細(xì)長(zhǎng)軸車削加工動(dòng)態(tài)變形研究

李莉平

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，嘉興 314036）

細(xì)長(zhǎng)軸類零件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛，可起到傳遞扭矩和支撐的作用。一般情況下，這種零部件的長(zhǎng)徑比大于20，因而剛度較小。在機(jī)械加工時(shí)需要解決存在的部分難題[1-4]。第一，受到切削力、重力影響，在機(jī)加工時(shí)切削顫振與變形明顯，影響加工精度。第二，零件較長(zhǎng)，導(dǎo)致切削加工時(shí)熱量難以及時(shí)擴(kuò)散，出現(xiàn)工件彎曲變形的情況。第三，細(xì)長(zhǎng)軸類零件一般由難加工材料制成，加工時(shí)設(shè)置的切削參數(shù)小，影響切削效率，會(huì)導(dǎo)致明顯的刀具磨損，降低了加工精度。為了滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件制造精度要求，提升細(xì)長(zhǎng)軸加工精度，研究細(xì)長(zhǎng)軸車削加工動(dòng)態(tài)變形具有重要意義。

1 細(xì)長(zhǎng)軸車削加工力學(xué)模型

細(xì)長(zhǎng)軸車削前裝夾時(shí)，兩側(cè)分別通過卡盤和頂尖進(jìn)行固定，具體如圖1 所示。根據(jù)力學(xué)知識(shí)可知，刀具與工件存在等大反向的切削力[5-7]。分解此作用力后可形成3 個(gè)正交的分力，即和走刀反向的軸向力Fx、和基面正交的切向力Fz、和其他兩個(gè)力都垂直的徑向力Fy。理論分析可知，工件加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)主要和徑向力有關(guān)。

圖1 細(xì)長(zhǎng)軸車削

細(xì)長(zhǎng)軸受到徑向切削力后易出現(xiàn)彎曲變形，影響工件的加工精度。細(xì)長(zhǎng)軸振動(dòng)時(shí)，理論分析可知其各截面的中心軸線保持共面。工件的徑向尺寸明顯小于長(zhǎng)度，因此其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，由此引發(fā)的變形可忽略不計(jì)。這種條件下分析切向振動(dòng)時(shí)，選擇歐拉-伯努利梁理論對(duì)其振動(dòng)過程進(jìn)行建模[8-10]。

2 細(xì)長(zhǎng)軸車削加工靜態(tài)特性分析

ANSYS Workbench 在靜力模擬研究中應(yīng)用廣泛，可用于分析工件受到一定靜力后的變形和應(yīng)力[11-12]。相關(guān)的分析方法可劃分為非線性和線性兩類。前一種適用于塑性、接觸面方面的分析；后一種主要用于線彈性材料。分析時(shí)加載的力是靜態(tài)的，因此無須計(jì)入阻尼效應(yīng)與慣性，可簡(jiǎn)化分析過程。細(xì)長(zhǎng)軸在切削時(shí)的變形為線性分析，文章研究的細(xì)長(zhǎng)軸工件材料為GH4146，密度為8 240 kg·m-3，彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3。

建立細(xì)長(zhǎng)軸有限元模型，如圖2 所示。細(xì)長(zhǎng)軸工件采用卡盤-頂尖的方式進(jìn)行裝夾，因此工件模型左端采用全約束，右端采用頂尖約束。文章研究的細(xì)長(zhǎng)軸以左端為起點(diǎn)，總長(zhǎng)度的0.53 處為剛性最差位置，在此位置施加水平、豎直的彈性約束（模擬刀架支撐爪），同時(shí)在此處添加500 N 的徑向切削力。

圖2 細(xì)長(zhǎng)軸有限元模型

如圖3 所示，在徑向切削力作用下，切削點(diǎn)處的最大變形量為0.198 2 mm。在約束和切削力不變的狀態(tài)下，以長(zhǎng)度為單位分別在細(xì)長(zhǎng)軸均布8 個(gè)不同的切削作用點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真，得出的變形量數(shù)據(jù)如表1 所示（研究的細(xì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)徑比為35）。用相同方法的研究不同長(zhǎng)徑比狀態(tài)下切削點(diǎn)位置變形情況，變形量數(shù)據(jù)如表1 所示。從表1 數(shù)據(jù)分析可得：細(xì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)徑比越大，加工過程中變形越明顯，長(zhǎng)徑比對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸工件的剛度影響較大。

