對細長軸生產中產生振動時，工藝係統受（shòu）到幹擾和破壞，不僅讓加工表麵質量嚴重惡化，縮短機（jī）床及刀（dāo）具的壽命，還會發出刺耳（ěr）的噪聲，對零件的加工生產產生嚴重的影響。細長軸類零件表麵粗糙剛度差（chà）、長徑（jìng）比大，刀具在高溫的（de）細長軸氧化表麵車削時極易磨（mó）損，同（tóng）時被加工的細長軸圍（wéi）繞軸心線產生強烈的扭轉振動而難（nán）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（jià），仍然不能生產出很（hěn）好的細長軸。本文通過建立受（shòu）力（lì）模型，結合（hé）有（yǒu）限元分析法對細長軸切削加工過程中產生（shēng）的振動特性作了仿真分析，利用跟刀架采用浮動的來限（xiàn）製細長軸最大振幅（fú）的位置。從結果對比可以看出，用這種措施可以緩解振動，對徑向振幅（fú）有很好的限製作用，保證加工質量。

      1 對（duì）細長軸加工中各誤（wù）差的概述

      在實際加（jiā）工中由於切削熱作用、正向切削力以及徑（jìng）向力下，細長（zhǎng）軸會發生振動，會使車削過程中（zhōng）各位置的物理機械性能（néng）和接觸剛度改變，導致細長軸熱擴散，受力不均，致使加工部位發生異變，刀具與工件（jiàn）間產生相對位移，會使加工表麵產生（shēng）振痕，嚴重影（yǐng）響零件的質量和性能。我們用頻譜分析法，將（jiāng）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。而形狀誤差為細長軸加工過程中的主要誤差方式，分為：(1)竹節（jiē）形誤差(2)腰鼓形誤差(3)麻花形誤差。

圖1 細長（zhǎng）軸車削（xuē）受力圖

      2 建立受力（lì）模型

      振動（dòng）現象（xiàng）是由於細長軸在車削（xuē）加工時頂（dǐng）尖支反力（lì）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（xìng）頂尖（理想（xiǎng）彈性體材料滿足：a.均勻（yún）分布的質量b.服（fú）從彈性定律c.各向特性相同）來對變化進行補償，通過生成支反力，根據頂尖（jiān）部（bù）位受力情況可將其看作固定支架；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（tú）1。F1 代表主切削力，F2 代表軸（zhóu）向作用力，F3 代表徑向作用力（lì），M 代表（biǎo）車床施加的扭矩。細長（zhǎng）軸在上（shàng）述作用下在軸向等方向均發生振動。

      3 振動頻率的模擬仿真

      細長軸切削振（zhèn）動的仿真分析已作（zuò）為針對其振動特性所（suǒ）采取的有（yǒu）效措施，通過仿真分析表現了細長軸加工中的振動動態特性，並以此確立了緩振（zhèn）策略，即運（yùn）用跟刀架浮動方式工作有（yǒu）利於減弱振動對加工質量的影響，提高車削質量。

圖（tú）2 細長軸（zhóu）有（yǒu）限元模型

      采用VDRAG 命令拉出如（rú）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，並且截麵為圓，因（yīn）此我們用ANSYS 中的95 號元素（sù）材料（liào），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（chú）去螺紋和鍵槽等細節信息。模態（tài）分（fèn）析時，為減少徑向切削力對細長軸彎曲（qǔ）變形的影響，將細長軸（zhóu）加工時的（de）係統簡化（huà）為固（gù）支－簡支梁的模式，采用左邊（biān）固（gù）定，右邊頂端彈性（xìng），相當於在細長軸上增加（jiā）了X、Y 方向（xiàng）上的（de）支撐。細長軸在加工過程中以一定角速（sù）度旋轉，這將使軸產生一（yī）定扭矩和預應力。所以（yǐ）細長軸加工中的振（zhèn）動特性分析采用附加（jiā）轉動的預應力（lì）模態分析法。細長軸車削加工過程中，跟（gēn）刀架和刀具的運動均是連（lián）續的進給直線（xiàn）運動，從（cóng）而導致細長軸產生的約束（shù）的變化時動態的，在每一個細長軸支架（jià）中，跟刀架和刀具都（dōu）導致一個特定的振動模態。所以（yǐ），必須對（duì）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況，考慮到既減少計算時間又能保證（zhèng）其整體分析的準確性，這（zhè）32 個位置對應於32 個載荷步，每個載（zǎi）荷步抽取了前10 階（jiē）模態並進行擴展，利用ANSYS 的強大功能提取頻率，繪（huì）製各階振（zhèn）型曲線。在車削剛開始時，細長軸的頻率低，然後隨著（zhe）車削過程的細長（zhǎng）軸的轉動而逐漸增加，在軸的（de）中間，其固有頻率達到（dào）最大，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（bú）斷變化，隻（zhī）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立的振動模式，現將對細長軸影響大的一階（jiē）振型曲線圖繪製如下圖3 所示。X 軸為車削（xuē）過（guò）程中細長軸距測量卡盤的距離，Y 軸為細長軸上各位置的振（zhèn）動幅度大小（包括徑向（xiàng）位移、切向位移（yí）和（hé）軸向位移），(a)圖為對細長軸車削加工（gōng）到（dào）軸上1/4 處時的振型狀態曲線，(b)圖為對細長軸（zhóu）車削加工到軸中部時的振型狀態（tài）曲線，(c)圖為對細長軸車削加工到軸上3/4 處時的振型（xíng）狀態曲線。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（qū）分；其中（zhōng），B 表示徑向（xiàng）一階（jiē）振型曲線，C 表示（shì）切向一階（jiē）振型曲線，D 表示軸向一階振型曲線。

圖（tú）3 無浮動刀架時一階振型曲線

      由圖3 可以看出產生（shēng）振動的特點：首先，改變徑向力對振型和振幅有影響；其次，在細長軸中部受到的（de）振動的振幅是最大的，且最大值和最小值的距離大約（yuē）是軸長的一半（bàn）長度。綜上，係統（tǒng）設計如下：在車（chē）床的後絲杠上通過減速裝置安裝有兩個跟刀爪的浮動刀架，刀爪的距離設計在為細長（zhǎng）軸軸長的一半，並且控製刀架速度為刀具軸向速（sù）度（dù）的一（yī）半。這樣的目（mù）的就是為細長軸在其最大振幅位置加兩個浮動支承。通（tōng）過模態分析得出振型如圖4 所示。

圖4 有浮動刀架時一階（jiē）振型（xíng）曲線

      通過比較，徑向振型模式的相（xiàng）對幅（fú）度顯著減小，但容（róng）易看到有不少的峰值的出（chū）現，導致這（zhè）樣結果的原（yuán）因是支承的浮動讓細長軸剛度增加，振動頻率也跟著增加。但是，另一方（fāng）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（zhóu）向振動振（zhèn）幅並不隨徑向振動振（zhèn）幅的減（jiǎn）小而減小。但由於軸向振動對加工尺寸影響完（wán）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（zhóu）切削過程進行了模態分析，車削到軸的（de）中部時頻率最高，揭示了細長軸車削過程中（zhōng）自身的固有頻率隨軸向拉力的變化而變（biàn）化。采用浮（fú）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（liǎng）個獨立的過程，改（gǎi）變軸向力對（duì）振型的影（yǐng）響，同時浮動跟（gēn）刀（dāo）架具有振動的補償控製（zhì）作用，提高切削質量。