對細長軸生產中產（chǎn）生振動時，工藝係統受到幹擾和破壞，不僅讓加工表麵質量嚴重惡化，縮短機床及刀具的壽命，還會發出刺耳的噪聲，對零件的加（jiā）工生產產（chǎn）生嚴重的影響（xiǎng）。細長軸類零件表麵粗糙剛度差、長徑比大，刀具（jù）在高溫的細長軸氧化表麵車削時極易磨損，同時被加工的細長軸圍繞軸（zhóu）心線產生強（qiáng）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，配合精心設計的中心架和跟刀架，仍然不能生產出很好（hǎo）的細長軸。本文通過建立受力模型，結合有限元（yuán）分析法對細長軸切削加工過程中產生（shēng）的振動（dòng）特性作（zuò）了仿真分析，利用跟刀架采（cǎi）用浮動的來限製（zhì）細長軸最大（dà）振幅的位置（zhì）。從結果對比可以看出，用這種措施可（kě）以緩解振動，對（duì）徑向振幅有很好的（de）限製作用，保證加工質量（liàng）。

      1 對細長軸加工中各誤差（chà）的概述

      在實際加工中由於切削熱（rè）作用（yòng）、正向切削力以及徑向力下，細（xì）長軸會發生振動（dòng），會使車削過程中各位置的物理機械性能和接（jiē）觸剛度改變，導致細長軸熱擴散，受力（lì）不均（jun1），致（zhì）使加工部位發生異變，刀具與工件間產生相對（duì）位移，會使加工表麵（miàn）產生振痕，嚴重影響零件的質量和（hé）性能。我（wǒ）們用頻譜分析法，將細長軸加工過程（chéng）中各誤差分為：(a)體表不平度誤差（chà）(b)振動波形的誤差(c)形狀的誤差。而形狀誤差為細長軸加工（gōng）過程中（zhōng）的主要誤差方式，分為：(1)竹節形誤差(2)腰鼓形誤差(3)麻花形誤差。

圖1 細長軸車（chē）削受力（lì）圖

      2 建立受力（lì）模型

      振動（dòng）現象是由於細長軸在車削加工時頂尖支反力變化（huà）不均勻引起的，試驗中我們在細長軸頂尖處采用彈性頂尖（理想彈性體材料滿足：a.均勻分布的質量（liàng）b.服從彈性定律c.各向特性相同）來對變化進行補（bǔ）償，通過生成支反力，根據頂尖部位受力情況可將其（qí）看作固定支架；跟刀架可在豎直方向自（zì）由移動，限製水平方（fāng）向位移。對卡（kǎ）盤也作簡化，整個係統受力如圖1。F1 代表主切（qiē）削力，F2 代表軸向作（zuò）用力（lì），F3 代表徑（jìng）向作用力，M 代表（biǎo）車床（chuáng）施加的（de）扭矩。細長軸在（zài）上（shàng）述作用下在軸向等方向均（jun1）發生振動（dòng）。

      3 振動頻（pín）率的模擬仿真

      細長軸切（qiē）削振動的（de）仿真分析已作為針（zhēn）對（duì）其振（zhèn）動特性所采取的（de）有效措施，通過仿真分析表現了細長軸（zhóu）加工中的振動動態特性，並以（yǐ）此確立（lì）了（le）緩振策略，即運用跟刀架浮動方式工作有（yǒu）利於減弱振動對加（jiā）工質量的影響，提高車削質量。

