基于有限元法的細長薄壁件車削過程的振動分析

馮 利，牛海俠

（正德職業技術學院，江蘇南京 211106）

現代加工技術特別是從數控技術引進到加工領域后有了飛躍式發展，對細長薄壁件的加工精度也越來越高。無論從機械加工還是被加工件在加工過程中的動態特性對產品的影響越來越受到重視。

細長薄壁件的加工一直被制造行業認定為加工難題，長徑比一般都大于10，車削時加工工藝系統的剛性較差，及細長薄壁件熱擴散性差，工件極易彎曲且產生振動，使工件容易產生腰鼓形、扭曲等缺陷，不易獲得滿意的表面粗糙度及幾何精度。

1 計算模型

細長薄壁件的幾何特點和車削加工方法決定其在加工過程必須考慮其動態性能，本文利用有限元軟件針對細長薄壁件固有振動特性進行分析，得出某細長薄壁件的固有頻率和振型，對進一步分析、控制加工誤差有非常重要的意義。

裝夾方式及力學模型如圖1和圖2所示。

圖1 細長薄壁件切削受力圖

圖2 某細長薄壁件結構示意圖

模態分析。

本文選用實例：一細長薄壁件的材料為40Cr調質，長600 mm，外徑50 mm，內徑44 mm，車削速度為800 r/min。選用20節點的二次單元對結構進行網格畫分，并全部分成計算精度較高的六面體網格，共得到325 671個網格單元。

對三角卡盤卡緊的位置作位移全固定約束，對另一端頂尖頂到的位置作徑向約束，由于刀具切削點也有切向力作用于切削點，且隨著加工的進行切削點在變化，本文對切削點在不同位置時分別作模態計算，以期得到其振動規律[1-2]。

圖3 某細長薄壁件結構示意圖

圖4 某細長薄壁件結構示意圖

2 有限元分析（FEA）

有限單元法是利用計算機進行的一種數值分析法。它在工程技術領域中的應用十分廣泛，幾乎所有的彈塑性結構靜力學和動力學問題都可用它求得滿意的結果。

分析過程中包含以下三個步驟。

步驟一：創建有限元模型。包括：（1）創建或讀入有限元模型；（2）定義材料屬性；（3）劃分網格（節點及單元）。

步驟二：施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項、設定約束條件，然后求解。

步驟三：查看結果。查看分析結果，然后檢驗結果（分析是否正確）。

3 計算結果

計算結果如表1所示。

刀離頂尖0%時前四階模態對應的振型如表2所示。

可見，一階和二階都為一節點彎曲振動，三階為扭轉振動，四階為二節點率曲振動。

表1 車刀離頂尖距離（占總長的百分比）不同時對應的轉速

表2 振型圖

4 結論

（1）在車削開始時，加工過程并無共振現象發生，可以保證加工精度；

（2）車削過程中，當車刀到達離頂尖端為工件總長的75%時，工件的二階模態頻率與車削轉速相同，車削轉速即其激振源，達到共振后使振動幅度增大，加工精度突然下降；

（3）建議對此工件再加工時使用跟刀架，以改變支承狀態，使第二階模態頻率有所升高，避開車削轉速造成的共振頻率，以保證不發生共振，提高加工精度。

［1］韓榮第，郭建亮.細長桿車削淺析［J］.機械研究與應用，2004（1）：11-15.

［2］楊紅義，李衛民.基于ANSYS的細長軸車削過程中的模態分析［J］.遼寧工業大學學報：自然科學版，2008（4）：242-245.