大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析

劉建勇，翟力軍，王敏達(dá)，丁連同，馮猛

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.北京工業(yè)大學(xué)北京市先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析

劉建勇1，翟力軍1，王敏達(dá)2，丁連同1，馮猛2

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.北京工業(yè)大學(xué)北京市先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

系統(tǒng)闡述了典型大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和分析方法。用多通道信號(hào)采集分析儀對(duì)該機(jī)床在多個(gè)位姿進(jìn)行了多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)識(shí)振的模態(tài)測(cè)試和模擬工況下的ODS（Operational Deflection Shapes）測(cè)試。綜合分析模態(tài)測(cè)試和ODS測(cè)試結(jié)果可知，該機(jī)床在不同行程位置處的動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定性較差，需通過(guò)對(duì)機(jī)床進(jìn)行整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)更合理的布局、滑動(dòng)部件的輕量化設(shè)計(jì)和提高床身等部件的靜剛度等措施來(lái)提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性。

電火花加工；牛頭滑枕式；模態(tài)測(cè)試；ODS測(cè)試

牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的工作臺(tái)固定不動(dòng)或可實(shí)現(xiàn)X方向移動(dòng)，主軸頭通過(guò)滑枕可實(shí)現(xiàn)Y方向移動(dòng)或X、Y方向移動(dòng)［1-2］。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床具有工作臺(tái)固定不動(dòng)、滑枕移動(dòng)較輕捷的特點(diǎn)，使裝配在該類(lèi)機(jī)床上的工件安裝穩(wěn)定性好，工件的調(diào)整和檢測(cè)方便。大型電火花加工機(jī)床具有油槽容積大、裝配的工件尺寸和重量大等特點(diǎn)；而牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)的機(jī)床成本相對(duì)較低，且其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又很好地適應(yīng)了大型零部件的加工和檢測(cè)需求，因此，在大型電火花加工機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著我國(guó)航空、航天、汽車(chē)、能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，高精度大型難加工零件大量涌現(xiàn)，如整體閉式葉輪、大型整體帶冠渦輪盤(pán)等。這類(lèi)零件的材料特殊，加工精度要求高，加工周期長(zhǎng)，故對(duì)大型電火花加工機(jī)床的精度、效率和可靠性提出了更高的要求。而大型電火花加工機(jī)床所具備的良好的動(dòng)態(tài)特性是實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性加工的基礎(chǔ)。

目前，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法已發(fā)展成為分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和解決振動(dòng)問(wèn)題的重要手段，在機(jī)床行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［3-4］。本文通過(guò)模態(tài)測(cè)試和機(jī)床運(yùn)行變型（ODS）測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)典型大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床（圖1）的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

圖1 大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床主機(jī)

1 測(cè)試系統(tǒng)與方案

試驗(yàn)采用丹麥B&K模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)（圖2）對(duì)典型大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。該測(cè)試系統(tǒng)主要包括:單向加速度傳感器4507B、5320-50型力錘、pulse后處理軟件、多通道前端等。

圖2 B&K模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)

1.1 模態(tài)測(cè)試方案

針對(duì)大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模態(tài)試驗(yàn)的激勵(lì)方式選擇多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)識(shí)振測(cè)試方法，即在試驗(yàn)過(guò)程中保持測(cè)量點(diǎn)不動(dòng)，只改變激勵(lì)點(diǎn)的位置。

由于大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使X、Y軸行程的改變對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響很大。為深入掌握大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的整機(jī)動(dòng)態(tài)性能，本文將選取4個(gè)測(cè)量位置分別進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，這4個(gè)測(cè)量位置所對(duì)應(yīng)的X、Y軸行程分別為:X 2100，Y 900；X 2100，Y 0；X 1100，Y 900；X 1100，Y 0。測(cè)試時(shí)，為了能體現(xiàn)各個(gè)部件對(duì)主軸頭電極處的影響，將傳感器放置在Z軸下端，分別在X、Y、Z 3個(gè)方向激勵(lì)，激勵(lì)點(diǎn)分別布置在Z軸、Z軸底座、滑枕、中溜板、立柱及床身上。