圖（tú）2 細長軸有限（xiàn）元模型

      采用VDRAG 命令拉出如圖2的細長軸的有限元網格模型，加工時軸受到不同方向的力的作用，並（bìng）且截麵為圓，因此（cǐ）我們用ANSYS 中的95 號元素材料，它是高階的多麵體元（yuán）素材料，有20 個結點，可用（yòng）於曲線（xiàn）幾何體建模。建模時，對模型做適當（dāng）簡化（huà），除去螺紋和鍵槽等細（xì）節信息（xī）。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（de）係統簡化為固支－簡支梁的模式，采用左（zuǒ）邊固定，右邊頂端彈性，相當於在細長軸上增加了X、Y 方（fāng）向上的（de）支撐。細長軸（zhóu）在加工過程中以一定（dìng）角速度旋轉，這將使軸產生一（yī）定扭矩和預應力（lì）。所以細長軸（zhóu）加工中的振動特性分析采用（yòng）附加轉動的預（yù）應力模態分析法。細長軸（zhóu）車削加工過程中，跟刀架和刀具的運動均是連續的進給（gěi）直線運動，從而導致細長軸（zhóu）產（chǎn）生的約束的變化時動態的，在每一個（gè）細（xì）長軸支架中，跟刀架（jià）和刀具都導致一個特定的振動模態。所以（yǐ），必須對運（yùn）動的刀具和（hé）跟刀架作離散化處理，挑了32 個位置均勻（yún）沿軸向進行計算並近似模擬整個細長軸受力情況，考慮到既減少計算時間又（yòu）能保證其整體分析的準確性，這32 個位置對（duì）應於32 個載荷步，每個載荷步抽取了前10 階模（mó）態並進行擴展，利用ANSYS 的強大功能提取頻（pín）率，繪製各（gè）階振型曲線。在車（chē）削剛開始（shǐ）時（shí），細長軸的頻率低，然後隨著車削過程的細長軸的轉動而（ér）逐漸（jiàn）增加，在軸的中間，其固有頻率達到最大（dà），然（rán）後逐漸下降，在加工結束時，細長軸的固有振動頻率也比（bǐ）較低，頻率的變化標誌著細長軸的剛性在不斷變化，隻有穩定的細長軸剛性才可減小振動，提高加工質量。

      細長軸受多方向振動影響產生獨（dú）立的振動模式，現將對細長軸影響大的一階振型曲線圖繪製如下圖3 所示。X 軸為車削過程中細（xì）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（dù）大小（包括徑向位移、切向位移和軸向位（wèi）移），(a)圖（tú）為對細長軸車削加工（gōng）到軸上（shàng）1/4 處時的振型狀態曲（qǔ）線，(b)圖為對細長軸車削加（jiā）工到軸中部時的（de）振（zhèn）型狀（zhuàng）態曲線，(c)圖（tú）為對細長軸車削加工到軸（zhóu）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，用B、C、D 來區分；其中，B 表示徑向（xiàng）一階振型曲線，C 表示切向一階振型曲線，D 表示軸向（xiàng）一階振（zhèn）型曲線。

圖3 無（wú）浮動（dòng）刀架時一階振型曲線

      由圖3 可以看（kàn）出產生振動的特點：首先，改變（biàn）徑向力對振型和振幅有影響；其次，在細長軸中部受到的振動的振幅是最大的，且最大值和最小值的距離大約是軸（zhóu）長的一半長度。綜（zōng）上，係統設計如下：在車床的後絲杠（gàng）上通過減速裝置（zhì）安裝有兩（liǎng）個跟刀爪的浮動刀架，刀爪的距離設計在為細長軸軸長的一半，並且控製刀架速度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（liǎng）個浮動支承。通過模（mó）態分析得出振型如圖4 所示（shì）。

圖4 有浮動（dòng）刀架時一階振（zhèn）型曲線（xiàn）

      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，導致這樣結果的原（yuán）因是（shì）支承的浮動讓細長軸剛度增加，振（zhèn）動頻率也跟著增加。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振幅的減小而減小。但由於軸向振動對加工尺寸影響（xiǎng）完全忽略，在較小進給速度情況下，可以提高加工精度。

      4 結論

      本文對細長軸切削過程進行了模態（tài）分析，車（chē）削（xuē）到軸的中部時頻率最高，揭示了細長軸車削過（guò）程中自身的固有頻率隨（suí）軸向（xiàng）拉力的變化而變化（huà）。采用（yòng）浮動跟刀架，增強細長軸的剛度。同時表明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（fú）動跟刀（dāo）架具有振（zhèn）動的補償控製作（zuò）用，提高切削質量。