主轴动平衡和转速对表面粗糙度的影响测试*

刘 阔

(沈阳机床(集团)有限责任公司 高档数控机床国家重点实验室，沈阳 110142)

0 引言

金属零件的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面层的质量。研究机械加工表面质量的目的是为了掌握机械加工中各种工艺因素对加工表面质量影响的规律，以便运用这些规律来控制加工过程，最终达到改善表面质量、提高产品使用性能的目的。

表面质量的影响因素较为复杂，包括刀具质量、润滑液的选择、工件材料、工艺参数的选择等各种因素。国内外一些学者对表面质量的影响因素进行了研究。赵惠英等［1］研究了影响超高速加工表面质量的若干因素，指出了提高加工表面质量的核心是降低各子集的分维数。曾谊晖等［2］研究了CVD 金刚石薄膜刀具对工件表面质量的影响，提出了刀具的新型沉积工艺方法。郑文玉［3］论述了切削参数、刀具、工件材料对高速切削表面质量的影响，但是没有试验数据支撑。毛文亮等［4］分析了铝合金高速切削时的表面粗糙度影响因素。O.B.Abouelatta 等［5］研究了通过切削参数和刀具振动预测车削时的粗糙度的方法。Tuˇgrul Özel 等［6］研究了应用神经网络预测硬车削时表面粗糙度和刀具磨损的方法。P. G. Benardos 等［7］论述了数控加工过程中对表面粗糙度的预测方法并给出了具体建议。

在本文中，重点研究主轴参数对表面质量的影响，通过试验和分析为主轴参数的选择提供依据。

1 测试方案

本试验在某立式铣削加工中心上进行。机床结构为十字滑台结构，主轴在Z轴上实现上下移动，工件在X和Y轴上实现水平方向的移动。

为了实现主轴动平衡对表面粗糙度的影响测试，通过对主轴配重孔进行加钉的方式调整主轴的动平衡量分别进行铣削，以实现定量化测试及影响分析。

另外，调整主轴转速进行铣削，以实现转速对表面粗糙度的定量化测试及影响分析。

主轴动平衡量通过申克现场动平衡仪进行测试，测试精度为±5%，测试频率为2～10000Hz。采用试重法对机床进行动平衡测试。在主轴前端面处布置加速度传感器，分别在1000rpm ，3000rpm ，5000rpm 转速下，利用现场动平衡仪测试其振动速度。经过测试得到初始的振动速度和相位值，在主轴端进行配重，测试得到一次配重的不平衡量。利用天平进行称重，通过改变不同相位的质量测试不平衡量的大小，然后进行工件切削试验，采用Marh 粗糙度仪测试工件的表面粗糙度。

动平衡试验现场如图1 所示。

图1 动平衡测试现场

2 动平衡对表面粗糙度的影响测试

通过在主轴端面配重改变其不平衡质量，配重孔如图2 所示。采用三个顶丝在主轴端面进行配重，每个顶丝质量2.35g。

图2 主轴动平衡调整示意图

设置主轴转速为3000r/min，切削参数分别为:切宽0.2mm，切深15mm，进给速度280mm/min。在主轴端面的四种不同相位(30°、120°、210°、300°)安装顶丝，对应的动不平衡量分别为:12.22g，24g，26g，8.12g。通过加速度传感器得到对应的主轴振幅分别为0.28μm，0.507μm，0.596μm，0.186μm。

在四种不平衡量状态下分别进行立铣削，得到的铣削表面如图3 所示。图中，从上到下分别对应动不平衡量12.22g，24g，26g，8.12g。

图3 铣削工件表面形貌图

每次铣削完成后利用粗糙度仪测试铣削表面的粗糙度Ra，如图4 和图5 所示。

图4 动平衡量与表面粗糙度的关系(主轴转速:3000rpm)

图5 主轴振幅与表面粗糙度的关系(主轴转速:3000rpm)

3 转速对表面粗糙度的影响测试

在动不平衡量分别为24g 和8.12g 的情况下，在1000r/min，3000r/min，5000r/min 转速下分别进行铣削试验，三种转速下采用的切削参数相同。切削完成后利用粗糙度仪测试铣削表面的粗糙度Ra，如图6 所示。

4 结果分析及建议

从图4 和图5 可以看出，所加工工件的表面粗糙度受到主轴不平衡量的影响，而且动不平衡量越大，主轴端振动越大，表面粗糙度越大。

从图6 可以看出，在相同的切削条件下，主轴转速越大，工件的表面粗糙度数值Ra越小。

主轴转速不同，主轴的动态误差(径向异步误差)不同，表面粗糙度不同，且转速对表面质量的影响远大于动不平衡量的影响。从文献［8］可以看出，不同转速的径向异步误差是不同的，且并非呈线性关系，因此根据图6 不能得出主轴转速越高表面粗糙度越好的结论。

从以上试验结果可以看出，主轴动平衡水平和主轴转速都对表面粗糙度有影响，且转速的影响远大于主轴动平衡因素。因此，为了提高加工中心的铣削质量，需要对外购主轴进行入厂检验，同时在铣削加工过程中选择最优的主轴转速进行加工以提高表面质量。

5 结束语

本文分析了目前对加工工件表面粗糙度影响因素研究的现状，针对目前缺乏主轴动平衡和转速对表面粗糙度影响的状况，设计了一套试验方案。通过人为调整主轴动平衡量的方式进行铣削试验，建立了立式铣削加工中心的主轴动平衡量与表面粗糙度的关系。通过在不同转速下进行铣削试验，建立了立式铣削加工中心的主轴转速与表面粗糙度的关系。最后，将两种因素的影响大小进行了对比，为机床的配置要求和工艺参数的选择提供参考。

［1］赵惠英，贺大兴，赵松伦，等. 超精密加工的发展状况及影响表面质量若干因素的分析［J］. 精密测量与微纳技术，2004 (8):31 -33.

［2］曾谊晖，刘忠，罗飞霞，等. CVD 金刚石薄膜涂层刀具精密切削表面质量的研究［J］. 制造技术与机床，2004(9):98 -99.

［3］郑文玉. 高速切削表面完整性研究［J］. 煤矿机械，2012，33(6):148 -150.

［4］毛文亮，杨小平，邹山梅. 铝合金高速切削表面粗糙度影响因素研究［J］. 机械研究与应用，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 Özel，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.