根據(jù)機(jī)床的外形尺寸和機(jī)床的不同姿態(tài)，建立相應(yīng)姿態(tài)的機(jī)床基本模型，并在系統(tǒng)中設(shè)置力錘和傳感器的分布位置。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)不同的測(cè)試方向調(diào)整力錘和傳感器的數(shù)量和方向。4個(gè)測(cè)量位置的機(jī)床基本模型和X方向力錘位置見(jiàn)圖3，Y、Z方向力錘位置根據(jù)實(shí)際工況會(huì)有相應(yīng)調(diào)整，但布置方法相同。

圖3 機(jī)床基本模型和X方向力錘位置示意圖

1.2 ODS測(cè)試方案

運(yùn)行狀態(tài)下的工作變形（ODS）試驗(yàn)反映的是在特定工況下，對(duì)于特定頻率，各測(cè)量自由度之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形態(tài)。具體測(cè)試方法為:將一個(gè)傳感器固定在某一位置獲得參照信號(hào)（激勵(lì)信號(hào)），其余傳感器布置在設(shè)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)上，以獲取響應(yīng)信號(hào)。用ODS分析和模態(tài)分析相結(jié)合的方法測(cè)試大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床，可從結(jié)構(gòu)振動(dòng)的內(nèi)因和外因兩方面來(lái)認(rèn)識(shí)該機(jī)床的振動(dòng)特性，為機(jī)床進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

在測(cè)量位置1、3處模擬實(shí)際加工情況并進(jìn)行ODS測(cè)試。將Z軸下端的傳感器位置作為參考點(diǎn)，將其余傳感器布置在機(jī)床結(jié)構(gòu)件的重要位置，以獲取對(duì)該參考點(diǎn)的影響程度，其中，X方向測(cè)試時(shí)的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。Y、Z方向的測(cè)點(diǎn)布置方法與此相同，方向不同。

圖4 ODS測(cè)試時(shí)X方向的測(cè)點(diǎn)布置圖

2 模態(tài)測(cè)試結(jié)果及分析

圖5～圖7分別是在4個(gè)測(cè)量位置測(cè)得的X、Y、Z方向的大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的前五階模態(tài)。

圖5 各個(gè)測(cè)量位置X方向前五階模態(tài)

圖6 各個(gè)測(cè)量位置Y方向前五階模態(tài)

圖7 各個(gè)測(cè)量位置Z方向前五階模態(tài)

表1～表3分別是在4個(gè)測(cè)量位置測(cè)得的X、Y、Z方向的大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的前五階動(dòng)剛度。

表1 各個(gè)測(cè)量位置X方向前五階動(dòng)剛度×108N/m

表2 各個(gè)測(cè)量位置Y方向前五階動(dòng)剛度×108N/m

表3 各個(gè)測(cè)量位置Z方向前五階動(dòng)剛度×108N/m

在位置1測(cè)量X方向模態(tài)的試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)某個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，得到的頻響函數(shù)和對(duì)應(yīng)的相干性曲線分別見(jiàn)圖8和圖9。在頻率較低時(shí)的相干性較差，可能是由于滑動(dòng)部件重量較大，未能使整機(jī)模態(tài)徹底激發(fā)起來(lái)，或是受阻尼和噪聲等非線性因素的影響。但整體來(lái)看，測(cè)試數(shù)據(jù)受外界干擾不大，測(cè)試結(jié)果較可靠。

圖8 測(cè)量位置1某點(diǎn)X方向頻響函數(shù)

圖9 測(cè)量位置1某點(diǎn)X方向相應(yīng)的相干性曲線

由測(cè)試結(jié)果可知，在不同的行程位置，大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的固有頻率和動(dòng)剛度有很大的變化。這說(shuō)明機(jī)床的滑動(dòng)部件對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性有很大影響，導(dǎo)致各個(gè)行程位置的動(dòng)態(tài)加工性能很難保持較高的一致性。因此，該機(jī)床需進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、優(yōu)化分配各個(gè)構(gòu)件質(zhì)量和提高機(jī)床的靜剛度。