表1 不同長(zhǎng)徑比細(xì)長(zhǎng)軸加工變形量

圖3 細(xì)長(zhǎng)軸車削變形圖

3 細(xì)長(zhǎng)軸車削動(dòng)態(tài)分析

在研究工件振動(dòng)特性時(shí)，模態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用廣泛，可以確定加工過程中工件各階模態(tài)下的固有頻率和振型。這樣在設(shè)置切削參數(shù)時(shí)可進(jìn)行優(yōu)化而避免共振，改善加工效果。在研究切削過程穩(wěn)定性時(shí)，同樣需要開展模態(tài)分析。

3.1 細(xì)長(zhǎng)軸工件動(dòng)態(tài)特性分析

求解類型應(yīng)為模態(tài)分析，帶入?yún)?shù)進(jìn)行求解后確定前3 階固有頻率分別為189.74 Hz、587.32 Hz 和1215.4 Hz。圖4 為相關(guān)的振型。

圖4 細(xì)長(zhǎng)軸模態(tài)分析前3 階主振型

3.2 帶跟刀架細(xì)長(zhǎng)軸工件動(dòng)態(tài)特性

在加工細(xì)長(zhǎng)軸工件時(shí)，為有效減輕振動(dòng)和變形，需要應(yīng)用跟刀架。研究時(shí)對(duì)兩個(gè)支撐爪的跟刀架進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其中支撐爪可以簡(jiǎn)化為彈簧約束，跟刀架可以在兩個(gè)方向支撐工件，從而大幅降低了加工過程中的工件振動(dòng)和變形，有利于改善加工質(zhì)量。可見，在模擬分析時(shí)很有必要研究跟刀架和細(xì)長(zhǎng)軸工件車削加工的相關(guān)性。

跟刀架的細(xì)長(zhǎng)軸有限元分析過程，除約束條件外，其余與前面一樣。細(xì)長(zhǎng)軸兩端施加位移約束，切削位置由于跟刀架支撐爪作用可簡(jiǎn)化為水平方向及豎直方向彈性約束，用同樣方法對(duì)不同剛度跟刀架狀態(tài)下的細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行分析，得到不同剛度跟刀架狀態(tài)下細(xì)長(zhǎng)軸固有頻率，如表2 所示。

表2 各剛度跟刀架下細(xì)長(zhǎng)軸固有頻率

對(duì)比應(yīng)用跟刀架前后的細(xì)長(zhǎng)軸工件模態(tài)分析結(jié)果可得：應(yīng)用跟刀架前后的細(xì)長(zhǎng)軸主振型改變顯著，由此可判斷是否應(yīng)用跟刀架不會(huì)顯著改變細(xì)長(zhǎng)軸固有振型。對(duì)比不同狀態(tài)下細(xì)長(zhǎng)軸工件前3 階固有頻率，可得使用跟刀架細(xì)長(zhǎng)軸工件的前3 階固有頻率有提高，其中1 階固有頻率的提高幅值較高。

綜上所述，細(xì)長(zhǎng)軸工件在切削加工過程中，有無使用跟刀架對(duì)其工件本身的主振型影響較小，但跟刀架的使用提高了加工中切削工件的固有頻率，對(duì)切削加工中工件彎曲振動(dòng)起到了一定的抑制作用。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來，航空航天中對(duì)零部件精度的要求不斷提高，細(xì)長(zhǎng)軸作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，其加工精度直接關(guān)系航空航天工業(yè)的技術(shù)水平。航空細(xì)長(zhǎng)軸零件部材料的硬度高，難以機(jī)械加工，同時(shí)剛度極差，在切削時(shí)受到一定作用力后易出現(xiàn)振動(dòng)和變形，從而降低了其加工精度，嚴(yán)重情況下會(huì)使零件報(bào)廢。因此，研究細(xì)長(zhǎng)軸加工過程中變形情況，可以為此類零件的高效精密加工提供參考。