董維新 胡萬良 李云霞

(陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司，陜西寶雞 721009)

大型數(shù)控銑齒機(jī)是在傳統(tǒng)的銑齒機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，作為大型、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床，其工作性能指標(biāo)要求也大大提高.比如，作為一臺(tái)自動(dòng)化的機(jī)床，為了保證機(jī)床在各種工況下的加工穩(wěn)定性，不僅要求機(jī)床結(jié)構(gòu)具有良好的靜態(tài)特性，而且更要具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

國內(nèi)外學(xué)者針對機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了大量的成果［1－9］。例如，早在上世紀(jì)80 年代初，Cleek，A.L.和 Pacelic，V.對數(shù)控加工中心進(jìn)行了結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)以及模態(tài)分析，總結(jié)出機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是決定其結(jié)構(gòu)性能的重要因素，利用測量裝置得出了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性和振型。

本文針對某大型數(shù)控銑齒機(jī)動(dòng)態(tài)性能、提高加工精度等問題，參考國內(nèi)外相關(guān)研究方法，考察其在實(shí)際切削過程中，面臨各種外界干擾以及靜態(tài)或動(dòng)態(tài)力的作用下，機(jī)床將會(huì)出現(xiàn)哪些振動(dòng)響應(yīng)，是否影響加工精度，是否影響到切削加工無法繼續(xù)進(jìn)行，繼而進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析，看是否可以找到其成因，為提高機(jī)床整體動(dòng)態(tài)性能，減小振動(dòng)提供依據(jù)。

1 振動(dòng)測試方案

機(jī)床加工中出現(xiàn)的振動(dòng)按原因可分為自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)3種［9－11］。對于精密機(jī)床，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下考慮切削效率;相反，對于粗加工機(jī)床，應(yīng)在保證切削效率的前提下考慮加工質(zhì)量;對于普通機(jī)床以及目前正在發(fā)展的粗精加工都能使用的機(jī)床，應(yīng)兩者兼顧。切削過程中的振動(dòng)較為復(fù)雜，是各種振動(dòng)因素的疊加。因此，對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測試，找出響應(yīng)振源并改進(jìn)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，可以達(dá)到減振提高加工質(zhì)量的目的。

如圖1所示，對機(jī)床進(jìn)行切削振動(dòng)測試，可以判別出振動(dòng)的類型。首先對機(jī)床停止時(shí)的外界干擾引起的振動(dòng)進(jìn)行測量，再測出空轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)。對于頻率與各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速有關(guān)的振動(dòng)，就可以認(rèn)為是其中的受迫振動(dòng)。對于頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)而與機(jī)床各零、部件的固有頻率有關(guān)的振動(dòng)，就可認(rèn)為是其中的自激振動(dòng)。

2 切削試驗(yàn)

圖2為數(shù)控銑齒機(jī)整機(jī)裝配圖，為找出切削加工中各振動(dòng)量的大小及振源，分別對各轉(zhuǎn)速調(diào)試過程中的銑齒機(jī)進(jìn)行了停機(jī)測試試驗(yàn)、空轉(zhuǎn)試驗(yàn)以及切削試驗(yàn)。測試的重點(diǎn)是刀架系統(tǒng)，因?yàn)樗羌庸は到y(tǒng)的最主要部分，其與工件直接接觸，最終影響加工精度。刀架雙擺結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)布置如圖3所示。

機(jī)床雙擺結(jié)構(gòu)為多軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為詳細(xì)測試出雙擺結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的振動(dòng)量大小以找出主要振動(dòng)來源，在每個(gè)部件上X、Y、Z方向上均布置傳感器。測試系統(tǒng)中單向傳感器11個(gè)(布置于雙擺上)，三向傳感器1個(gè)(布置于工件正對切削位置)，共占用14個(gè)通道?，F(xiàn)場測試模型如圖4所示。

按測點(diǎn)號(hào)連接好傳感器和儀器，根據(jù)靈敏度及增益標(biāo)定各個(gè)通道后。進(jìn)行采樣示波，調(diào)整各通道輸入輸出的增益大小，使信號(hào)不致過大超過量程或過小，以防有效信號(hào)分辨率低。根據(jù)理論分析得到的前六階固有頻率的頻率范圍，設(shè)定分析頻率為500 Hz。