3 ODS測(cè)試結(jié)果及分析

圖10～圖12分別是在測(cè)量位置1和測(cè)量位置3模擬實(shí)際加工狀態(tài)時(shí)，通過(guò)ODS測(cè)試得到的X、Y、Z方向幾個(gè)振幅峰值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。可見(jiàn)，在兩個(gè)測(cè)試位置的Z方向，其振幅峰值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率相差不多；但X、Y方向的振幅峰值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率相差很大。因此可認(rèn)為，在測(cè)量位置1和測(cè)量位置3進(jìn)行放電加工時(shí)，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性相差較大，其放電加工效果不可能有很好的一致性。這進(jìn)一步說(shuō)明需對(duì)機(jī)床采取改進(jìn)措施，優(yōu)化機(jī)床構(gòu)件質(zhì)量分配和機(jī)械結(jié)構(gòu)，并提高其靜剛度。

4 模態(tài)測(cè)試與ODS測(cè)試結(jié)果的綜合分析

由模態(tài)測(cè)試所得機(jī)床基本模型的模態(tài)振動(dòng)變形情況和ODS測(cè)得機(jī)床基本模型的工作變形情況可知:在測(cè)量位置1，ODS的X向變形主要由模態(tài)振型中的三階、四階振型組成；Y向變形主要由一、三、四階振型組成；Z向變形主要由一階、三階振型組成；在測(cè)量位置3，ODS的X向變形主要由一階、四階振型組成；Y向變形主要由一階、二階振型組成；Z向變形主要由一、二、三階振型組成。

圖10 測(cè)量位置1和測(cè)量位置3的X方向ODS變形峰值對(duì)應(yīng)頻率

圖11 測(cè)量位置1和測(cè)量位置3的Y方向ODS變形峰值對(duì)應(yīng)頻率

圖12 測(cè)量位置1和測(cè)量位置3的Z方向ODS變形峰值對(duì)應(yīng)頻率

通過(guò)分析模態(tài)振動(dòng)變形和工作變形的測(cè)試結(jié)果可知，大型牛頭滑枕式電火花加工機(jī)床的床身、立柱、Z軸及滑枕的剛性相對(duì)較弱；在不同行程位置，該機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能差異較大，使其難以滿足大型精密零件的穩(wěn)定、可靠性加工需求。

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足大型精密零件的加工需求，通過(guò)模態(tài)測(cè)試和ODS測(cè)試相結(jié)合的方法，進(jìn)一步合理布局機(jī)床整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)；對(duì)滑枕和Z軸等運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度的前提下，減小其質(zhì)量和慣性載荷；對(duì)于主要支撐部件（如床身和立柱），需進(jìn)一步提高其靜剛度。

［1］曹鳳國(guó)，翟力軍，伏金娟，等.電火花加工技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］劉建勇，翟力軍，李艷等.牛頭式電火花加工機(jī)床Y軸導(dǎo)軌安裝基面加工工藝研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2014，50（3）:28-30.

［3］廖平，鄧方平.高速數(shù)控車(chē)床切削的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，32（3）:76-80.

［4］譚萬(wàn)軍，楊亮，吳行讓?zhuān)?基于ODS與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方向盤(pán)擺振優(yōu)化［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2011，24（5）: 498-504.

Test and Analysis of Dynam ic Characteristics for Large Ngau-tau Ram Type EDM M achine Tool

Liu Jianyong1，Zhai Lijun1，Wang Minda2，Ding Liantong1，F(xiàn)eng Meng2
（1.Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China；2.Advanced Manufacturing Technology of the Key Laboratory of Beijing Municipality，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

This article elaborated the dynamic characteristics′test and analysismethod of typical large ngau-tau-type EDM machine tool systematically.Multi-pointsmomentary stimulation and single pointmeasuringmethod ofmodal test，and ODS（operational deflection shapes）testmethod that under actualworking conditions are used to test the typical EDM machine tool by themodal test and analysis system.After analyze test results of themodal and ODS tests，this kind of EMD machine tool′s dynamic stability is weakness within different work conditions.In order to improve the dynamic stability，the machine tool need to improve the layout of themechanical system，light-weight design the sliding parts and improve the base parts′rigidity.

electro-discharge machining；ngau-tau ram type；modal test；operational deflection shapes test

TG661

A

1009－279X（2015）01－0054-04

2014-09-15

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題資助項(xiàng)目（2014ZX04001-111）

劉建勇，男，1983年生，副研究員。