鋁車輪切削加工振動及模態(tài)分析

■中信戴卡股份有限公司 （河北秦皇島 066011） 蔡衛(wèi)民 于志遠(yuǎn) 鄭 堯 王亞軍

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1.鋁車輪切削振動原因

根據(jù)加工現(xiàn)場統(tǒng)計，鋁車輪在加工過程中，內(nèi)、外輪輞振刀，胎圈座振刀、正面振刀較為常見，其主要原因是機(jī)床、工件和刀具三個系統(tǒng)中任一個或多個系統(tǒng)剛性不足，刀具切削產(chǎn)生的激振力與任一或多個系統(tǒng)固有頻率相同或接近，從而產(chǎn)生共振。

（1）機(jī)床原因。機(jī)床本身的精度對加工的穩(wěn)定性有著重要的影響，除此之外，機(jī)床導(dǎo)軌的磨損也會造成刀塔在加工過程中發(fā)生振動，從而在加工表面產(chǎn)生不一致的刀紋。定位裝置及夾緊系統(tǒng)的精度對鋁車輪的定位產(chǎn)生影響，如果定位塊精度低或定位塊和鋁車輪之間夾雜有鋁屑，會造成加工過程刀具切削厚度不一致，引發(fā)系統(tǒng)振動；如果夾爪的夾緊力不足或夾緊裝置螺栓發(fā)生松動，會造成加工過程鋁車輪發(fā)生上下竄動，引發(fā)系統(tǒng)振動。

（2） 刀具原因。刀具系統(tǒng)的剛性不足也會引發(fā)系統(tǒng)振動。如果刀桿或刀片安裝螺栓緊固效果不好，會造成加工過程刀具發(fā)生振顫，引發(fā)系統(tǒng)振動。如果刀桿過長，會造成刀具剛性不足，引發(fā)振動。如果刀具磨損量過大，刀具鋒利性不夠，會造成刀具切削力波動性增強(qiáng)，引發(fā)系統(tǒng)振動，因此有必要定期檢查刀片磨損量，定期更換刀片。

（3）工件原因。工件在夾緊狀態(tài)下的剛性對于系統(tǒng)振動有著重要影響。鋁合金車輪的機(jī)加工過程主要包括兩個工序，分別為車削一序、車削二序。鋁車輪定位夾緊方式如圖1所示，一序加工軸向采用軸向塊定位，定位位置為外輪緣端面，徑向采用徑向塊定位，定位位置為外輪緣外側(cè)，通過壓爪對外輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行夾緊；二序加工軸向采用軸向塊定位，定位位置為內(nèi)輪緣端面，徑向采用心軸定位，定位位置為中心孔內(nèi)表面，通過壓爪對內(nèi)輪緣內(nèi)側(cè)進(jìn)行夾緊。

圖1 鋁車輪定位夾緊方式

2. 鋁車輪夾緊狀態(tài)下模態(tài)分析

（1）有限元模型建立。通過CATIA軟件建立鋁合金車輪的三維模型，在Workbench中建立模態(tài)分析模塊，將三維模型導(dǎo)入。對模型進(jìn)行材料設(shè)置，材料參數(shù)如表1所示。分別設(shè)置車削一序和車削二序的邊界條件。對定位位置施加位移約束，限制其定位方向的位移，對夾緊位置施加固定約束，限制其所有自由度。

（2）車削一序模態(tài)分析。由于低階模態(tài)具有較大現(xiàn)實(shí)意義，故提取前6階模態(tài)進(jìn)行分析。車削一序的頻率值如表2所示，模態(tài)振型圖如圖2。

由表2和圖2可知，1階模態(tài)為法蘭及輪輻內(nèi)側(cè)部位的振動，振動方向沿法蘭軸向，2階、3階模態(tài)頻率相近，均為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動，振動模式為徑向三角形振動，4階、5階模態(tài)頻率相近，也為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動，振動模式為徑向四邊形振動，6階模態(tài)為輪輞靠近內(nèi)輪緣部位的振動，振動模式為徑向橢圓振動。

表1 鋁合金材料參數(shù)

表2 車削一序的頻率值

表3 車削二序的頻率值

進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，2~6階模態(tài)振型具有相似性，即輪輞靠近內(nèi)輪緣部位振動較明顯，這是由于該部位遠(yuǎn)離鋁車輪夾緊部位，且輪輞壁厚較薄，整體剛性不足，在加工過程中易產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。

（3）車削二序模態(tài)分析。車削二序的頻率值如表3所示，模態(tài)振型圖如圖3所示。

由表3和圖3可知，1階、2階模態(tài)頻率接近，振型均為正面輪輻部位的振動，振動方向沿法蘭軸向，二者具有相似性，只是徑向部位相差90°。3~6階模態(tài)頻率接近，振型分別為輪輞中部沿各個方向的扭曲變形。

進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，鋁車輪在二序車削過程中，正面輪輻部位和輪輞中部屬于薄弱環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場加工過程中，鋁車輪正面會出現(xiàn)刀紋不一致、表面質(zhì)量差等問題，分析可知，這可能是由于刀具在切削過程中切削參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，加之切削表面的不連續(xù)性，引發(fā)系統(tǒng)振動所致。

圖2 車削一序模態(tài)振型

圖3 車削二序模態(tài)振型圖

3.鋁車輪切削振動的預(yù)防措施

由于切削振動產(chǎn)生原因的多樣性，首先應(yīng)找到引發(fā)振動的具體原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防措施，從根源上減小切削振動對成品率的影響，具體的預(yù)防措施如圖4所示，分別從機(jī)床、刀具、工件三個方面采取相應(yīng)預(yù)防措施，保證加工前機(jī)床及刀具處于最優(yōu)狀態(tài)，盡量在加工前消除或減小發(fā)生振動的隱患，提高產(chǎn)品的成品率。

4.結(jié)語

圖4 鋁車輪切削振動的預(yù)防措施

本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對鋁車輪振刀原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出相應(yīng)預(yù)防及解決措施，進(jìn)一步利用有限元軟件，對鋁車輪夾緊狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了鋁車輪在加工狀態(tài)下的頻率及振型分布，并指出了鋁車輪加工過程易發(fā)生振動的薄弱部位，薄弱環(huán)節(jié)具體為車削一序的法蘭及輪輞靠近內(nèi)輪緣部位，車削二序的正面及輪輞中部位置。鋁車輪切削加工過程的模態(tài)分析為鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計及切削工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)，同時提出鋁車輪切削振動的預(yù)防及解決措施。