2.1 停機(jī)測試

進(jìn)行停機(jī)測試試驗(yàn)可以找出機(jī)床的外部振源，例如經(jīng)過地基傳來的振動(dòng)、電磁干擾等?？梢砸鸬恼駝?dòng)形式有自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。首先采集時(shí)域信號(hào)，為分析其中各振動(dòng)頻率分布，對時(shí)域信號(hào)作自譜分析，得到響應(yīng)頻譜，如圖5所示。

由圖5響應(yīng)頻譜可以看出，臺(tái)面響應(yīng)較小。Y、Z方向在512 Hz內(nèi)加速度響應(yīng)幅值均在1×10－3m/s2以下，X方向則在4×10－3m/s2以下。而雙擺結(jié)構(gòu)上各測點(diǎn)的幅頻特性曲線基本相近，響應(yīng)幅值較大的3、4兩測點(diǎn)加速度幅值范圍在1×10－2m/s2以下。

由a=ω2x=(2πf)2x可得到由加速度到振動(dòng)位移變換公式

式中:a為加速度;f為頻率;w為角頻率。

雙擺上測點(diǎn)出現(xiàn)明顯50 Hz峰值，分析其為交流電電磁力干擾。在3號(hào)測點(diǎn)出現(xiàn)最大峰值加速度0.006 m/s2，由式(1)計(jì)算出對應(yīng)振動(dòng)位移量6.09×10－5mm，振動(dòng)位移很小。50 Hz以后出現(xiàn)不規(guī)則寬頻激勵(lì)，振動(dòng)位移相比50 Hz時(shí)更小。綜上可得出結(jié)論:外界干擾引起的振動(dòng)量很小。

2.2 空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

根據(jù)對機(jī)床振動(dòng)類型的分析，該機(jī)床采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行切削，排除傳動(dòng)鏈產(chǎn)生的振動(dòng)。進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要目的是為了測試出各種受迫振動(dòng)振源的影響，受迫振動(dòng)的可能因素有回轉(zhuǎn)件的不平衡及空轉(zhuǎn)啟動(dòng)中外部動(dòng)力源，例如液壓、氣壓系統(tǒng)引起的交變力等。

測試過程中氣壓驅(qū)動(dòng)裝置仍打開，采用同樣的測點(diǎn)布置方案。精切加工轉(zhuǎn)速為250 r/min。得到時(shí)域信號(hào)如圖6所示。

空運(yùn)轉(zhuǎn)測試時(shí)，工件及臺(tái)面不受轉(zhuǎn)速的影響，其響應(yīng)同停機(jī)時(shí)一樣。由時(shí)域信號(hào)可以看出，仍舊是3、4測點(diǎn)響應(yīng)加速度值最大。對其進(jìn)行頻域內(nèi)自譜分析得到峰值頻率分布。由空轉(zhuǎn)頻譜可見在停機(jī)狀態(tài)下的電磁干擾被湮沒，也說明外界干擾相較自身轉(zhuǎn)速激勵(lì)而言可以忽略。雙擺結(jié)構(gòu)測點(diǎn)上具有明顯的峰值響應(yīng)，在3、4測點(diǎn)響應(yīng)峰值相對較大。為詳細(xì)分析各振動(dòng)頻率分量，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了自譜分析，如圖7所示。

由頻譜分析可以看出各測點(diǎn)具有相似的峰值頻率，說明了測試的可靠性。其中靠近切削刀具的3號(hào)測點(diǎn)相較其他測點(diǎn)峰值更大，提取其頻譜峰值加速度數(shù)據(jù)并按公式(1)計(jì)算得到其振動(dòng)位移量見表1。

表1 空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速250 r/min下振動(dòng)頻率及位移

由數(shù)據(jù)處理結(jié)果可見振動(dòng)位移量最大值為頻率4 Hz，位移大小為2.25×10－3mm?？辙D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速250 r/min對應(yīng)頻率為4.16 Hz，因數(shù)據(jù)分析頻率分辨率為1 Hz，有理由認(rèn)為4 Hz下的振動(dòng)即為不平衡質(zhì)量引起的受迫振動(dòng)。且轉(zhuǎn)速的微小跳動(dòng)，其后的9 Hz可看作轉(zhuǎn)速頻率2倍頻，且21 Hz、33Hz等都與轉(zhuǎn)速頻率有倍數(shù)關(guān)系?？蛇M(jìn)一步得出結(jié)論:振動(dòng)來源于主軸系統(tǒng)不平衡引起的受迫振動(dòng)。

2.3 切削試驗(yàn)

