細長軸車削加工振動特性研究

孫 斌，沈 彤

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 225131)

細長軸車削加工振動特性研究

孫 斌，沈 彤

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 225131)

根據(jù)細長軸難加工性，提出一種雙刀、拉夾頂尖的方式，建立了力學模型，得出了細長軸振動特性的固有頻率理論計算公式，利用 Matlab 軟件求出振型函數(shù)的振動方程曲線。 利用 ANSYS Workbench軟件進行了模態(tài)分析，得出其前 4階固有頻率，為細長軸的實際加工提供了一定的理論依據(jù)。

細長軸；振動；模態(tài)分析；ANSYS Workbench

0 引 言

細長軸類零件(長徑比大于20)在機械領域中有著極其廣泛的應用，而在加工的過程中，細長軸是較難加工的一類零件，因為細長軸零件剛度低，在切削力作用下極易產(chǎn)生彎曲變形，導致工件振動加劇，造成工件尺寸偏差和加工表面質(zhì)量差。為此，很多學者對細長軸的車削特性進行了研究。仲良等人提出了雙刀車削細長軸的方式以此來減少振動，對其進行了理論分析和仿真，驗證了雙刀車削要優(yōu)于單刀車削[1]。李康等人針對細長軸車削振動問題，提出了一種拉壓頂尖的結構，變壓力為拉伸力，降低了振動的可能性，針對讓刀現(xiàn)象，研制了超聲振動車削系統(tǒng)和自制跟刀架的組合結構，通過實驗證明了用拉夾頂尖、超聲振動車削方式和自制跟刀架的組合加工細長軸的有效性[2]。Clancy等人改進了切削加工的動態(tài)模型，研究了刀具磨損和加工中出現(xiàn)的阻尼對切削加工穩(wěn)定性的影響[3]。Chiou等人研究了細長刀具磨損對工件進行車削加工時切削穩(wěn)定性的影響[4]。

本文提出一種雙刀、拉夾頂尖的方式來減少振動，從而獲得較高精度的細長軸，從理論的角度對該方式進行理論分析和仿真分析。

1 切削過程中的動力學建模

細長軸是一類需求量大、廣泛應用的零件，其缺點是長徑比大，剛度不足，在車削加工過程中極易產(chǎn)生振動，從而導致其加工精度低。本文采用對稱式雙刀-拉夾頂尖模型，將Euler-Bernoulli梁作為力學模型[5-10]，如圖1所示。

(1)

消去dx得：

(2)

根據(jù)材料力學中平面假設和不考慮物體轉(zhuǎn)動的慣性影響，則由力矩平衡方程可知：

(3)

則有：

(4)

將其代入式(1)得：

(5)

由材料力學知識中的彎曲變形中彎矩和撓度的關系有：

(6)

式中：E為細長軸的彈性模量；I為細長軸的橫截面慣性矩。

將式(6)代入式(5)，并對x求偏導，得：

(7)

在式(7)中，令p(x,t)=0，m(x,t)=0，則得到細長軸的自由振動方程：

(8)

(9)

式(9)為4階偏微分方程，采用分離變量將其轉(zhuǎn)化成常微分方程，設方程的解為y(x,t)=ψ(x)q(t)，ψ(x)為振型函數(shù)，q(t)為時間函數(shù)。將其代入式(9)，得：

(10)

要使式(10)對任意的x和t都成立，則式(10)兩端必須等于常數(shù)，設該常數(shù)為-ω2，則有：

(11)

(12)

式(11)通解為一簡諧函數(shù)：

q(t)=C1sinωt+C2cosωt

(13)

式中：C1，C2為積分常數(shù)；ω為細長軸的振動固有頻率。

式(12)通解為：

ψ(x)=D1coshβx+D2sinhβx+D3cosβx+D4sinβx

(14)

式中：β4=ω2/a2，D1，D2，D3，D4為積分常數(shù)。

由于細長軸在切削過程中，一端采用固定，一端采用拉夾頂尖，故在兩端受到徑向位移和轉(zhuǎn)角位零，則邊界條件轉(zhuǎn)化為：

(15)

根據(jù)這4個邊界條件，可以確定方程(14)的4個常數(shù)的比值關系，并確定細長軸的固有頻率ω與振型函數(shù)ψ(x)。

2 細長軸的理論振型曲線

由細長軸振動力學模型的邊界條件及式(14)可得出細長軸的特征方程為:

(cosβl-coshβl)2=sinh2βl-sin2βl

(16)

用數(shù)字解法可求出特征方程的前5 階特征根為4.693 3，7.814 8，10.972 1，14.134 9。

各特征根近似為：

(17)

因此，細長軸的各階固有頻率為:

(18)

與ωi相對應的振型函數(shù)為：

(19)

將βil的前3階特征值代入式(19)，得到細長軸前3階切削加工振型函數(shù)：

用 Matlab 數(shù)值分析軟件，編程后得到振型函數(shù)的振動曲線，如圖2所示。

3 細長軸的有限元分析

建立有限元模型時，細長軸材料為45鋼，細長軸選用Solid 186單元，長度為1 m，直徑為40 mm，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3，密度為 7.8 g/cm3，對細長軸左、右兩端施加全約束。

振動模態(tài)是彈性結構固有的、整體的特性，通過模態(tài)分析可以搞清楚結構在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，本文利用ANSYS Workbench 17.0軟件對細長軸進行模態(tài)分析，由于低階的固有頻率對細長軸的振動影響較大，因此對其進行模態(tài)分析時只拓展前4 階模態(tài)，仿真模型如圖3所示。

通過比較圖2與圖3，仿真振型圖和理論振動方程曲線二者結果極為一致。由模態(tài)分析可得出細長軸車削過程的前 4階固有頻率分別為，f1=190.81 Hz，f2=520.26 Hz，f3=1 005.5 Hz，f4=1 633.4 Hz。而通過理論計算得出細長軸車削前 4 階固有頻率分別為f1=181.03 Hz，f2=502.18 Hz，f3=989.92 Hz，f4=1 642.9 Hz。兩者結果接近，由此說明仿真分析和理論模型的正確性。

4 結束語

本文通過細長軸的振動理論，建立了細長軸雙刀、拉夾頂尖方式的力學模型,并進行了有限元仿真分析，得出了細長軸前4階固有頻率，為細長軸的切削加工提供了一定的理論依據(jù)，在實際加工過程中應避開固有頻率。本文未對雙刀、拉夾頂尖的方式做進一步研究與實驗，這是接下來研究的重點。

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ResearchintoVibrationCharacteristicofSlenderShaftinTuringProcess

SUN Bin,SHEN Tong

(CSIC Haibowei(Jiangsu)Technology Development Co.,Ltd，Yangzhou 225131，China)

Because the slender shaft is difficult to process,this paper puts forward a new method of double-pole and chuck-pulling clamper,establishes the mechanical model,and fetches the theoretical calculation formula of inherent frequency about the vibration characteristics of slender shaft,uses the Matlab software to obtain the vibration equation curve of vibration function,uses ANSYS Wokbench software to perform the modal analysis,and educes the first 4-step inherent frequencies,which provides a definite theoretical basis for the actual machining of slender shafts.

slender shaft;vibration;modal analysis;ANSYS Wokbench

TN05

：B

：CN32-1413(2017)04-0117-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.029

2017-05-02