数控车床精密车削振动谱系微振动分析

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数控车床在进行精密车削加工时，其切削振动谱系主要体现为微振动，这时工件容易产生视觉波纹的现象。通过对切削过程中的振动测试，发现该现象与切削时整机一阶固有频率的振动有关。本文对视觉波纹产生的机理做出解释，并通过理论计算加以说明。为了降低微振动，查找装配环节对视觉波纹产生影响，文中对重要部件装配误差进行逐一放大，找出了对其影响的主要因素。通过装配工艺优化，消除精密车削过程中所产生的视觉波纹现象。

一、前言

数控车床精密车削技术是常用的精加工手段之一，它具有高效率、低成本、低污染等特点，该技术是随着刀具材料的发展及机床加工精度的提高而逐渐被广泛应用。理想情况下，数控车床精车外圆表面后，留下的刀纹是均匀的，在灯光下观察反光效果应当一致，但部分车床加工工件表面留下刀纹经光线反射后能看到明暗相间的条纹，本文把各类不正常的刀纹叫“视觉波纹”。

目前，在国内外机床行业主要针对切削中出现的强振动问题加以诊断分析来控制其振动幅值，例如，机床在切削过程中产生强烈的自激振动或受迫振动，使机床不能有效地切削加工工件。大多文献都是针对上述的强振动进行研究工作，而机床在高速低切削量切削时候的微振动，工件上产生视觉波纹的问题，由于对正常生产没有造成直接的影响，所以没有引起足够的重视。现在为了实现提高精密车削加工效果，满足客户要求切削工件直接电镀处理的需求，该问题亟待解决。

本文对精密车削过程中产生这种视觉波纹的车削现象进行详细的分析，从机理上找出其产生的原因；针对一台精密车削后没有出现视觉波纹的机床为研究对象，人为将各个部件装配精度误差逐一放大，然后再进行精密车削试验，看是否出现视觉波纹，找出对其贡献量较大的装配环节。通过上述实验总结出的结论，合理优化现有的装配工艺，消除精密车削视觉波纹的现象。

二、振动谱系微振动研究

振动谱系指机床在切削加工时候，工件与刀具产生的振动信号频谱特征。按照振动幅值，结合振动烈度对加工的影响效果，将振动谱系由低到高划分为微振动和强振动，其中强振动主要为低速大切削量的切削试验中出现颤振现象，影响机床的切削能力；微振动主要为高速低切削量（精密切削）切削试验中出现的视觉波纹现象，影响机床精密加工性能。应分别对这两个振动谱系区域进行研究，本文主要研究微振动对机床精加工的影响。

对机床不同重要部件装配精度进行适当放大调整，然后对加工件进行精密切削试验，找出切削工件产生“视觉波纹”的机理，并且研究如何控制这类微振动，这类研究属于振动谱系中的微振动的研究工作。在精密车削的切削试验中，通过一系列的振动测试，发现该现象与切削时整机一阶固有频率的振动幅值有关。这里对视觉波纹产生的机理做出解释，一阶振型是机床整体前后摆动，由于主轴系统与刀具系统和床身的连接刚度及阻尼不匹配，两者之间产生微小的相位差，并通过理论计算加以说明。

三、理论分析

根据机床切削系统特点，将其简化为床身、主轴和刀架三个集中质量模型，床身与地面、主轴与床身、刀架与床身之间连接关系简化为弹簧阻尼系统，组成三自由度振动系统，结构如图1所示。

图1中M1、M2、M3分别表示三个质量块的质量，U1、U2、U3分别表示M1、M2、M3的位移，K1、K2、K3分别表示质量块间以及质量块与地面之间的接触刚度，C1、C1、C1分别为系统结构各部件的粘性阻尼系数。

根据图1所示系统结构，各质量块的受力情况分别如图2～图4所示。

图中， 、、分别表示M1、M2、M3的运动速度， 、

、分别表示质量块的加速度。

根据图2所示的各质量块的受力分析，可联立得到系统

的运动微分方程为：

（1）

分别将（1）式中各等式左侧格式移到等式右侧，经整理可得：

（2）

将（2）式以矩阵形式表示为：

（3）

系统以固有频率振动，系统结构产生共振，U1、U2、U3应为同步运动，即固有频率为U1、U2、U3做同步运动的解。

在同步运动条件下，U1、U2、U3的比值与接触刚度K1、K2、K3有关，与时间无关。即可将U1、U2、U3的运动函数设为：

（4）

其中， 表示U1、U2、U3随时间运动的函数。A1、A2、A3为常数，决定U1、U2、U3的振动幅值大小的振幅因子。

将方程组（4）代入（3）式，经整理后可以得到矩阵表达式：

（5）

矩阵表达式中：

（6）

由矩阵（5）可以得到M1、M2、M3的振幅因子A1、A2、A3的关系表达式方程组为：

（7）

由（6）式与方程组（7）可以得到振幅因子A2、A3之间的关系表达式可表示为：

（8）

由式（8）可以看出只有在一定的条件下才能使A2=A3，其他情况下A2≠A3。在一阶次振型中M2和M3，虽然两者振动方向相同，但是相对于M1来说相对位移不相等，这就造成两者之间存在一定的位移差。M2和M3质量是不变的，若要使A2=A3，则必须通过装配工艺使接触刚度及阻尼与其质量相匹配。

