數(shù)控機床振動測試研究

摘?要：本文對數(shù)控機床加工過程進行振動測試，通過對不同轉(zhuǎn)速下關(guān)鍵位置的振動信號采集、處理、分析來探尋振動類型。結(jié)合主軸的仿真模擬，得出加工過程中主軸的主要振動方式并為加工過程中的工藝參數(shù)的設(shè)定提供參考。

關(guān)鍵詞：振動測試;頻域;信號分析

數(shù)控機床是工業(yè)制造的基礎(chǔ)設(shè)備，在一定程度上代表了一個國家的工業(yè)制造水平[1]。高精度高效率的數(shù)控機床是實現(xiàn)中國制造2025的關(guān)鍵設(shè)備之一。而機床加工過程中產(chǎn)生的各種振動不光影響加工零件的表面質(zhì)量和穩(wěn)定性，對機床的性能和使用壽命也會造成危害[2]。

因此，對數(shù)控機床加工過程中發(fā)生的振動進行研究就顯得非常有必要[3]。由于加工過程的復(fù)雜性，存在許多不同的振動類型，對零件和設(shè)備的影響也大不相同。通過對數(shù)控機床加工過程進行振動測試來確定影響機床正常工作的振動種類和來源是一種非常有效的方法[4]。

1?測試內(nèi)容

有關(guān)數(shù)控機床加工時的振動，不少國內(nèi)外學(xué)者對其起因進行了分析研究。日本的星鐵太郎[5]將加工產(chǎn)生的振動稱為顫振并認為不同類型的顫振其產(chǎn)生機理不同。華中科技大學(xué)的師漢民[6]等提出了強迫再生顫振機理，指出當(dāng)機床在不同狀態(tài)下所呈現(xiàn)的振動是完全不同，可由此來判斷機床狀態(tài)。現(xiàn)在一般將機床加工時的振動分為兩大類：自激振動和受迫振動。

1.1?自激振動

自激振動是機床自發(fā)的一種振動，是一種內(nèi)部的不衰減周期性振動，也就是說，自激振動的發(fā)生與外界無關(guān)。吉林大學(xué)的于駿一[7]將自激振動分為再生型切削振動、振型耦合型振動、摩擦型振動、滯后型振動。從他的分類中可以看出自激振動產(chǎn)生的原因可以分為機床本身的原因，刀具原因（刀具剛度不夠，裝夾角度不當(dāng)）、工件裝夾角度不當(dāng)?shù)取?/p>

1.2?受迫振動

受迫振動是機床受外界周期性干擾力的作用而產(chǎn)生的振動。它的產(chǎn)生比較復(fù)雜，小部分來自機外，通過地基和底座傳遞給機床，比如附近有產(chǎn)生振動的大型設(shè)備。大部分振源來自于機床內(nèi)部[89]，比如回轉(zhuǎn)零部件不平衡，齒輪、軸承的沖擊，導(dǎo)軌的磨損等。也有加工工藝造成的，比如斷續(xù)切削，加工余量的變化等。

由于造成振動的因素很多，本文主要研究轉(zhuǎn)速對加工過程振動的影響，通過對不同轉(zhuǎn)速下刀具，機床床身，主軸的測試來分析振動種類并找出原因，提出改進方案。

2?測試方案設(shè)計

本次測試采用的是東華測試的INV3018A型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀，DH311E型ICP傳感器，DHCZ004P絕緣磁座等，測試對象為CK6136型數(shù)控機床。根據(jù)加工時振動類型的不同，我們在機床的不同地方安裝了傳感器。測試原理和測試位置如圖1、圖2所示。圖2中1號為安裝在三爪卡盤旁邊測試加工時主軸振動的傳感器，2號為安裝在機床下部，測試車削加工時床身的振動，3號為安裝在刀具盤上測試加工時刀具振動的傳感器。刀具選用硬質(zhì)合金鋼刀具，工件為圓柱實心45號鋼棒料，切削1mm外徑。