切削過程中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主軸變頻器在切削轉(zhuǎn)速250 r/min下頻率為12.5 Hz。測試時(shí)采用銑削加工，常用進(jìn)給量為50 mm/min。銑削切屑刀片數(shù)為4，據(jù)轉(zhuǎn)速得刀具斷續(xù)切削引起的激勵(lì)頻率為16.67 Hz。

選取試驗(yàn)號(hào)2的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，如圖8所示?？梢钥闯?，相比停機(jī)和空轉(zhuǎn)時(shí)響應(yīng)加速度值明顯提高很多。且臺(tái)面振動(dòng)響應(yīng)也有所提高，相比雙擺結(jié)構(gòu)上的測點(diǎn)而言響應(yīng)仍較小。同前一樣，3、4號(hào)測點(diǎn)響應(yīng)加速度值最大。振動(dòng)加速度范圍為±2 m/s2，其他測點(diǎn)在±1 m/s2以內(nèi)。

為得出具體峰值頻率分布，對其進(jìn)行自譜分析，如圖9所示。由全部14個(gè)通道分析結(jié)果可以明顯看出各頻譜具有很好的相似性，說明了測試結(jié)果的可靠性。臺(tái)面和雙擺結(jié)構(gòu)上測點(diǎn)也具有基本相同的峰值分布，可見在切削加工時(shí)雙擺部分和臺(tái)面部分相互作用，各結(jié)構(gòu)部件組成切削系統(tǒng)。

頻譜中出現(xiàn)明顯的峰值頻率，且14個(gè)通道測點(diǎn)的頻譜中的峰值頻率分布基本一致。對比發(fā)現(xiàn)，臺(tái)面峰值響應(yīng)相對雙擺結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)差3個(gè)數(shù)量級，相比雙擺小得多。

切削試切過程中，在加工小曲率位置時(shí)進(jìn)給量為50 mm/min，而在加工齒輪曲面拐點(diǎn)也即大曲率圓弧時(shí)為了切除較多材料進(jìn)給量設(shè)定為68 mm/min。且現(xiàn)場可明顯感覺到在加工大曲率圓弧時(shí)振動(dòng)大。因此有必要對兩數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，每組試驗(yàn)中均是3號(hào)測點(diǎn)響應(yīng)峰值最大，2號(hào)試驗(yàn)為加工小曲率半徑，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到位移響應(yīng)頻率分布。

表2 加工小曲率位置振動(dòng)頻率及位移

由數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，位移最大幅值出現(xiàn)在17 Hz，切削激勵(lì)頻率。位移值為1.651 7×10－2。比空轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)位移高出一個(gè)數(shù)量級。其后出現(xiàn)的33 Hz、50 Hz為切削激勵(lì)頻率的倍頻，振動(dòng)位移與比17 Hz時(shí)低一個(gè)數(shù)量級。5號(hào)試驗(yàn)為加工大曲率半徑，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作對比分析，如表3所示。

由加工大曲率半徑位置的分析結(jié)果，最大位移響應(yīng)出現(xiàn)在16 Hz。因頻率分辨率為1 Hz，且轉(zhuǎn)速跳動(dòng)的原因，仍可認(rèn)為其為切削激勵(lì)頻率。在2倍頻32 Hz的振動(dòng)位移量也很大，在同一數(shù)量級。其后的倍頻下振動(dòng)位移則相對較小。

表3 加工大曲率位置振動(dòng)頻率及位移

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 振動(dòng)測試結(jié)論

在以上停機(jī)試驗(yàn)、空轉(zhuǎn)試驗(yàn)及切削試驗(yàn)所有測試中均是3、4號(hào)測點(diǎn)振動(dòng)位移最大，且兩者加速度傳感器方向同向。該兩個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的是刀架的最前端，刀架作為懸臂結(jié)構(gòu)，該兩個(gè)測點(diǎn)正好對應(yīng)其最前端，同時(shí)也是最接近刀具加工區(qū)的位置。對比兩者切削時(shí)域信號(hào)對比圖如圖10所示。

由時(shí)域信號(hào)可見3、4號(hào)測點(diǎn)出現(xiàn)明顯峰值響應(yīng)的頻率基本是相同的。對比振動(dòng)相位，既有同相位峰值也有相差180°左右的峰值，也即兩測點(diǎn)有時(shí)同向達(dá)到最大位置，有時(shí)同時(shí)反向達(dá)到最大位移。由此判定電主軸部分的運(yùn)動(dòng)為既有平動(dòng)，又有繞C2軸的扭轉(zhuǎn)，因此對加工精度有很大影響。

