車加工試件表面波紋的消除

沈陽機床（集團）有限責任公司沈一車床廠（遼寧 110142）劉 萍 陳麗文 陶秀玉 彭麗輝

1.現象說明

現階段國內市場上主流的數控機床主軸速度都比較高，由此機床在高速精車外圓及精車端面時，加工工件的表面加工質量都可以達到很好的表面粗糙度。但是在一定的加工條件下，如果對加工表面使用金相砂紙對工件做進給方向上的擦試，就會發現工件表面存在視覺上的瑕疵，具體現象可以參照圖1、圖2，這種規則的視覺波紋也就是俗稱的“竹節紋”。經過對各機床生產廠家的產品進行調研，發現這是一種比較普遍存在的現象。

我們發現，在數控機床高速切削的時候，機床的某些零部件和生產環節存在的問題會充分暴露出來。當加工時出現竹節紋或者是刀花不規則較亂的現象時，就可以斷定機床某些部件的裝配質量出現了問題。

2.原因分析

在生產實踐過程中，我廠CAK、ETC系列車床有時個別機床會出現上述的現象，在進行高速精車時，加工表面出現竹節紋、刀花亂（表面粗糙度雖能夠達到要求，但視覺效果不理想）的現象。針對這種現象我們進行了一系列的研究，對其產生原因做了詳細分析并提出了對應的解決方法。

（1）CAK系列車床 CAK系列車床的配置為滑動導軌平床身、平床鞍結構，在精車端面時易產生竹節紋，也就是在整機交檢工作精度時，偶爾就會出現一臺存在竹節紋現象。

我們對同批次存在問題的機床與正常機床做了細致比較，分析認為主要與運動源主軸箱、X軸運行軌跡、主電動機是否能滿足本機床轉速要求有直接關系。

（2）ETC系列車床 ETC系列車床的配置為直線導軌平床身、斜床鞍結構，在高速精車外圓時偶爾產生暗影竹節紋。

出現這種現象是機床力學性能指標偏低造成的，我們成立了專項攻關小組，小組成員一致認為和主軸箱是否振動、Z軸運行軌跡是否流暢、X軸（45°斜床鞍）電動機轉矩是否適合以及主電動機轉動是否平穩有關。

3.試驗測試

（1）CAK系列車床 認定原因后我們利用排除法進行如下試驗：

使用便攜式動平衡儀對裝配卡盤的主軸箱做動平衡，分別在最高轉速、75%最高轉速和50%最高轉速做整機動平衡，平衡后主軸箱前后軸承處的振幅均在0.1mm/s以下。再進行以上3個轉速工作精車作業，結果在主軸轉速為1000r/min時端面無竹節紋現象，而在2000～2500r/min的高轉速下出現了竹節紋現象。

使用千分表對X軸運行時的定位精度及重復定位精度進行檢測，檢測結果滿足機床合格證要求。又將機床調到手搖脈沖模式，通過打表檢測，發現X軸的脈沖運行不均勻，在運行過程中有停頓后突然釋放的情況。通過重新裝配X軸部件，對機床滑板燕尾結合面、鑲條重新進行刮研，保證X軸運行流暢，沒有蹩勁和阻滯現象，用力矩扳手檢測調整前后絲杠的空載力矩（見圖3a、3b）和絲杠端頭的徑向跳動（見圖3c），檢測結果如表1所示。再次精車端面時，端面竹節紋消失。

表1 檢測結果對比

（2）ETC系列車床 ETC系列車床出現竹節紋現象的原因與CAK系列車床不盡相同，在試驗測試的過程中全方位的對問題進行剖析，我們做了如下常規試驗：

對X軸電動機轉矩進行分析。X軸電動機在45°斜床鞍的上部，工作條件下X軸整體依靠電動機自鎖來克服自重。經過檢測，X軸功率、轉矩滿足切削要求，此項排除。

對主軸箱振動情況進行測試。使用便攜式動平衡儀測試主軸箱振動情況并進行動平衡，分別將最高轉速、75%最高轉速上主軸箱前后軸承處的振幅做到0.3mm/s以內，之后我們再次在主軸轉速為2500r/min的情況下精車外圓，此時竹節紋現象有所緩解，但是仍然存在。

對Z軸運行軌跡進行檢測。將Z軸聯軸器松開之后，我們對絲杠端頭的跳動進行檢測。發現在絲杠螺母與床鞍聯接的情況下，絲杠端頭的跳動值為0.04～0.06mm，當將絲杠螺母松開后再次檢測得到端頭跳動為0.01mm以內。這說明絲杠螺母與兩端軸承支撐不同軸（三支撐不同軸），現場工藝流程為安裝Z軸導軌→安裝Z軸絲杠套件→安裝床鞍套件→安裝床頭套件，后改為：安裝Z軸導軌→安裝Z軸絲杠套件→安裝床鞍套件，找正主軸和X軸垂直→絲母座安裝端面與Z軸導軌垂直檢測→安裝床頭套件，保證了絲杠的安裝精度。