測試步驟：（1）將各測試設(shè)備進行連接，將傳感器安裝在磁性底座上后吸附在指定位置。（2）開啟機床，設(shè)置統(tǒng)一的加工軌跡，設(shè)置300r/min，600r/min，900r/min，1200r/min4檔轉(zhuǎn)速切削1mm外徑。（3）保存數(shù)據(jù)，讀入計算機并利用軟件進行變換。（4）對數(shù)據(jù)進行分析

3?實驗數(shù)據(jù)分析

在切削加工過程中機床床身整體振動平穩(wěn)，在300轉(zhuǎn)到1200轉(zhuǎn)之間振動加速度在5mm/s2左右并緩慢降低。圖3為機床在600r/min時的頻域波形圖，由圖中可知，床身振動頻率主要集中在低頻區(qū)，450Hz和1630Hz是兩個峰值。

刀具整體振動加速度基本在0.18mm/s2左右，并無明顯波動。圖4為刀具在600r/min時的頻域波形圖，由圖可知，刀具的振動頻率也主要集中在低頻區(qū)，峰值頻率為550Hz。

從表1中可以看出，在空載時隨著轉(zhuǎn)速的上升主軸振動有所增強，但在加工過程中，振動幅度隨著轉(zhuǎn)速上升發(fā)生了先上升后下降的現(xiàn)象。

圖5中的1—4為主軸從300—1200r/min的頻域圖，從中可以看出在300—600r/min時低頻段相對占比較大，900—1200r/min時高頻段占比較大。300Hz附近是一個小高峰，1500Hz、2000Hz、2400Hz附近是三個頻率高峰，四個圖的波峰頻率分別為1590Hz、1940Hz、1960Hz和1980Hz。在600r/min時900Hz附近也有一個頻率小高峰。

表2為黃應(yīng)勇[10]通過ANSYS對CK6136主軸進行分析的五階主振型及固有頻率值。通過對比我們可以得出如下結(jié)論：

（1）主軸在加工轉(zhuǎn)速為300r/min時主振型為3階振型，即頭部Z向擺動;

（2）主軸在加工轉(zhuǎn)速為900—1200r/min時主振型均為5階振型，即X軸前后顫動;

（3）主軸在加工轉(zhuǎn)速為600r/min時三個峰值頻率的最高值較為接近，在900hz附近出現(xiàn)了另一個頻率小高峰，可以推斷出主軸在此時既有X軸前后顫動又有頭部Z向擺動同時還帶有一定的尾部Z向擺動。

結(jié)論與表1主軸振動的時域圖相符合，在加工轉(zhuǎn)速為600r/min，主軸振動最大。因此在設(shè)定加工參數(shù)時因盡量避免。

4?結(jié)語

通過對加工過程中的機床進行振動測試，結(jié)合模擬仿真結(jié)果，既能彌補仿真帶來的誤差，又能較為準確的分析出振動的成因。測試數(shù)據(jù)還可以作為加工工藝的參考，對于提高加工件表面質(zhì)量，刀具壽命等有著重要的意義。

參考文獻：

[1]趙進，趙峰，艾爽，譚智，周雪鋼.機床整機系統(tǒng)振動特性分析[J].機械工程師，2012（04）：8587.

[2]陳家元.機床的振動及防治措施[J].裝備制造技術(shù)，2012（09）：9798+120.

[3]鄭鵬.機床加工過程振動特性及對加工表面質(zhì)量影響的研究[D].華中科技大學(xué)，2012.

[4]王云德，胡經(jīng)瑋.機床振動的理論分析和實驗測試對工藝的指導(dǎo)作用[J].制造業(yè)自動化，2019，41（07）：2223+97.

[5]星鐵太郎.師漢民，等譯.機械加工振動分析[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1993.

[6]師漢民.金屬切削理論及其應(yīng)用新探[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.

作者簡介：趙徐濤（1987—?），男，漢族，浙江紹興人，碩士研究生，實驗員，研究方向：機電系統(tǒng)設(shè)計和儀器設(shè)備開發(fā)。