数控纵切机床加工细长轴零件动力学分析

长 轴 类 零 件 过 程 中 应 采 用 联 动 控 制 ，两 主 轴 分 别 夹 持 零 件 两
端 ，并作同步运动。
主轴夹头导套来头
背轴夹头
刀具
图 1 数控纵切车床加工细长轴零件原理 主 、背轴之间设计安装导套部件[1]。导套是纵切机床保 证 零 件 加 工 精 度 的 关 键 部 分 。它 在 刀 具 切 削 加 工 零 件 的 最 大 受 力 部 位 起 到 支 承 作 用 。这 种 布 置 结 构 很 大 程 度 上 提 高 了 加 工 细 长 轴 零 件 时 整 个 工 艺 系 统 的 刚 度 ，避免了由于切削力过 大所引起的零件过度弯曲形变。根据导套在工作中的运动状态 不同分为两大类：固定型导套和旋转型导套。导套与零件应保
背 轴 辅 助 支 承 ，夹 持 已 经 加 工 完 成 的 零 件 端 部 ，有效防止因
离 心 力 而 产 生 的 工 件 跳 动 问 题 。通 过 多 通 道 控 制 ，可 以 实 现
主 、背轴分区独立加工，而在联动控制模式下则可以实现主、
背 轴 高 速 对 接 ， 即 两 轴 同 时 夹 持 棒 料 作 旋 转 运 动 。在加 工 细
设计与研究
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式中，E 为弹性模量；I 为横截面惯性矩。
将 （3 ) 式 代 入 （2 ) 式后，对 z 求导，得:
dv_
(4)
综 合 式 （1 ) 、式 （4 ) ，可得细长轴零件的振动微分方程:
rT d4x d2x
(5)
E I^ M ^ = F
简 化 细 长 轴 加 工 系 统 ，建 立 其 加 工 过 程 的 等 效 模 型 ，如
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现代制造技术与裝备
2016第 10期 总 第 239期
数控纵切机床加工细长轴零件动力学分析
李 宁 1 黄安贻1 谢占功2
( 1 . 武汉理工大学，武 汉 430070; 2 . 广州中国科学院先进技术研究所，广 州 511458)
摘 要 ：细 长 轴 零 件 在 加 工 过 程 中 的 精 度 难 以 保 证 ，本 文 分 析 普 通 机 床 加 工 过 程 的 难 点 问 题 ，提 出 引 入 数 控 纵 切 机 床 来 解 决 此 类 零 件 的 加 工 难 题 。纵 切 机 床 的 特 点 是 具 备 可 以 作 同 步 进 给 运 动 的 主 、 背 轴 和 支 承 导 套 部 件 ， 介 绍 细 长 轴 零 件 振 动 理 论 并 建 立 其 加 工 模 型 ，运 用 有 限 元 分 析 法 对 其 进 行 模 态 分 析 ，得 到 该 零 件 在 典 型 加 工 位 置 的 固 有 频 率 以 及 各 阶 主 要 模 态 振 型 ，进 而 根 据 固 有 频 率 范 围 对 零 件 进 行 谐 响 应 分 析 。通 过 对 所 求 结 果 的 分 析 研 究 ， 可知数控纵切机床可以保证细长轴零件的加工精度要求。
加工经验技巧，改进加工工艺。然 而 ，传统加工细长轴的机
床 因 加 工 空 间 的 限 制 ，不 能 加 工 超 出 机 床 行 程 的 零 件 。随着
数 控 纵 切 机 床 的 快 速 发 展 和 应 用 ，其 在 细 长 轴 加 工 领 域 逐 渐
显 现 出 具 有 的 明 显 优 势 。纵 切 机 床 又 称 为 走 心 机 ，它与传统
2 细长轴振动方程与系统建模分析
由 于 细 长 轴 零 件 长 径 比 大 ，故 可 建 立 以 欧 拉 一 伯 努 利 梁 为基础的振动模型。设 零 件 单 位 长 度 受 力 F ，沿其轴向取长
rU i
M^ H--d-d-Mz--d上z
(b )
图 2 细长轴振动力学模型 根据牛顿第二定律得到该微元的运动微分方程为：
pHAdzd^dt2J J dLz dz + Fdz
⑴
式 中 ， P 为 材 料 密 度 ；A 为 横 截 面 积 ；V 为横截面剪
切力。
若 不 考 虑 转 动 惯 量 影 响 因 素 ，贝II:
V = ^dLz
⑵
基金项目：广东省省级科技计划项目，具有激光处理功能的精密多轴车一铣一滚齿复合加工中心（2013B 091000002)。
发 数 控 纵 切 机 床 的 基 础 上 进 行 零 件 加 工 精 度 研 宄 ，并 通 过 有
限元法对纵切机床加工细长轴的过程进行动力学仿真分析。
1 加工原理与过程分析
数控纵切机床加工细长轴零件原理如图1 所 示 。纵切机
床具有双主轴结构，主 、背轴等高布置。主轴一方面起到棒
料 夹 持 作 用，另 一 方 面 完 成 加 工 过 程 中 的 自 动 进 给 送 料 任 务 。
走 刀 机 具 有 不 同 的 运 动 方 式 。主 要 区 别 在 于 ，纵 切 机 床 加 工
过 程 中 是 刀 具 位 置 固 定 ，主 轴 夹 持 棒 料 作 进 给 运 动 ，而走刀
机 床 则 是 刀 具 运 动 ，主 轴 位 置 固 定 。
本 文 提 出 适 于 细 长 轴 零 件 加 工 的 新 装 备 方 案 ，在 自 主 研
持间隙配合，间隙的调节尤为重要。若间隙较大，则易导致零 件烧曲变形；间隙过小，则易产生导套与棒料烧结现象[2]。
因 棒 料 刚 开 始 加 工 时 伸 出 导 套 长 度 较 短 ，则 仅 由 主 轴 夹 持棒料旋转并作进给运动。当细长轴零件伸出导套较长时， 背轴与主轴联动，夹紧细长轴零件与主轴同速、 同向旋转， 并 跟 随 主 轴 作 轴 向 进 给 。导 套 位 置 和 刀 具 位 置 始 终 保 持 固 定 距 离 ，有效保证了所加工零件的直线度，提髙了加工质量。
图 3 所 示 。根据材料力学的相关知识可知，这是一个典型的
超静定结构，结 构 形 式 为 “固 定 _ 简 支 - 固 定 ”。在 图 3 所
关 键 词 ：数控 纵 切 机 床 模 态 分 析 谐 响 应 分 析 细 长 轴
细长轴零件的加工一直是机械加工领域研究的难点问
题 。虽然细长轴零件具有较为简单的结构形式，但因其长径
比大 、径 向 刚 度 小 ，故 机 械 加 工 时 难 以 保 证 该 类 零 件 的 加 工
精度。国内对于细长轴零件的研究多是基于传统车床来总结