目的是調整后，可避免在調整主軸軸線與X軸軸線垂直度時，床鞍上Z軸絲杠螺母安裝面與Z軸導軌的垂直關系發生變化，防止造成Z軸運行不流暢和蹩勁現象，從而影響機床精度。

經過以上三項試驗檢測并改進后，調整后的機床在主軸轉速≤2300r/min時進行切削，沒有出現竹節紋現象，但是在主軸加工轉速區間為2300～4000r/min，即切削線速度達到400m/min左右時，就有隱約的竹節紋出現。

4.數據采集分析

在做完常規試驗后，我們應用B&K公司的7700 Pulse數據采集分析系統，該系統是世界上首個振動、噪聲多分析儀系統，能夠同時進行多通道、實時、FFT、CPB等分析，與 Vibrant Technology公司的ME'scope分析軟件相結合，能夠滿足用戶在數據記錄與管理、模態分析、機械故障診斷等多方面的多種要求。

（1）錘擊模態試驗 為全面了解的薄弱環節，獲取機床整機模態振型，進行整機錘擊法模態試驗，各階模態參數如表2所示。

表2 ETC系列車床各階模態參數

從前四階次（15Hz、24Hz、29Hz、50Hz）振型來看，都為機床整體運動，各部件之間相對運動不明顯，主要由底部振動，導致主軸箱剛性不足引起；第五階（87.1Hz）振型為軸箱與刀架之間存在較大的相對運動，該階振型對加工質量影響較大。

從前四階次振型來看，都為機床整體運動，各部件之間相對運動不明顯，主要由底部振動引起；第五階（87.1Hz）振型為主軸箱與刀架之間存在較大的相對運動，該階振型對加工質量影響較大。

（2）ODS試驗 為獲得機床在運作模式下整機的振動變形情況，進行ODS（Operating Deflection Shape）試驗，測試機床在2500r/min空轉時，機床的整體變形情況可從振型圖（圖略）看出。

33Hz時的ODS振型和錘擊模態28.9Hz時的振型基本一致，此時主軸和刀架、尾臺相對運動很小，對加工精度影響不大；66Hz時的振型是錘擊模態49.7Hz和87Hz耦合振型，其中49.7Hz振型影響較大；91Hz時的振型和錘擊模態87Hz時的振型基本一致，此時主軸和刀架在XY平面內相對反向運動，同時兩者在軸線方向也有相對反向運動，而且振幅較大，對加工精度影響很大。

（3）切削試驗 在同一套系統的監控下，我們進行了外圓切削及切槽試驗，無論在上述哪種切削參數下進行極限切削（最大功率、最大轉矩）試驗，都會激發出機床整機第五階（87.1Hz）的固有頻率。觀察該階振型發現，主軸箱與刀架在XY平面上相對反向擺動，同時還有軸向的相對擺動，切削時激發該頻率的工作振型嚴重地影響了切削加工精度。

（4）測試結果分析 錘擊試驗模態振型前四階振型主要由于機床地腳約束剛度不足引起，機床整體屬于剛體運動，對加工精度影響較小；第五階（87Hz）振型主軸箱與刀架有明顯相對反向運動，該振型對加工精度影響很大。

機床空運轉ODS試驗在100Hz內有三階（33Hz、66Hz、91Hz）共振頻率，其中前兩階（33Hz、66Hz）為轉速的基頻和二倍頻，第三階（91Hz）共振頻率的模態振型為錘擊試驗的第五階（87Hz）振型，說明在空運轉情況下就可以激發出機床第五階（87Hz）固有頻率所對應的振型，可以推斷出該階振型對整機影響明顯。

進行外圓切削試驗，發現以固有頻率轉速進行切削時，除了所對應階次的固有頻率以外，還會出現第五階（87Hz）固有頻率；進行切槽試驗時發生切削顫振，最大振動速度的頻率在89Hz，也在第五階（87Hz）附近；可以推斷出切削時機床第五階（87Hz）固有頻率很容易被激發，而該階振動對加工精度影響很大。

根據試驗結果，我們分析振源應該來自主電動機，由于電動機與主軸帶輪傳動比是1∶2，主軸轉速在4000r/min，而主電動機轉速8000r/min時，我們單獨對電動機+帶輪做了動平衡后再次高轉速切削，暗影消失。

5.結語

影響數控機床精車外圓、端面“竹節紋”、暗影問題應該為以下三點：

（1）精車端面竹節紋，主要是X軸運行不流暢，存在蹩勁阻滯現象。

（2）高速精車外圓有暗影，主電動機導致的整機激振是原因之一，主軸箱主軸套件不平衡導致整機振動是原因之二， Z軸運行不流暢，有蹩勁現象是另外一個原因。

我們進而在裝配規程中對兩軸的裝配進行重點控制，兩軸（X、Z）絲杠旋轉要松緊一致，輕松自如，主電動機帶輪做動平衡檢驗，同時對機床做高轉速下的整機動平衡，保證主軸在高速旋轉時機床平穩。至此，問題得到解決。