雙電主軸雙刀車削車銑復合中心的切削振動特征分析*

叢春曉，劉 恒，呂凱波，景敏卿

(西安交通大學機械電子及信息系統(tǒng)研究所，西安 710049)

0 引言

為了適應國內外市場的需要，滿足用戶對高速、高精度及復合加工的需求，最大限度地一次性完成所有零件的表面加工，機床多軸復合加工已日益普及，數(shù)控機床向復合化發(fā)展的趨勢已經相當明顯，精密、高效雙電主軸銑車(車銑)復合加工中心的出現(xiàn)和發(fā)展就充分地體現(xiàn)了這種變化的趨勢。馬維新［1］等介紹了德國西門子公司的雙主軸數(shù)控機床，并對同步電主軸進行了研究。雖然銑車(車銑)復合加工中心的出現(xiàn)還不到20年，但發(fā)展速度很快，產品性能越來越完善［2］。由于該設備加工適應能力強、工藝范圍廣、裝夾次數(shù)少、節(jié)約輔助時間、提高加工精度，深受航天、航空、兵器、汽車、能源及其他重點領域用戶的歡迎。對于高端領域有些零件的特殊性，需要用到特殊的加工方法，對于細長軸的加工，戴海港［3］等設計了單刀架的雙刀切削方法，許文韜［4］等設計了普通機床的上下雙刀對置切削方法，徐增豪［5］等介紹了雙主軸雙刀架車削中心的特點。在對車削過程中刀具的實時監(jiān)測多采用測試刀架上的切削力監(jiān)測［6］，并且對車削工件的監(jiān)測比較困難，一般通過噪聲和表面質量來分析加工狀態(tài)［7］。大連機床集團的車銑復合中心(CHD25A)在加工細長軸類零件時采用的是同步雙電主軸夾持和上下雙刀對置切削(圖1)，期望能解決加工過程中存在的表面加工質量差的問題。本文針對該車銑復合中心車削細長軸零件時的兩個主軸和加工部分，通過對加工中部件的振動位移監(jiān)測來進行特性分析。

1 兩主軸同步空轉時主軸振動特征分析

對主軸的振動監(jiān)測采用4個電渦流傳感器分別監(jiān)測兩個主軸卡盤位置兩個垂直方向上的振動位移。測量0～2000rpm之間幾個不同轉速下，主軸和副主軸同步旋轉情況下的振動情況。測量的轉速包括了500rpm，700rpm，800rpm，1000rpm，1200rpm，1400rpm，1600rpm，1800rpm，2000rpm。得到的主軸和副主軸的振動信號和頻域信號如圖2所示，可見副主軸振動較大(約40um)，主軸振幅較小(約30um)，且頻譜中的一倍頻和三倍頻能量較明顯。所以該機床的主軸旋轉精度比副主軸高。

由2000～0rpm降速圖(圖3)，結合分段數(shù)據(jù)得出，當轉速范圍在約1400～1800rpm時兩軸振幅大于其他轉速時的振幅。分析認為該情況是與敲擊主軸和主軸箱的測試信號中存在的25Hz固有頻率耦合而產生的(圖4)。

圖3 2000～0 rpm降速過程振幅圖

2 單刀切削實驗分析

圖5為單刀切削時測試狀況，在轉速1400rpm情況下，采用單刀進行切削，測量不同切削厚度下刀具和拉桿的振動情況。采用兩個加速度傳感器和兩個電渦流傳感器分別采集切削時刀具和拉桿兩個垂直方向上的振動信號。

為了使加工狀態(tài)的振動特性能有較好的對比性和便于分析總結，首先測出切削前細長軸的空轉振動特征(圖6)，從空轉情況下工件的頻譜圖可見，細長軸的振動頻率主要以工頻為主。

圖6 空轉情況下工件的頻譜圖

加工中如果切深較大時，在加工中會出現(xiàn)噪聲較大，表面有粗糙振紋，刀具和工件振動較大的情況(圖7)。

圖7 振動較大處表面質量和刀具振動信號

以振動信號增大處為分界點，分析振紋前和振紋處的信號特征，從圖8，9中可以看出振紋前刀具和工件的振動以三倍頻70Hz為主，振紋處工件以工頻為主，且頻率分量較復雜，刀具則以高頻320Hz左右為主，而敲擊刀臺實驗中(圖10)也有320Hz的分量，分析認為振動的增大與該高頻分量與機床自身的頻率耦合有關。

3 雙刀對置切削特征分析

車銑復合中心在車削細長軸時采用雙刀對置切削如圖11所示，是在轉速1400rpm、雙刀對置切削，測試單邊切深0.8mm加工參數(shù)下，刀具和拉桿的振動情況，采用加速度傳感器和電渦流傳感器分別測量切削時刀具和拉桿的振動信號。

圖11 上下刀架對置切削測試

從加工的表面質量上和監(jiān)測的時域振動信號可以分析得出，雙刀對置切削比單刀切削有很大優(yōu)勢，不但可以獲得雙倍的加工效率，而且刀具和工件的振動量比單刀切削小。從頻域上看(圖12)，刀的振動頻率成分除3倍頻以外，其高頻分量很豐富，且大都集中在250-350Hz的高頻區(qū)間;而工件的振動主頻率是1/2倍頻。

圖12 雙刀對置切削頻域特征

4 結論

(1)兩軸同步空轉時主軸的旋轉精度基本都大于副主軸，且1400～1800rpm處兩軸振動位移異常偏大，分析認為與主軸箱等部件的25～30Hz固有低頻分量相耦合。

(2)單刀切削測試中，工件空轉時主頻率為工頻，切削時三倍頻為主，振動較大處工頻較明顯。刀具切削中以三倍頻為主，振動較大時高頻分量300Hz左右較明顯。雙刀對置切削比單刀切削有很大優(yōu)勢，且工件的振動信號以1/2倍頻為主。

［1］馬維新，王麗.CKS7815型雙主軸數(shù)控車床的設計制造［J］.制造技術與機床，2010(2):72-74.

［2］李德珍，李憲凱.五軸車銑復合加工技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.航空制造技術，2009(12):47-50.

［3］戴海港，鄧志平.細長軸的雙刀車削加工方法［J］.組合機床與自動化加工技術，2010(6):88-92.

［4］許文韜，岳鵬程，朱有為.普通車床的對稱式雙刀車削［J］.機械工程師，2007(9):135-136.

［5］徐增豪，胡克廷，張仲益，等.雙主軸雙刀架車削中心的研制［J］. 機械制造，2005，43(11):18-19.

［6］M Sekar，J Srinivas，K Rama Kotaiah，et al.Stability analysis of turning process with tailstock supported workpiece.International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2009，43:862-871.

［7］Emre Ozlu，Erhan Budak.Analytical Modeling of Chatter Stability in Turning and Boring Operations PartII:Experimental Verification.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007(8).