對細長軸生產中產生振動時，工藝係統受到幹擾和（hé）破壞，不僅讓（ràng）加（jiā）工表麵質量嚴重惡化（huà），縮（suō）短機床（chuáng）及刀具的壽命，還會發出刺耳的噪聲，對（duì）零件的加工生（shēng）產產生嚴（yán）重的影響。細長軸類零件表麵粗糙剛度差、長徑比大，刀具在高（gāo）溫的細長軸氧（yǎng）化表麵車削時極易磨（mó）損，同時被加工的細長軸（zhóu）圍繞軸心線產生強烈的扭轉振動而難以控製精度。

      在實際中采用精確的切削用量，配合精心（xīn）設計的中心架和跟刀架，仍然不能生產出很好的細長軸。本文通過建立受力模型，結合（hé）有限元分析法對細長軸切（qiē）削加工過程中（zhōng）產生的振動特性作了仿真分析，利用（yòng）跟刀架采用浮動的來限製細長（zhǎng）軸最大振幅的位置。從結果對比可以看出，用（yòng）這種措施可以緩解振動，對徑向振幅有（yǒu）很好的限製作用，保證加工質量。

      1 對細長軸加工中各誤差的概述

      在實際加工中由（yóu）於切削熱作用、正向切削力（lì）以及徑向力下，細長軸會發生振動，會使車削過程中各位置的物理（lǐ）機械性能和接觸（chù）剛度改變，導致細（xì）長軸熱擴散，受力不均，致使加工部位發（fā）生（shēng）異變，刀具與（yǔ）工件間產生相（xiàng）對位移，會（huì）使加工表麵產生（shēng）振痕，嚴重（chóng）影響零件的質量（liàng）和性（xìng）能。我們用頻（pín）譜分析法，將細長軸加工過程中各誤差分為：(a)體表不平度誤差(b)振動波形的誤差(c)形狀的誤差。而（ér）形（xíng）狀誤差為細長軸加工過程中的主（zhǔ）要誤差方式，分為：(1)竹節形誤差(2)腰鼓（gǔ）形誤差(3)麻（má）花形誤差。

圖1 細長軸車削受力圖

      2 建立（lì）受力模型

      振動現象是由於細長軸在車削加工時頂尖支反力變化不均勻引起的，試驗中我們在細長軸頂尖處采用（yòng）彈性頂尖（理想彈性體（tǐ）材（cái）料滿足：a.均勻（yún）分布的質量b.服從彈（dàn）性定律c.各向特性相同）來對變化進行補償，通過生成支反力，根據（jù）頂尖（jiān）部位受力情況可將其看作固定支架；跟（gēn）刀架可在豎直方向自由移（yí）動（dòng），限製水平方向位移。對卡盤也作簡化，整個係統受力如圖1。F1 代表主（zhǔ）切削力，F2 代表（biǎo）軸向（xiàng）作（zuò）用（yòng）力，F3 代（dài）表徑向作用力，M 代表車床施加的扭矩。細長軸在上述作用下在軸（zhóu）向（xiàng）等方向均發（fā）生（shēng）振動。

