機床振動的理論分析和實驗測試對工藝的指導作用

王云德，胡經瑋

（格勞博機床（大連）有限公司 研發設計部，大連 116600）

0 引言

數控機床是現代制造業的關鍵設備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造業水平和競爭力。為了獲得加工精度及加工效率都比較高的數控機床，在其研發過程中就必須考慮機床的振動問題。尤其對于高轉數、高精度的高檔數控機床來說，機床的振動會導致主軸或工作臺的振幅超出了允許的范圍，致使零件的加工表面質量惡化和刀具磨損，最終降低了零件的加工精度和生產效率。機械加工設備的振動直接影響到加工的精度和有效性。大型旋轉機械的振動信號直接反映了設備運轉的主要信息[1]。因此，振動分析與振動抑制就顯得更重要。

1 UG軟件對模型的模態分析

機床的振動問題可以歸結為三類，分別是固有特性、動力響應和動力穩定性問題。這里介紹通過UG軟件，利用有限元方法，對某款加工中心機床主要組裝部件進行模態分析的模擬仿真，得出前十階模態，其實主要影響是前三階或者前四階低頻模態。

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

圖1 第一階振型圖

僅以第一階振型為例進行說明。圖2為其余九階模態與頻率對應表，這里不作具體說明振型狀態，僅把振型與頻率的關系展現出來。應用同樣的方法，也對含有機床主軸的模型進行了分析，得到第一階模態，它的振型為沿X方向，即左右擺動，振動頻率為72.8Hz，為影響振動的最主要振型。對于模擬仿真所得到的結果，為后續的振動響應等試驗的測試打下了基礎。

圖2 十階模態與頻率對應表

但是模擬仿真不能代替物理實驗，只是為我們提供一種的方法，定性分析比較準確，定量分析僅供參考，這是因為在模擬仿真時，難免要對于模型進行簡化處理，從而減少網格劃分數量，減少計算量，另外，對于部件間的約束條件也和實際情況有所差別。要準確測試上述試驗內容，需要利用專業的實驗系統和儀器，如數據采集分析系統、加速度傳感器、力傳感器和激振器等。

2 振動測試實驗

隨著設備朝著大型化、高速化的發展，振動引起的問題更為突出，需要解決的問題更為迫切，也對振動測試與振動信號分析技術的研究提出了越來越高的要求[2]，如何找到對于機床影響較大的幾種頻率，從而通過改變機床轉數避開這幾種頻率（避免引起共振）就顯得十分重要了。振動測試技術一般振動測試技術大致可分為兩類[3,4]：一類是測量設備和結構工作或實驗時所存在的振動，這種測量可以利用振動信號對設備和結構的運行狀態進行監測評估和故障診斷；另一類是系統特征參數的測試，包括系統的頻響函數、脈沖響應函數、模態參數和物理參數等。

利用Model-1332A以及Model-9803系統對于某款加工中心機床主軸進行測試與分析。實驗裝置簡圖如圖3所示。

圖3 Model-1332A及Model-9803裝置簡圖

測試及分析步驟：

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

2）用一實驗用敲擊錘敲擊主軸前端，并記錄振動數據。

3）將數據導入計算機，利用軟件讀取數據，即帶參數波形圖。

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

圖4 主軸振動頻譜圖

通過頻譜圖，可以直觀地看到頻率為382.8Hz，328.2Hz，359.4Hz權重較大，低頻中權重最大的是78.1Hz左右。由于被分析的機床主軸工作轉數為10000r/min左右。轉數上限的約束，不易與高頻產生共振，故在機床切削過程中，主要考慮頻率為150Hz以下的，所以，高階模態研究和高階頻率對于加工工藝以及刀具參數的設定沒有特別的指導意義。

3 切削工藝參數設定

針對上述的測試結果結合UG軟件的仿真分析，對于某款發動機的缸體進行銑削測試，缸體材料為鑄鐵材料，銑削刀具為直徑50的HSK63標準刀柄刀具，刀具材料為硬質合金銑刀刃數為3刃，切削深度為1.5mm。通過測試工件表面的光潔度來反映切削過程中的振動情況，測試過程在不改變其他刀具參數的情況下，也不考慮被切削工件的自身頻率的情況下，僅通過改變主軸轉數來反映測試結果。主軸轉數設置范圍400r/min到2000r/min，每200轉變化為一個間隔。實驗表明當主軸轉數為1600r/min時，被切削工件的表面光潔的最差。這里說明一下，刀具加工時產生的激振頻率f=nz/60。式中：n為主軸轉數（r/min）；z為刀具刃數。

從而驗證了刀具產生的激振頻率約為80赫茲，使切削過程中，機床產生共振，這與振動測試結果幾乎相差不大，與UG模擬仿真結果相差略大。

4 結束語

通過利用UG軟件對模型的模擬仿真，可以降低振動測試的實驗成本，為切削工藝提供數據支持，但是誤差較大，定性分析可以，定量計算有待提高。而振動實驗彌補了模擬仿真的缺點，測試數據可做切削工藝參數參考，對于指導刀具參數的優化有著很重要的作用，對于汽車發動機缸體缸蓋的加工，尤其對于表明光潔度要求高的加工面有著十分重要的指導意義。