對細長軸生產中產生振動時，工藝系統受到干擾和破壞，不僅讓加工表面質量嚴重惡化，縮短機床及刀具的壽命，還會發出刺耳的噪聲，對零件的加工生產產生嚴重的影響。細長軸類零件表面粗糙剛度差、長徑比大，刀具在高溫的細長軸氧化表面車削時極易磨損，同時被加工的細長軸圍繞軸心線產生強烈的扭轉振動而難以控制精度。
在實際中采用精確的切削用量，配合精心設計的中心架和跟刀架，仍然不能生產出很好的細長軸。本文通過建立受力模型，結合有限元分析法對細長軸切削加工過程中產生的振動特性作了仿真分析，利用跟刀架采用浮動的來限制細長軸最大振幅的位置。從結果對比可以看出，用這種措施可以緩解振動，對徑向振幅有很好的限制作用，保證加工質量。
1 對細長軸加工中各誤差的概述
在實際加工中由于切削熱作用、正向切削力以及徑向力下，細長軸會發生振動，會使車削過程中各位置的物理機械性能和接觸剛度改變，導致細長軸熱擴散，受力不均，致使加工部位發生異變，刀具與工件間產生相對位移，會使加工表面產生振痕，嚴重影響零件的質量和性能。我們用頻譜分析法，將細長軸加工過程中各誤差分為：(a)體表不平度誤差(b)振動波形的誤差(c)形狀的誤差。而形狀誤差為細長軸加工過程中的主要誤差方式，分為：(1)竹節形誤差(2)腰鼓形誤差(3)麻花形誤差。
圖1 細長軸車削受力圖
2 建立受力模型
振動現象是由于細長軸在車削加工時頂尖支反力變化不均勻引起的，試驗中我們在細長軸頂尖處采用彈性頂尖（理想彈性體材料滿足：a.均勻分布的質量b.服從彈性定律c.各向特性相同）來對變化進行補償，通過生成支反力，根據頂尖部位受力情況可將其看作固定支架；跟刀架可在豎直方向自由移動，限制水平方向位移。對卡盤也作簡化，整個系統受力如圖1。F1 代表主切削力，F2 代表軸向作用力，F3 代表徑向作用力，M 代表車床施加的扭矩。細長軸在上述作用下在軸向等方向均發生振動。
3 振動頻率的模擬仿真
細長軸切削振動的仿真分析已作為針對其振動特性所采取的有效措施，通過仿真分析表現了細長軸加工中的振動動態特性，并以此確立了緩振策略，即運用跟刀架浮動方式工作有利于減弱振動對加工質量的影響，提高車削質量。
圖2 細長軸有限元模型
采用VDRAG 命令拉出如圖2的細長軸的有限元網格模型，加工時軸受到不同方向的力的作用，并且截面為圓，因此我們用ANSYS 中的95 號元素材料，它是高階的多面體元素材料，有20 個結點，可用于曲線幾何體建模。建模時，對模型做適當簡化，除去螺紋和鍵槽等細節信息。模態分析時，為減少徑向切削力對細長軸彎曲變形的影響，將細長軸加工時的系統簡化為固支－簡支梁的模式，采用左邊固定，右邊頂端彈性，相當于在細長軸上增加了X、Y 方向上的支撐。細長軸在加工過程中以一定角速度旋轉，這將使軸產生一定扭矩和預應力。所以細長軸加工中的振動特性分析采用附加轉動的預應力模態分析法。細長軸車削加工過程中，跟刀架和刀具的運動均是連續的進給直線運動，從而導致細長軸產生的約束的變化時動態的，在每一個細長軸支架中，跟刀架和刀具都導致一個特定的振動模態。所以，必須對運動的刀具和跟刀架作離散化處理，挑了32 個位置均勻沿軸向進行計算并近似模擬整個細長軸受力情況，考慮到既減少計算時間又能保證其整體分析的準確性，這32 個位置對應于32 個載荷步，每個載荷步抽取了前10 階模態并進行擴展，利用ANSYS 的強大功能提取頻率，繪制各階振型曲線。在車削剛開始時，細長軸的頻率低，然后隨著車削過程的細長軸的轉動而逐漸增加，在軸的中間，其固有頻率達到最大，然后逐漸下降，在加工結束時，細長軸的固有振動頻率也比較低，頻率的變化標志著細長軸的剛性在不斷變化，只有穩定的細長軸剛性才可減小振動，提高加工質量。
細長軸受多方向振動影響產生獨立的振動模式，現將對細長軸影響大的一階振型曲線圖繪制如下圖3 所示。X 軸為車削過程中細長軸距測量卡盤的距離，Y 軸為細長軸上各位置的振動幅度大小（包括徑向位移、切向位移和軸向位移），(a)圖為對細長軸車削加工到軸上1/4 處時的振型狀態曲線，(b)圖為對細長軸車削加工到軸中部時的振型狀態曲線，(c)圖為對細長軸車削加工到軸上3/4 處時的振型狀態曲線。同時，把各方向一階振型曲線在同一個圖中繪出，用B、C、D 來區分；其中，B 表示徑向一階振型曲線，C 表示切向一階振型曲線，D 表示軸向一階振型曲線。
圖3 無浮動刀架時一階振型曲線
由圖3 可以看出產生振動的特點：首先，改變徑向力對振型和振幅有影響；其次，在細長軸中部受到的振動的振幅是最大的，且最大值和最小值的距離大約是軸長的一半長度。綜上，系統設計如下：在車床的后絲杠上通過減速裝置安裝有兩個跟刀爪的浮動刀架，刀爪的距離設計在為細長軸軸長的一半，并且控制刀架速度為刀具軸向速度的一半。這樣的目的就是為細長軸在其最大振幅位置加兩個浮動支承。通過模態分析得出振型如圖4 所示。
圖4 有浮動刀架時一階振型曲線
通過比較，徑向振型模式的相對幅度顯著減小，但容易看到有不少的峰值的出現，導致這樣結果的原因是支承的浮動讓細長軸剛度增加，振動頻率也跟著增加。但是，另一方面，在軸向振動方面的振幅有增加的趨勢，這意味著兩個振動是獨立產生的，軸向振動振幅并不隨徑向振動振幅的減小而減小。但由于軸向振動對加工尺寸影響完全忽略，在較小進給速度情況下，可以提高加工精度。
4 結論
本文對細長軸切削過程進行了模態分析，車削到軸的中部時頻率最高，揭示了細長軸車削過程中自身的固有頻率隨軸向拉力的變化而變化。采用浮動跟刀架，增強細長軸的剛度。同時表明軸的徑向振動和軸向振動是兩個獨立的過程，改變軸向力對振型的影響，同時浮動跟刀架具有振動的補償控制作用，提高切削質量。
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