主轴质量偏心对车削加工质量的影响与防治

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　　摘要：在主轴车削中心，工件可以进行不停车同步传递夹持，从而完成从毛坯到成品的全部加工，提高了加工效率和加工精度，节省了加工时间，文章主要分析和阐述了主轴质量偏心对车削加工质量的影响与防治。
　　关键词：主轴质量；零件；车削加工

　　传统的机床一般只能完成某一种或某一类加工，如车床完成车削，铣床完成铣削等等，有的甚至粗、精加工也要分别在不同机床上完成。为了减少辅助时间，提高加工精度和效率，数控机床工序和功能复合化的发展趋势日益明显，多工序、多功能复合加工的新颖机床不断涌现。其中，车削中心的发展最为突出，它不仅能完成外圆和端面的车削加工，由于机床在同一轴线上对置安装了两根可同步旋转的主轴，并增加了第二转塔刀架，因此不用停机再次装夹工件就可以进行多刀同时加工，如正反面连续加工、铣平面、钻中心孔、开侧面槽及进行任意角度斜孔和斜面加工等。
1 减少质量偏心影响的措施
    在工艺系统中由于材质的不均匀或形状不对称。安装偏心、制造质量不好等原因，都会使主轴质心与回转轴承中心线不重合，造成偏心。主轴旋转时产生离心力，使工艺系统受到周期性变化的干扰力，引起受迫振动。工艺系统受迫振动的振幅与主轴角速度有关，可采用降低主轴转速进行低速加工，降低主轴质量偏心对工艺系统受迫振动的影响，但此方法严重地影响了生产率，故在实际生产中不提倡使用。同时，当转轴转速ω>>ωn时，rA≈e，转轴质心C与回转中心0重合，即自动定心现象，因此也可采用高转速加工，防止转轴质量偏心的影响，但此方法因为技术限制。目前应用也不多。
    为从根本上解决主轴质量偏心的问题，减小主轴质量偏心带来的不利影响，可在主轴安装前进行动、静平衡，对精密的主轴，甚至可以在尾端加装平衡块，在安装完毕后，根据偏心情况调节平衡块位置，使主轴质心与实际回转中心线重合，直接消除质心偏心距e，达到控制受迫振动的振源的目的，消除受迫振动。受迫振动的振幅与系统刚度有关，系统刚度越大，受到同样大小干扰力时，振幅越小，因此可用提高接触面精度、降低结合面的粗糙度、消除间隙、提高接触刚度等方法，来提高系统的刚度。减小受迫振动的影响如上述方法还不能有效减小受迫振动的影响，可加装减振装置，如在精密车床中，主轴两端安装在滑动轴承上，安装如图1所示的主轴阻尼器，通过在滑动轴承间隙中油液的黏性阻尼作用达到减振的目的。
  图1车床主轴阻尼器            
  图2车床用液压阻振器1、4、5活塞2工件3节流阀6弹簧
在加工高精度零件时，为精确控制零件因转轴质量偏心而引起的工艺系统受迫振动，可采取控制零件振动的方法对受迫振动进行控制 如图2所示，在加工的零件圆周上安装液压摩擦阻振器，当活塞随着工件振动时，把油液从油缸的一腔经节流阀流向另一腔，利用油液经过节流孔的阻尼来减振，调节节流阀可以调节阻尼大小，减小受迫振动的影响。
2 主轴质量偏心对加工质量的影响
2.1主轴质量偏心引起的挠度分析
    车床在制造过程中，如主轴出现质量偏心或在安装时主轴颈中心与回转轴承中心不重合，则在运转过程中主轴质心将偏离实际回转中心，在偏心质量和偏心距作用下，主轴转动时将产生离心力，工艺系统在离心力周期性作用下产生受迫振动，当转速增到某个特定值时，振幅会突然增加。振动异常激烈，这个转速即是临界转速。
   下面通过单圆盘转子来对主轴质量偏心引起的转轴挠度进行分析。为方便分析，设圆盘安装在竖直轴中间。并垂直于轴线，这样轴弯曲后圆盘仍在同一平面内运动，即圆盘作平面运动。设圆盘的质心在点C，而转轴通过圆盘中心点A。其质心偏心距AC=e。圆盘与转轴一起以角速度ω转动，此时转轴由于惯性力的影响将偏离固定的几何轴线OZ发生弓形回转。
2.2 主轴质量偏心对加工的影响
    主轴作为车床最重要的回转体，其回转精度将直接影响到工件的加工精度。由于主轴的质量偏心，在主轴回转时，主轴自身产生弓形回转，工艺系统因受到主轴周期性离心力的影响而产生受迫振动。由主轴角速度与挠度的关系可知：在低速回转中，角速度远远低于转轴固有频率时，主轴质量偏心而引起的工艺系统受迫振动振幅将较小。当主轴回转角速度逐渐增大到接近转轴固有频率时，振幅会异常激烈。严重破坏工件与刀具之间正确位置，同时由于工艺系统随着主轴回转产生周期性的振动，刀具将在工件表面留上振纹，造成表面质量严重下降。工艺系统振动的振幅不仅与转动角速度ω有关，还与转轴固有频率ωn、质心偏心距e有关。主轴质心偏心距e越大，相同条件下主轴回转引起的工艺系统受迫振动的振幅越大。因此，由于主轴质量偏心而引起的工艺系统的受迫振动，将使零件的加工质量受到严重的影响，甚至使生产的零件报废，更严重者将导致工艺系统的破坏。
3 结语
    在车削加工过程中，主轴质量的偏心会因为转轴产生弓形回转引起工艺系统的受迫振动，严重影响了零件的加工质量通过对转轴质量偏心引起受迫振动的原理分析，并采取相应的消振措施，切削过程中的振动会明显减小，大大提高了车削工件表面质量、刀具使用寿命。
参考文献：
[1]吴圣庄，金属切削机床概论[M]，北京：机械工业出版社，2008
[2]黄天铭，机械制造工艺学[M]，重庆：重庆大学出版社,2010