基于包絡解調分析法的數控車床鏜孔振紋分析與改進

霍洪旭 蔚 鑫

（①通用技術集團機床工程研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110142；②安朗杰安防技術（中國）有限公司，上海 200051）

數控車床在加工中，主軸振動會直接影響工件的加工質量。振動嚴重時，產生大量噪聲，危害操作者身體健康[1-2]。高精密主軸軸承是數控車床主軸的重要組成部分，長期使用的高精密主軸軸承可能發生損傷，從而引起切削加工的振動，會在工件表面形成振紋（顫紋），降低被加工工件質量，甚至降低刀具的使用壽命。

許多學者已經在切削振動方面做出了一些研究。凌益民等人以VMC850E 為研究對象，設計了一種外加阻尼器用來吸收主軸振動的能量[3]。姜廣君等人設計了一種基于時間卷積網絡的軸承RUL 預測模型，且預測精度優于其他現有方法[4]。張政君等人提出了一種基于時頻圖與雙通道卷積神經網絡的軸承故障識別方法，具有較高的準確率和穩定性[5]。卞文彬等人基于稠密連接模塊的改進深度殘差收縮網絡，實現不同負載工況下滾動軸承故障的高效診斷[6]。

本文針對HoriTurn125500F 臥式數控車床加工工件振紋故障，通過多次的、分步的分析機床產生振動的原因，并利用包絡解調分析法，同主軸故障特征頻率進行對比，辨識得到切削件波紋故障源。并通過軸承拆卸和切削實驗，驗證了本文故障辨識方法的有效性。

1 故障現象描述

某軍工企業在加工某型號材料為特炮鋼的炮尾，利用工裝旋轉加工有孔的兩面、?140 mm 內孔及梯形螺紋。設備主軸轉速120 r/min，進給速度0.3 m/min，切深1 mm。鏜刀桿為570-80-20-2020R山特維克?80 mm 防震鏜刀桿和570-3C1502400R 矩形刀柄接桿，探出長度670 mm。工件內孔表面產生振紋，且每個振紋間距基本相等，呈現等間距特點，如圖1 所示。

圖1 故障現場和工件表面

2 鏜孔振紋分析和改進

首先梳理總結了常見的幾種可能導致加工件波紋的機械結構故障源，并按照由簡至繁的次序進行初步辨識[7]，包括地腳與地基、主軸單元、齒輪變速箱和主電機等。

（1）機床地腳螺栓和地基故障。機床一階頻率，對應的模態振型為機床整體繞地腳前后擺動，可通過優化床身地腳處結構或選用減振墊鐵，來降低前后擺動的幅值，減弱或者消除精密車削中的視覺波紋[8]。

與此同時，機床地基必須有足夠的剛度，以保證機床移動部件運動及承載工作壓力時的偏移量，需參照“GB 50040—2020 動力機器基礎設計標準”要求檢驗。

（2）齒輪故障。齒輪組是改變轉速、扭矩的重要組件。常見齒輪故障為斷齒和磨損。斷齒是疲勞過度以及負載過大，造成疲勞斷裂，從而導致齒輪箱振動信號呈現出明顯沖擊。由硬質顆粒引起的接觸面磨損，以及潤滑問題所產生的磨損稱為非正常磨損，常伴隨著無規律的振動頻率[9]。

（3）有效地降低振動源的傳播。受加工誤差、偏心等因素影響，主軸箱會在窄V 帶的高速傳動中引起振動。當激振頻率接近固有頻率時，窄V 帶將出現強烈的橫向振動。為此，將電機振動源遠離主機能夠有效減輕振紋。目前，主電機常采用掛式或落地式安裝方式，如圖2 所示。其中掛式安裝通過減震膠墊阻礙振動的傳播，使其結構緊湊、便于發運；落地式安裝通過化學螺栓與地基相連，激光對中儀進行精確對中，從源頭上解決振動的結構傳播。

圖2 主電機安裝方式

（4）進給軸部件剛性檢測。為防止加工時進給軸組件存在間隙，使振動引起的結構件安裝不牢，對運行中的進給軸組件進行剛性檢測，如圖3 所示。

圖3 進給軸組件剛性檢測

（5）采用被動抑制法檢測振動源。被動抑制法是在機床上外加吸振器或質量塊的方法來減輕機床部件的振動，此過程無外界能量供給。具體措施：主軸箱增加配重和非刀片端刀桿增加配重或磁鐵，如圖4 所示。

圖4 被動抑制法檢測振動源

（6）提高主軸箱剛性支撐。對主軸箱側面做加強支撐機構，可減緩因主軸箱剛性不足而產生的自激振動。主軸箱表面打磨掉原漆后使用TS316 減摩涂層膠水，使支撐機構同主軸箱和床身固定，如圖5 所示。

圖5 主軸箱支撐機構

經過分析發現，常規的檢測判斷振動來源同主軸箱、主電機、滑鞍組件、刀桿等無關，進一步判斷振動來源很大可能是主軸和主軸軸承，為此需要專用工裝檢測主軸剛性和采用主軸振動信號進行時頻域分析，來判斷波紋故障來源。

3 卡盤浮動支撐工裝與包絡解調分析法

3.1 卡盤浮動支撐工裝檢測主軸剛性

工件懸出過長，易使主軸產生疲勞和形變。為判斷加工振紋是否受主軸剛性影響，采用卡盤浮動支撐工裝，可通過工裝前后被加工件表面質量診斷振紋。

卡盤浮動支撐工裝由底板、碟簧組及碟簧座、導向軸及滑動軸承、左右自潤滑支撐滾輪組及水平調整支架等組成，如圖6 所示。通過調整兩個滾輪之間的距離來調節支撐力，浮動機構依靠碟簧產生浮動頂緊力。實驗發現：此結構能夠間接提高主軸剛性和緩解刀紋的深度，但不能消除振紋的寬度。說明鏜孔振紋緣由與主軸剛性無關，需要進一步對主軸軸承進行檢測。

