模態分析時，為減少徑向切削力對細長軸彎曲變形的影（yǐng）響，將細長軸加工時的係統簡化為固支－簡支梁的模式，采用左邊固定（dìng），右邊頂端（duān）彈性，相當於在細長軸上增加了X、Y 方向（xiàng）上的支撐。細長軸在加工過程中以一定角（jiǎo）速度旋轉，這將使軸產生一定扭矩和預應力（lì）。所以（yǐ）細長軸加工中的振動特性分析采用附加轉動的預應力模態（tài）分析法。細長軸車削加工過（guò）程中，跟刀架和刀具的運動均是連續的進給直（zhí）線運動，從而（ér）導致細長軸產生的約（yuē）束的變（biàn）化時動態的，在每一個細長軸支架中，跟刀架和刀具都（dōu）導致一個（gè）特定的（de）振（zhèn）動模態。所以，必須對運動的刀具和跟刀架作離散化處理，挑了32 個位置均勻沿軸向進行計算並近似模擬整個細長軸受力情（qíng）況，考慮到既減（jiǎn）少計算時間又能保證其（qí）整（zhěng）體（tǐ）分析的準確性，這32 個位置對應於32 個載荷步（bù），每個載荷步抽取了前10 階模態並進行擴（kuò）展（zhǎn），利用ANSYS 的強大功能提取（qǔ）頻率，繪製各階振型曲線。在車削剛開始時，細長軸的（de）頻率低，然後隨著車削過程（chéng）的細長軸的轉動（dòng）而逐漸增加，在軸（zhóu）的中間，其固有頻率達到最大，然後逐（zhú）漸下降，在加工結束時，細長（zhǎng）軸的固有振動頻（pín）率也比較低，頻率的變化標誌著細長軸的剛性在不斷變化，隻有穩（wěn）定的（de）細長軸剛（gāng）性才可減小振動，提高加工質量。

      細長軸受多方（fāng）向振（zhèn）動影響產生獨（dú）立的振動模式，現將對細（xì）長軸影響大的（de）一階（jiē）振型曲線圖繪製如下圖3 所示。X 軸為車削過程中（zhōng）細長軸距測量卡盤的距離，Y 軸為細長軸上各位置的振動幅度大小（包括徑向位（wèi）移、切向位移和軸向位移），(a)圖為對細長軸車削加工到軸上1/4 處（chù）時的振型狀態曲線，(b)圖為對細長軸車削加工到軸中部時的振（zhèn）型狀態曲線，(c)圖為對細長軸（zhóu）車削加工到軸上3/4 處時的振（zhèn）型（xíng）狀（zhuàng）態曲線。同時，把各方向一階振型曲線在同一個圖中繪出，用B、C、D 來區分；其中，B 表示徑（jìng）向一階（jiē）振型曲（qǔ）線（xiàn），C 表示切向一階振型曲線，D 表示軸向一階振型（xíng）曲線。

圖3 無浮動刀架時一（yī）階振型曲線

      由圖3 可以看出（chū）產（chǎn）生振動的特（tè）點：首先，改變徑向力對振型（xíng）和振（zhèn）幅有影響；其次，在細長（zhǎng）軸中部受到（dào）的振動的振幅是最大的，且最大值和最小（xiǎo）值的距（jù）離大約（yuē）是（shì）軸長的一半長度。綜上，係統設計如下：在車床的後（hòu）絲（sī）杠上通過減速裝置（zhì）安裝有（yǒu）兩個跟刀爪（zhǎo）的浮動刀架（jià），刀爪的距（jù）離設計在為細（xì）長軸（zhóu）軸長的一半，並且控（kòng）製刀架速度（dù）為刀具軸向速度的一半。這樣的目的就是為細長軸在其最大振幅位置加兩個浮動支（zhī）承。通過模態分析得出振（zhèn）型如（rú）圖4 所示。

圖4 有浮動刀（dāo）架時一階振型曲線

      通過比較，徑向振型模式的相對幅度顯著減小，但容易看到有不少的峰值的出現（xiàn），導致這樣結果的原（yuán）因（yīn）是支承的浮動讓細長軸剛度增加，振動頻率也跟著增加（jiā）。但是，另一方麵，在軸向振動方麵的振幅有增加的趨勢，這意味著兩個振動是獨立產生的，軸向振動振幅並不隨徑向振動（dòng）振幅的減小而（ér）減小。但由於軸向振動對加工尺寸影響（xiǎng）完（wán）全忽略，在較小進給速度（dù）情（qíng）況下，可以提高加工精度。

      4 結論

      本文（wén）對細長軸切削過程進行了模態分析，車削到軸的（de）中部時頻率最高（gāo），揭示了細長軸車（chē）削過程中自身的固（gù）有（yǒu）頻率隨軸（zhóu）向拉力的變化而變化。采用浮動跟刀架，增（zēng）強細長軸的（de）剛（gāng）度。同時表明軸的徑（jìng）向振動（dòng）和軸向振動是兩個獨立的過程，改變軸向力對振型的影響，同時浮動跟刀架具有振動的補償控製作用，提高切削質量。