主軸動平衡和轉速對表面粗糙度的影響測試*

劉 闊

(沈陽機床(集團)有限責任公司 高檔數控機床國家重點實驗室，沈陽 110142)

0 引言

金屬零件的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面層的質量。研究機械加工表面質量的目的是為了掌握機械加工中各種工藝因素對加工表面質量影響的規律，以便運用這些規律來控制加工過程，最終達到改善表面質量、提高產品使用性能的目的。

表面質量的影響因素較為復雜，包括刀具質量、潤滑液的選擇、工件材料、工藝參數的選擇等各種因素。國內外一些學者對表面質量的影響因素進行了研究。趙惠英等［1］研究了影響超高速加工表面質量的若干因素，指出了提高加工表面質量的核心是降低各子集的分維數。曾誼暉等［2］研究了CVD 金剛石薄膜刀具對工件表面質量的影響，提出了刀具的新型沉積工藝方法。鄭文玉［3］論述了切削參數、刀具、工件材料對高速切削表面質量的影響，但是沒有試驗數據支撐。毛文亮等［4］分析了鋁合金高速切削時的表面粗糙度影響因素。O.B.Abouelatta 等［5］研究了通過切削參數和刀具振動預測車削時的粗糙度的方法。Tuˇgrul ?zel 等［6］研究了應用神經網絡預測硬車削時表面粗糙度和刀具磨損的方法。P. G. Benardos 等［7］論述了數控加工過程中對表面粗糙度的預測方法并給出了具體建議。

在本文中，重點研究主軸參數對表面質量的影響，通過試驗和分析為主軸參數的選擇提供依據。

1 測試方案

本試驗在某立式銑削加工中心上進行。機床結構為十字滑臺結構，主軸在Z軸上實現上下移動，工件在X和Y軸上實現水平方向的移動。

為了實現主軸動平衡對表面粗糙度的影響測試，通過對主軸配重孔進行加釘的方式調整主軸的動平衡量分別進行銑削，以實現定量化測試及影響分析。

另外，調整主軸轉速進行銑削，以實現轉速對表面粗糙度的定量化測試及影響分析。

主軸動平衡量通過申克現場動平衡儀進行測試，測試精度為±5%，測試頻率為2～10000Hz。采用試重法對機床進行動平衡測試。在主軸前端面處布置加速度傳感器，分別在1000rpm ，3000rpm ，5000rpm 轉速下，利用現場動平衡儀測試其振動速度。經過測試得到初始的振動速度和相位值，在主軸端進行配重，測試得到一次配重的不平衡量。利用天平進行稱重，通過改變不同相位的質量測試不平衡量的大小，然后進行工件切削試驗，采用Marh 粗糙度儀測試工件的表面粗糙度。

動平衡試驗現場如圖1 所示。

圖1 動平衡測試現場

2 動平衡對表面粗糙度的影響測試

通過在主軸端面配重改變其不平衡質量，配重孔如圖2 所示。采用三個頂絲在主軸端面進行配重，每個頂絲質量2.35g。

圖2 主軸動平衡調整示意圖

設置主軸轉速為3000r/min，切削參數分別為:切寬0.2mm，切深15mm，進給速度280mm/min。在主軸端面的四種不同相位(30°、120°、210°、300°)安裝頂絲，對應的動不平衡量分別為:12.22g，24g，26g，8.12g。通過加速度傳感器得到對應的主軸振幅分別為0.28μm，0.507μm，0.596μm，0.186μm。

在四種不平衡量狀態下分別進行立銑削，得到的銑削表面如圖3 所示。圖中，從上到下分別對應動不平衡量12.22g，24g，26g，8.12g。

圖3 銑削工件表面形貌圖

每次銑削完成后利用粗糙度儀測試銑削表面的粗糙度Ra，如圖4 和圖5 所示。

圖4 動平衡量與表面粗糙度的關系(主軸轉速:3000rpm)

圖5 主軸振幅與表面粗糙度的關系(主軸轉速:3000rpm)

3 轉速對表面粗糙度的影響測試

在動不平衡量分別為24g 和8.12g 的情況下，在1000r/min，3000r/min，5000r/min 轉速下分別進行銑削試驗，三種轉速下采用的切削參數相同。切削完成后利用粗糙度儀測試銑削表面的粗糙度Ra，如圖6 所示。

4 結果分析及建議

從圖4 和圖5 可以看出，所加工工件的表面粗糙度受到主軸不平衡量的影響，而且動不平衡量越大，主軸端振動越大，表面粗糙度越大。

從圖6 可以看出，在相同的切削條件下，主軸轉速越大，工件的表面粗糙度數值Ra越小。

主軸轉速不同，主軸的動態誤差(徑向異步誤差)不同，表面粗糙度不同，且轉速對表面質量的影響遠大于動不平衡量的影響。從文獻［8］可以看出，不同轉速的徑向異步誤差是不同的，且并非呈線性關系，因此根據圖6 不能得出主軸轉速越高表面粗糙度越好的結論。

從以上試驗結果可以看出，主軸動平衡水平和主軸轉速都對表面粗糙度有影響，且轉速的影響遠大于主軸動平衡因素。因此，為了提高加工中心的銑削質量，需要對外購主軸進行入廠檢驗，同時在銑削加工過程中選擇最優的主軸轉速進行加工以提高表面質量。

5 結束語

本文分析了目前對加工工件表面粗糙度影響因素研究的現狀，針對目前缺乏主軸動平衡和轉速對表面粗糙度影響的狀況，設計了一套試驗方案。通過人為調整主軸動平衡量的方式進行銑削試驗，建立了立式銑削加工中心的主軸動平衡量與表面粗糙度的關系。通過在不同轉速下進行銑削試驗，建立了立式銑削加工中心的主軸轉速與表面粗糙度的關系。最后，將兩種因素的影響大小進行了對比，為機床的配置要求和工藝參數的選擇提供參考。

［1］趙惠英，賀大興，趙松倫，等. 超精密加工的發展狀況及影響表面質量若干因素的分析［J］. 精密測量與微納技術，2004 (8):31 -33.

［2］曾誼暉，劉忠，羅飛霞，等. CVD 金剛石薄膜涂層刀具精密切削表面質量的研究［J］. 制造技術與機床，2004(9):98 -99.

［3］鄭文玉. 高速切削表面完整性研究［J］. 煤礦機械，2012，33(6):148 -150.

［4］毛文亮，楊小平，鄒山梅. 鋁合金高速切削表面粗糙度影響因素研究［J］. 機械研究與應用，2004(5):53 -55.

［5］ O. B. Abouelatta，J. Mádl. Surface roughness prediction based on cutting parameters and tool vibrations in turning operations［J］. 2001，118(3):269 -277.

［6］Tuˇgrul ?zel，Yiˇgit Karpat. Predictive modeling of surface roughness and tool wear in hard turning using regression and neural networks［J］. 2005，45(4):467 -479.

［7］P.G. Benardos，G. C. Vosniakos. Predicting surface roughness in machining:a review［J］. 2003，43(8):833 -844.

［8］LIU Kuo，LIU Chunshi，TAN Zhi，et al. Test and Analysis of Machine Center’s Principal Spindle Dynamic Errors［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，364:163 -166.