四、装配精度对视觉波纹的影响

1.显微镜观察视觉波纹

通过显微镜观察精密车削切削表面发现：亮带，表面显得平坦，个别谷消失融合；暗带，切痕均匀，峰、谷明显（图3）。分别测量明带和暗带部分的表面轮廓（图4）可以发现，明带部分有明显的基频二分频存在，切痕呈现宽-窄-宽的方式分布，暗带部分无二分频，切痕条纹均匀。

通过显微镜放大观察发现这种微观表面的宽-窄-宽，用光学机理仿真得到图5，证实了产生这种视觉波纹的机理本质是二分频波动，产生其原因主要有以下两种。

（1）由于进给速度的二分频波动，即快-慢-快导致。这种情况主要是进给系统动态特性的周期性改变。这里改变机床的电气控制参数，对视觉波纹没有太大的影响，故认为此原因不是产生视觉波纹的主要原因。

（2）由于切深的二分频波动，即深-浅-深导致。这种情况主要是由于Z向切削力的负阻尼特性影响，其主要原因是滑动结合面传动系统的装配精度不好，使得刀架部分的接触刚度及阻尼与其质量不匹配。这里改变各部件之间的装配环节精度，对视觉波纹有直接的影响，故认为某些部件的装配精度是影响视觉波纹的主要原因。

2.装配精度验证

在一台装配精度合格，出厂切削试验中应用精密车削技术，工件表面没有出现视觉波纹的机床为测试对象。在此台机床上，对其不同重要部件装配精度误差进行适当放大调整，然后进行相同加工参数的切削试验，找出工件产生视觉波纹的影响因素，并且研究如何控制这类微振动。这里制定了十种调整方法，分别进行相应的装配精度放大调整，通过切削试验测试每项精度对机床动态特性的影响，观察装配过程误差对切削工件视觉波纹的影响（图6～图15）。

根据上述不同重要部件的十种装配精度调整，分别进行切削试验，观察装配过程误差对切削工件视觉波纹的影响规律。同时用B&K振动测试系统对主轴箱前端、刀架、滑鞍和床身等4个部件三个方向进行切削时振动速度记录，对其数据分析发现，不同装配状态下主要变化的是整机的一阶频率所对应的X方向振动速度大小，这里以主轴前端X方向的振动速度为例，以图16说明。

由图16所示当该处振动速度低于100μm/s的时候对应的是步骤1、4、10，这三个步骤切削时候没有出现视觉波纹；当该处振动速度略高于100μm/s的时候对应的是步骤5和9，这两步骤切削时候出现轻微视觉波纹；当该处振动速度明显高于100μm/s的时候对应的是步骤2、3、6、7、8，这五个步骤切削时候出现明显视觉波纹。这个振动速度图与表完全可以对应。进一步证明了一阶振型是整机绕地脚处Z轴前后摆动，此处的振动速度量级与切削工件是否出现视觉波纹有直接的关联作用。

对步骤1到步骤9试验结果进行分析：不同的重要部件的装配精度，有些对切削振动不敏感，有些对切削振动影响较大，可以使切削时整体的一阶振型振动幅度变大。发现其影响工件产生视觉波纹的主要原因是与X方向（即机床前后方向）相关的精度和Z轴导向系统的装配精度有关系。这些证明了装配环节的精度直接影响了接触刚度及阻尼，导致了Z向切削力的负阻尼特性影响视觉波纹的产生。

在第10种产生视觉波纹的状态下，将其6个地脚同时撤除，直接落在放有厚橡胶垫的地面上，视觉波纹的现象会大大减弱甚至消失。由于这样可以使整机第一阶振型绕Z轴前后摆动的幅值大大的降低，即使切削工件与刀具之间存在微小变化的相位差，可是由于切削时整体的一阶振型振动幅度大大减小，虽然没有使该相位差消失，但是缩小其相对振动幅值，这样可以使视觉波纹的现象减弱甚至消失。通过此现象，不仅可以对现有的装配工艺进行优化，还应该对现有的地脚做出合理的优化设计，这样才能避免视觉波纹现象产生，同时能提升机床动态性能，提高机床的使用寿命。

五、结论与建议

（1）振动谱系中的微振动分析：改变装配精度视觉波纹切削试验发现，根据不同装配环节对微振动的影响大小，可以根据此次实验进行装配工艺优化处理。

（2）微振动影响工件产生视觉波纹，其主要原因是整机的第一阶频率，对应的模态振型为机床整体绕地脚前后摆动，这样可通过优化地脚处结构，使用减振垫铁设计来降低前后摆动的幅值，减弱或者消除精密车削中的视觉波纹。