      3 振動頻率的模擬仿真

      細長軸（zhóu）切削振動的仿真分（fèn）析已作為針對其振動特性所采取的有效措施，通過仿真分析（xī）表（biǎo）現了細長軸加工中的振動動態特性（xìng），並以此確立了緩振（zhèn）策略，即運（yùn）用（yòng）跟（gēn）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（tú）2的細長軸的有限（xiàn）元網格模型，加（jiā）工時（shí）軸受到不同方向的力的作用，並且截麵為圓，因此我們用ANSYS 中的95 號元素材料，它是高階的多麵體元素材料，有20 個結點，可用於曲線幾何體建模。建模時，對模型做適當簡化，除去螺紋和鍵槽等細節信息。模態分析時，為減（jiǎn）少徑向切削力對細（xì）長軸彎曲變形的影響，將細長（zhǎng）軸加工時的係統簡化為固（gù）支－簡支梁的模式，采用左邊（biān）固定，右邊頂端彈性，相當於在細長軸上增加了X、Y 方向上的支撐。細長軸在（zài）加工過程（chéng）中以一定角速（sù）度旋轉，這將使軸產生（shēng）一（yī）定扭矩和預應力。所（suǒ）以細長軸加工中的（de）振動特性分析采（cǎi）用附加轉動的預應力模態分（fèn）析法。細長軸車削（xuē）加工過程中，跟（gēn）刀（dāo）架和刀具的運動均是連續的進給（gěi）直線運（yùn）動，從而導致細長軸產生的約束（shù）的變（biàn）化時動態的，在每一個細長軸支架中，跟刀架和刀具都導致一個特定的振動模態。所以，必（bì）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（yán）軸向進行計算（suàn）並近似模擬整個細長（zhǎng）軸受（shòu）力情況，考慮到既減少（shǎo）計算時間又能保（bǎo）證其整體分析（xī）的準確性，這32 個位置對應於32 個（gè）載荷步，每個載荷步抽取了前10 階模態並進（jìn）行擴（kuò）展，利用ANSYS 的強大（dà）功能提取頻（pín）率，繪製各階振型曲（qǔ）線（xiàn）。在車（chē）削剛開始時，細長軸的頻（pín）率低，然後隨著車削過程的細長軸的轉（zhuǎn）動而逐漸增加，在軸的中間，其固有頻率達到最大（dà），然後逐（zhú）漸下降，在加工結束時，細長軸的固有（yǒu）振動頻率也比較低，頻率的變化標誌著細長軸的剛性（xìng）在不斷變化，隻有穩定的（de）細（xì）長軸剛性才可減小振動（dòng），提高加工質量。

      細長軸受多方向振動影響產生獨立的振動模式，現將對（duì）細長軸影響大的一階振型曲線圖繪製如下圖3 所（suǒ）示。X 軸為車（chē）削過程中細（xì）長軸距測量（liàng）卡盤的距離，Y 軸為（wéi）細長軸上各位置（zhì）的振動幅度大（dà）小（包括徑向位移、切向位移和軸向位移），(a)圖（tú）為對細（xì）長（zhǎng）軸車削加工到（dào）軸上1/4 處（chù）時（shí）的振型狀態曲線（xiàn），(b)圖為對細長軸車削加工到（dào）軸中部時的振型狀態（tài）曲線，(c)圖為對細長軸車削（xuē）加工到軸上3/4 處時的振型狀態曲線。同時，把各方向一階振型曲（qǔ）線在同一個圖中繪出（chū），用B、C、D 來區分；其中，B 表示徑向一階振型（xíng）曲線，C 表示切向一階振型曲線，D 表示軸向一階振型（xíng）曲（qǔ）線。

圖3 無浮（fú）動刀架時一階振型曲線

      由圖3 可以看出產生振動的特點：首先，改（gǎi）變徑向力對振型和振幅有影響；其次（cì），在細長軸中部受（shòu）到的振（zhèn）動的（de）振幅是最大的，且最大值和最小值的距離大約是軸長的一半長度。綜（zōng）上，係統（tǒng）設計如下：在車床的後（hòu）絲杠上通過減速裝置安裝（zhuāng）有兩個跟（gēn）刀爪的浮動刀架，刀爪的距離設計在為細長軸軸長的一半，並（bìng）且控製（zhì）刀架速度為刀具軸（zhóu）向速度的一半。這樣的目的就是（shì）為細長軸在其最大振幅位置加兩個浮動支承。通過模態分析得出振型如圖4 所示。

圖4 有浮動刀（dāo）架（jià）時一（yī）階振型曲（qǔ）線

      通過比較，徑向振型模式的相對幅（fú）度顯（xiǎn）著減小，但容易看（kàn）到有不少的（de）峰（fēng）值（zhí）的出（chū）現，導致這樣結果的原因是支承的浮動讓細（xì）長軸剛度增加，振動頻率也跟著增加。但是，另一方麵，在軸向振（zhèn）動方麵的振幅有增加的趨勢，這意味著（zhe）兩個振動是獨立產生的，軸向振動（dòng）振幅並不隨徑向振動振幅（fú）的減小而減小。但由於軸向振動對加工尺寸影響完全忽略，在較小進給速度情（qíng）況下，可以提高加工精度。

      4 結論

      本文（wén）對細長（zhǎng）軸切削過程進行了模態分析，車削到軸的中部（bù）時頻（pín）率最（zuì）高，揭示了細長軸車削過程中自身的固（gù）有頻率隨軸（zhóu）向拉力的變化而變化。采用浮動跟刀架，增強細長軸的剛度。同時表明（míng）軸的徑向振動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（gāo）切（qiē）削質量。