王云德，胡經(jīng)瑋

（格勞博機(jī)床（大連）有限公司 研發(fā)設(shè)計(jì)部，大連 116600）

0 引言

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。為了獲得加工精度及加工效率都比較高的數(shù)控機(jī)床，在其研發(fā)過(guò)程中就必須考慮機(jī)床的振動(dòng)問(wèn)題。尤其對(duì)于高轉(zhuǎn)數(shù)、高精度的高檔數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，機(jī)床的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致主軸或工作臺(tái)的振幅超出了允許的范圍，致使零件的加工表面質(zhì)量惡化和刀具磨損，最終降低了零件的加工精度和生產(chǎn)效率。機(jī)械加工設(shè)備的振動(dòng)直接影響到加工的精度和有效性。大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)直接反映了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要信息[1]。因此，振動(dòng)分析與振動(dòng)抑制就顯得更重要。

1 UG軟件對(duì)模型的模態(tài)分析

機(jī)床的振動(dòng)問(wèn)題可以歸結(jié)為三類，分別是固有特性、動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題。這里介紹通過(guò)UG軟件，利用有限元方法，對(duì)某款加工中心機(jī)床主要組裝部件進(jìn)行模態(tài)分析的模擬仿真，得出前十階模態(tài)，其實(shí)主要影響是前三階或者前四階低頻模態(tài)。

以下為通過(guò)軟件分析得到的該款加工中心仿真結(jié)果。得到了它的前10階固有頻率與振型，如圖1所示，為一階模態(tài)的模擬仿真圖，它的振型為沿X方向，即左右擺動(dòng)，振動(dòng)頻率為60.6Hz，為影響振動(dòng)的最主要振型。

圖1 第一階振型圖

僅以第一階振型為例進(jìn)行說(shuō)明。圖2為其余九階模態(tài)與頻率對(duì)應(yīng)表，這里不作具體說(shuō)明振型狀態(tài)，僅把振型與頻率的關(guān)系展現(xiàn)出來(lái)。應(yīng)用同樣的方法，也對(duì)含有機(jī)床主軸的模型進(jìn)行了分析，得到第一階模態(tài)，它的振型為沿X方向，即左右擺動(dòng)，振動(dòng)頻率為72.8Hz，為影響振動(dòng)的最主要振型。對(duì)于模擬仿真所得到的結(jié)果，為后續(xù)的振動(dòng)響應(yīng)等試驗(yàn)的測(cè)試打下了基礎(chǔ)。

圖2 十階模態(tài)與頻率對(duì)應(yīng)表

但是模擬仿真不能代替物理實(shí)驗(yàn)，只是為我們提供一種的方法，定性分析比較準(zhǔn)確，定量分析僅供參考，這是因?yàn)樵谀M仿真時(shí)，難免要對(duì)于模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，從而減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量，減少計(jì)算量，另外，對(duì)于部件間的約束條件也和實(shí)際情況有所差別。要準(zhǔn)確測(cè)試上述試驗(yàn)內(nèi)容，需要利用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和儀器，如數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、加速度傳感器、力傳感器和激振器等。

2 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

隨著設(shè)備朝著大型化、高速化的發(fā)展，振動(dòng)引起的問(wèn)題更為突出，需要解決的問(wèn)題更為迫切，也對(duì)振動(dòng)測(cè)試與振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)的研究提出了越來(lái)越高的要求[2]，如何找到對(duì)于機(jī)床影響較大的幾種頻率，從而通過(guò)改變機(jī)床轉(zhuǎn)數(shù)避開(kāi)這幾種頻率（避免引起共振）就顯得十分重要了。振動(dòng)測(cè)試技術(shù)一般振動(dòng)測(cè)試技術(shù)大致可分為兩類[3,4]：一類是測(cè)量設(shè)備和結(jié)構(gòu)工作或?qū)嶒?yàn)時(shí)所存在的振動(dòng)，這種測(cè)量可以利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估和故障診斷；另一類是系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)試，包括系統(tǒng)的頻響函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)、模態(tài)參數(shù)和物理參數(shù)等。

利用Model-1332A以及Model-9803系統(tǒng)對(duì)于某款加工中心機(jī)床主軸進(jìn)行測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 Model-1332A及Model-9803裝置簡(jiǎn)圖

測(cè)試及分析步驟：

1）如圖3所示，連接好各測(cè)試儀器，將測(cè)頭（帶磁性）吸附在主軸前端，打開(kāi)電源。

2）用一實(shí)驗(yàn)用敲擊錘敲擊主軸前端，并記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用軟件讀取數(shù)據(jù)，即帶參數(shù)波形圖。

4）通過(guò)快速傅立葉變換（FFT），將以時(shí)間為X軸的波形圖，轉(zhuǎn)化成為以頻率為X軸的頻譜圖（如圖4所示），圖中可以分析出若干階振動(dòng)頻率以及振幅值。

圖4 主軸振動(dòng)頻譜圖

通過(guò)頻譜圖，可以直觀地看到頻率為382.8Hz，328.2Hz，359.4Hz權(quán)重較大，低頻中權(quán)重最大的是78.1Hz左右。由于被分析的機(jī)床主軸工作轉(zhuǎn)數(shù)為10000r/min左右。轉(zhuǎn)數(shù)上限的約束，不易與高頻產(chǎn)生共振，故在機(jī)床切削過(guò)程中，主要考慮頻率為150Hz以下的，所以，高階模態(tài)研究和高階頻率對(duì)于加工工藝以及刀具參數(shù)的設(shè)定沒(méi)有特別的指導(dǎo)意義。

3 切削工藝參數(shù)設(shè)定

針對(duì)上述的測(cè)試結(jié)果結(jié)合UG軟件的仿真分析，對(duì)于某款發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體進(jìn)行銑削測(cè)試，缸體材料為鑄鐵材料，銑削刀具為直徑50的HSK63標(biāo)準(zhǔn)刀柄刀具，刀具材料為硬質(zhì)合金銑刀刃數(shù)為3刃，切削深度為1.5mm。通過(guò)測(cè)試工件表面的光潔度來(lái)反映切削過(guò)程中的振動(dòng)情況，測(cè)試過(guò)程在不改變其他刀具參數(shù)的情況下，也不考慮被切削工件的自身頻率的情況下，僅通過(guò)改變主軸轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)反映測(cè)試結(jié)果。主軸轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置范圍400r/min到2000r/min，每200轉(zhuǎn)變化為一個(gè)間隔。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)主軸轉(zhuǎn)數(shù)為1600r/min時(shí)，被切削工件的表面光潔的最差。這里說(shuō)明一下，刀具加工時(shí)產(chǎn)生的激振頻率f=nz/60。式中：n為主軸轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）；z為刀具刃數(shù)。

從而驗(yàn)證了刀具產(chǎn)生的激振頻率約為80赫茲，使切削過(guò)程中，機(jī)床產(chǎn)生共振，這與振動(dòng)測(cè)試結(jié)果幾乎相差不大，與UG模擬仿真結(jié)果相差略大。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用UG軟件對(duì)模型的模擬仿真，可以降低振動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)成本，為切削工藝提供數(shù)據(jù)支持，但是誤差較大，定性分析可以，定量計(jì)算有待提高。而振動(dòng)實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了模擬仿真的缺點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)可做切削工藝參數(shù)參考，對(duì)于指導(dǎo)刀具參數(shù)的優(yōu)化有著很重要的作用，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的加工，尤其對(duì)于表明光潔度要求高的加工面有著十分重要的指導(dǎo)意義。