如圖11所示，對比各個(gè)頻率下的不同工況振動(dòng)位移量，在增大進(jìn)給量加工大曲率位置時(shí)振動(dòng)位移最大，是加工小曲率位置時(shí)振動(dòng)位移的兩倍以上，且兩者的最大振動(dòng)位移均出現(xiàn)在切削激勵(lì)頻率下。由空轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值頻率可以看出，主軸系統(tǒng)本身存在不平衡問題，但引起的受迫振動(dòng)位移相對較小。

由測試結(jié)果可得出結(jié)論:外界干擾引起的振動(dòng)很小;切削中工件未出現(xiàn)明顯振紋，排除顫振的因素;根據(jù)前面對立柱部分的固有頻率分析結(jié)果，說明切削激勵(lì)頻率在結(jié)構(gòu)固有頻率共振區(qū)外，綜上也說明了切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性;回轉(zhuǎn)件不平衡引起的受迫振動(dòng)相比切削激勵(lì)引起的振動(dòng)小;切削試驗(yàn)中產(chǎn)生的振動(dòng)主要為切削激勵(lì)下的受迫振動(dòng)。

3.2 減振方案分析

根據(jù)上述分析，因主軸系統(tǒng)不平衡引起的振動(dòng)幅值很小。影響較大的因素是切削刀具安裝所出現(xiàn)的不平衡問題?？梢酝ㄟ^重新調(diào)整安裝來減小這一因素引起的振動(dòng)量。

減小因斷續(xù)切削激勵(lì)引起的受迫振動(dòng)的方法有:(1)改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大切削系統(tǒng)剛度;(2)設(shè)計(jì)隔振裝置，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效阻尼;(3)提高切削轉(zhuǎn)速或減小切削進(jìn)給量，以減小切削力;(4)或改善加工工藝，改變切削力方向使其避開結(jié)構(gòu)剛度薄弱方向。

對于前兩種方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或增加隔振器，就要增加一定的生產(chǎn)成本，而且相關(guān)動(dòng)力系統(tǒng)也需作相應(yīng)改變。第三種方案中提高切削轉(zhuǎn)速使刀具材料需要作相應(yīng)的改變，也會(huì)一定程度上提高成本，而減小切削進(jìn)給量必將影響加工效率。由于機(jī)床雙擺結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，可通過軟件程序調(diào)整加工各軸相對位置，對已在進(jìn)行加工的機(jī)床，此該方案較為可行。

4 結(jié)語

本文分析了機(jī)床振動(dòng)的形式。為找出振動(dòng)來源，對機(jī)床切削過程分別進(jìn)行了和切削試驗(yàn)。停機(jī)測試及空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外界干擾較小，在進(jìn)行了切削試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)主軸系統(tǒng)存在不平衡問題，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主要來源于主要振動(dòng)來源于切削激勵(lì)頻率引起的受迫振動(dòng)。在整個(gè)切削過程未出現(xiàn)明顯振紋，從而可以排除顫振的因素，進(jìn)一步說明了切削系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。在得到測試結(jié)果并對其進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文還提出了幾種減振方案，并對方案進(jìn)行了分析，為以后機(jī)床的振動(dòng)控制提供了一定的依據(jù)。

［1］張波，陳天寧，虎恩典，等.數(shù)控車床分體式床身結(jié)合面參數(shù)優(yōu)化識(shí)別及其動(dòng)特性分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2004(6).

［2］董凱夫.MK7132A數(shù)控臥軸矩臺(tái)平面磨床的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

［3］大久保信行.機(jī)械模態(tài)分析［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1985.

［4］大久保信行.模態(tài)分析發(fā)展綜述［J］.機(jī)械研究，1985(1).

［5］李濤.MB4250－高精度立式桁磨機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［6］Zaghbani I，Songmene V.Estimation of machine－tool dynamic parameters during machining operation through operational modal analysis［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49(12 －13):947–957.

［7］Jiang T CM A.System approach to structural topology optimization:designing optimal connections［J］.Journal of Mechanical Design，1998，(12):619－621.

［8］Myers A.Finite element analysis of the structural dynamics of a vertical milling machine［M］.Laser Metrology and Machine Performance VI.WIT Press，Southampton，2003:431 －440.

［9］楊嘯，唐恒齡，廖伯瑜.機(jī)床動(dòng)力學(xué)(Ⅰ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993:110－115.

［10］楊嘯，唐恒齡，廖伯瑜.機(jī)床動(dòng)力學(xué)(Ⅱ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993:1－98.

［11］廖伯瑜，周新民，尹志宏.現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用——建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.