圖6 卡盤浮動支撐工裝

3.2 包絡解調分析法

主軸軸承是傳動系統中的重要精密部件，且又較為薄弱。由于受到車削載荷和潤滑等因素的影響，低轉速軸承會產生磨損，引發低頻振動[10]。引起的沖擊信號往往會激起高頻固有頻率，即低頻故障信號作為某高頻載波的邊頻出現。因此，對于這種出現調制現象的故障信號，往往需要通過包絡進行分析診斷[11-12]。

包絡解調分析法是提取附在高頻信號上的低頻信號。當主軸支撐軸承出現局部磨損時，伴隨切削加工產生周期性脈沖沖擊力，激起機床的高階固有振動。以高頻固有振動為研究對象，采用高通濾波將其從信號中提取出來。然后通過包絡檢波，提取周期脈沖對應的包絡信號，對包絡信號進行頻譜分析便能將與故障有關的信號從高頻調制信號中提取出來，快速而正確地診斷出故障發生的部位，避免了與其他低頻干擾的混淆，其原理示意圖如圖7所示[10]。

圖7 包絡解調分析法

為進一步分辨主軸故障的具體故障源，以便于后續開展檢修工作，需根據軸承參數進行參數測量和故障特征頻率計算。

3.3 主軸軸承參數測量

出現故障的臥式數控車床主軸為機械式變檔主軸，最高轉速nmax=250 r/min，其總體結構如圖8 所示。主軸軸承幾何參數見表1。

表1 主軸軸承參數

圖8 主軸軸承分布圖

3.4 故障特征頻率計算

文獻[9]給出的機床主軸軸承故障特征頻率計算方法見式（1）～式（6）。

軸承內圈轉動頻率：

一個滾動體通過內環上一損傷點的頻率：

Z個滾動體通過內環上一損傷點的頻率：

一個滾動體通過外環上一損傷點的頻率：

Z個滾動體通過外環上一損傷點的頻率：

軸承滾動體上的一損傷點通過內環或外環的頻率：

式中：d為滾動體直徑；D為軸承節徑；α為軸承接觸角；Z為滾動體個數。

根據式（1）～式（6），以及表1 中主軸軸承參數，計算得到主軸故障特征頻率，見表2。

表2 主軸軸承參數

4 試驗驗證

為進一步辨識加工振紋故障源，采用LC-810型振動信號采集分析儀，高通濾波和分析頻率設置到1 kHz，并開啟包絡和抗混濾波，如圖9 所示。試驗遵循傳遞路徑最短、測點剛度最大兩條原則，對主軸箱靠近主軸軸承位置進行主軸空載振動采集。

圖9 振動試驗設備

對主軸前端和后端振動信號進行采集，數據見表3。前端和后端振動信號頻率均值分別為22.37 Hz和45.94 Hz。根據表2 中主軸軸承故障特征頻率計算結果發現：NN3048 的雙列圓柱滾子軸承滾動體和NU1038 的單列圓柱滾子軸承外圈故障特征頻率分別為22.127 Hz 和44.792 Hz，與實驗獲取的主軸振動信號監測結果中的故障特征頻率基本一致。因此故障源為：主軸存在雙列圓柱滾子軸承滾動體和單列圓柱滾子軸承外圈故障。

表3 主軸振動信號進行采集數據

4.1 主軸拆卸

為進一步辨識、檢驗故障源是雙列圓柱滾子軸承，還是單列圓柱滾子軸承，甚至是兩者均發生故障，現場對該軸承進行拆解。從圖10 可以明顯看出，軸承的外圈和滾動體存在嚴重的磨損。如果該軸承繼續服役，很可能引起燒瓦、抱軸，并導致重大的安全事故[13]。

圖10 主軸軸承磨損

4.2 切削實驗驗證

為進一步檢驗數控機床切削振紋的故障源是否為主軸軸承，本文將NU1038 單列圓柱滾子軸承更換為高預緊力31038P4DB 的角接觸軸承，并更換NN3048 軸承。重新裝配精密機械主軸，并完成切削加工實驗。實驗條件：主軸轉速120 r/min，進給量Fs=0.3 mm/r，切深1 mm。切削件局部效果對比如圖11 所示，可以看出，更換故障軸承后，能有效消除加工件表面振紋現象。

圖11 切削件效果對比

綜上所述，將本文通過包絡解調分析法辨識得到主軸軸承故障源，替換后確實有效地消除了切削件表面的振紋現象，驗證了本文包絡解調分析法的有效性。

5 結語

（1）通過安裝卡盤浮動支撐工裝，對比切削效果，發現該裝置能夠間接提高主軸剛性和減小刀紋的深度，但振紋的寬度不能改變。進一步說明鏜孔振紋緣由與主軸剛性無關。

（2）基于包絡解調分析法，通過LC-810 型振動信號采集分析儀對主軸前端和后端振動信號進行采集，均值分別為22.37 Hz 和45.94 Hz。同NN3048和NU1038 軸承計算故障特征頻率22.127 Hz 和44.792 Hz 相近。更換高預緊力31038P4DB 的角接觸軸承和NN3048 軸承后，對比試驗效果明顯。

（3）包絡解調法能夠有效提取載附在高頻信號的低頻信號，是滾動軸承診斷中一種有效方法，在故障診斷分析領域中非常具有前景。