车床上工艺系统刚度和阻尼特性研究

轴类零件车削时工艺系统刚度和阻尼特性的实验研究

寇世瑶 侯江华

河南机电高等专科学校 河南新乡 453002

摘要：讨论了车削轴类零件时，不同工艺子系统的特征，以轴类零件安装在两顶尖间车削为例，提出了加工的机电力计算模型、工艺系统及其元件的刚度系数和吸收系数的计算方法。在此基础上进行非对称变形实验，得出了零件加工时子系统刚度系数和吸收系数与循环系数的关系曲线。表明循环变形与刚度系数，与非对称变形循环系数无关，而且刚度吸收系数可以同时测量，大大减少计算量。

关键词：工艺系统 刚度 阻尼特性

1、轴类零件车削时机电模型及分析

精车削时，为了研究工艺系统抗振性，必须知道零件和刀具子系统在切削力施加点刚度和阻尼特性。在车削过程中工艺系统有不同特点：对切刀子系统的刚度和阻尼有不变特征；对零件子系统刚度和阻尼有可变特性，它与刀具和零件支承间的距离有关。本文以车床上两顶尖间加工轴类零件为例研究刚度和阻尼的当量特性，应用这个方法是为了确定零件子系统和切刀子系统的上述特性，不仅适用于轴类零件纵向车削，而且也适用于车削端面、镗削和其它工序。

纵向车削轴时基本上发生横向振动，因此为了解决这个问题以弹性耗散支承梁的形式作为计算模型，如图[1]所示，在这种情况下，零件的前支承是主轴顶尖接合处，即主轴顶尖与零件的中心孔接触，尾架顶尖与零件右顶尖孔接触。所研究子系统的刚度由零件固有刚度和支承的固有刚度组成。零件材料中能量耗散是不大的。因此计算中可以忽略，仅考虑结构阻尼。如果已知零件和支承的刚度，则在横向力施加点刚度换算系数K(见图1) ，可以按下列公式确定。

11b 1a 1 （1） =+() 2+() 2

K K m l K l L K r

式中K m ---零件固有刚度；

K l K r ---分别为左右支承的刚度系数。

图1轴类零件支承机电力模型

在研究机床动力学时，为了定量地计算振动阻尼应考虑与对数衰减率λ有关系的吸收系数Ψ，两者关系为Ψ=2λ。如果已知刚度系数和支承吸收系数，在施力点吸收换算系数按下式确定

ψ=() 2b ψl K a ψK +() 2r l K l L K r

式中ψl ψr 左右支承吸收系数

众所周知，机床刚度系数在初期静载荷时对弱非线性系统决定于力与位移比。但是同时存在非弹性阻力的情况下，卸载时，所得到的刚度系数是一样，变形时，能量耗散愈大，加载和卸载时刚度系数差别愈大。刚度系数在加载卸载两支曲线间沿平均（中间）线求出。通常变形循环非对称系数λ取等于零（λ=Nmin /Nmax ），按照标准推荐确定主轴---刀杆和尾架套筒----刀杆系统相对刚度系数，寻求零件和切力相对机床刚性床身的绝对刚度系数。为了计算抗振性，最合理地确定绝对刚度系数及零件和切刀子系统吸收系数，因为这可以揭示出子系统振动的趋势。

图2循环变形图

2、实验方法及结果分析

在循环变形时，形成了滞后回路，回路的面积表征了能量的耗散，如图2所示。初期变形时(ΔA) 力和位移大致呈线性关系。刚度系数K 1=tgα1; 循环变形（ABCDA ）刚度系数K= tg α（α为加载卸载变形曲线间平均（中间）线斜角）。在确定吸收系数Ψ时，最普遍采用循环变形静滞后回路法和自由衰减振动示振图加工法。滞后静回主要方法是用多次实验证实循环中耗散能量与变形速度无关性假设。本文以非对称循环变形滞后静回路法为主要方法，因为这个方法到某种程度可以模拟切削力振动时的载荷条件。而且这些方法可以同时确定刚度系数和吸收系数。按照推荐滞后回路是椭圆形。吸收系数ψ=∆w ，其中Δw 为循环中耗w

散能量，Δw=лcd/4（c 和d 为椭圆轴），w 为变形的最大势能，等于图2中细线三角形的面积。W=N0y 0/2

式中 N 0=(Nmax --N min )/2 ----力幅值

y 0=(ymax --y min )/2 ----变形幅值

本文研究非对称变形循环对零件子系统换算刚度系数和吸收系数的影响，实验在C6140-1车床上进行，不调节主轴轴承和导轨楔块以及尾架套筒, 悬伸为常量。图3中被加工轴安装在两顶尖间，轴直径60mm ，轴长度600mm, 顶尖孔A 型，力由标准测力仪（3）测量，位移由刻度值0.002mm 的指示仪1测量。为了排除零件重量对载荷测量结果的影响在通过y 轴水平面内进行，力测量范围N=0~5000牛，非对称循环系数λ=0~0.6，图3为零件左支承载荷图，零件右支承载荷类似。在非对称循环系数不变时，多次（50）次加载和卸载。揭示出，从第二个变形循环开始，得到稳定滞后回路，回路形状接近椭圆。

图3力位移（变形）测量

图4所示为零件左右支承刚度系数K （图4，a ）和吸收系数Ψ（图4，b ）与非对称变形循环系数λ的关系曲线，初期载荷15~20%时，刚度系数N 1于循环变形时的刚度系数。由图4可以看出，刚度系数和吸收系数实际上与所研究载荷变化范围内非对称变形循环无关，机床顶尖上确定的轴左右端刚度系数值接近符合主轴和尾架标准，顶尖上轴端吸收系数数值与《金属切削机床振动研究》数据一致。

图4 K 1-Ψ-5λ关系曲线

为了检查计算公式（1）和（2）确定轴中央刚度系数（图5,a ）和吸收系数（图5，b ）的一致性采用直接加载法（实验—实线，计算—虚线），实验中轴中间刚度系数K L/2=16315N/mm，计算值K L/2计算=16830N/mm，实验吸收系数ΨL/2=0.31，计算吸收系数 ΨL/2计算=0.30，得到的结果表明，计算公式（1）和（2）与实验符合。非对称循环变形确定的刚度和阻尼特性应用于修光切削刃切刀精车轴时，工艺系统稳定性时，计算切削用量允许范围。

图5 K L/2, ΨL/2实验曲线与计算曲线

结论

（1）在振动切削力衰减的条件下，加载荷在初期时，按照标准测量的刚度系数濒于循环变形时测量的刚度系数15~20%。

（2）在车床顶尖确定的轴循环变形时，静滞后回路在第二个循环开始程稳定，循环变形的刚度系数和吸收系数实际上与非对称变形循环系数无关。在非对称循环变形时，同时测量刚度系数和吸收系数可以大大地减少计算量。

（3）机床顶尖上确定的轴中间刚度系数和吸收系数可以按轴支承的刚度系数和吸收系数计算。

参考文献

[1] 哈尔滨工业大学、上海工业大学主编，机械制造工艺理论基础，上海：上海科技出版社，1980

[2]华中工学院，机械制造工艺学实验指导书，武汉，华中工学院出版社，1963

[3]杨肃，疗伯喻等. 机床动力学，北京：机械工业出版社，1986