激光掃描振動(dòng)儀在鉆削加工中的應(yīng)用

　　在鉆孔時(shí)，振動(dòng)會(huì)帶來(lái)很大的問(wèn)題。一方面會(huì)影響質(zhì)量，另一方面可能會(huì)造成刀具斷裂而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。為了避免這類問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)刀具振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并及時(shí)進(jìn)行糾正。研究結(jié)果表明，激光掃描振動(dòng)儀適合用于對(duì)單刃深孔鉆進(jìn)時(shí)的相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)定。

　　刀具振動(dòng)是鉆孔加工時(shí)遇到的一個(gè)重大問(wèn)題?？蛇m配的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將來(lái)在刀具出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，可以及時(shí)做出探測(cè)和調(diào)節(jié)。對(duì)此需要準(zhǔn)確掌握刀具結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性方面的知識(shí)。下面將介紹如何通過(guò)激光掃描振動(dòng)儀的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，來(lái)確定單刃深孔鉆刀的模態(tài)參數(shù)。對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)振動(dòng)分析的最熟悉的方法是模態(tài)分析。這種亦被視為是固有振動(dòng)分析的方法可以測(cè)定出諸如系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和形態(tài)等參數(shù)。

　　模態(tài)分析以結(jié)構(gòu)每次動(dòng)態(tài)變形均為其形態(tài)的加權(quán)總和的原理為基礎(chǔ)，每種模式均通過(guò)一種結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)與精確的自由度而得出。在結(jié)構(gòu)受到振動(dòng)時(shí)，所有模態(tài)反應(yīng)即會(huì)按照比例，進(jìn)入到整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中去。通過(guò)對(duì)模態(tài)反應(yīng)的匯總，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)即可變成為特定的激勵(lì)頻率。對(duì)模態(tài)參數(shù)的認(rèn)知，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)的描述，也是對(duì)模型形成所作系列探索的重要基礎(chǔ)。各種模型均建立在簡(jiǎn)化了的設(shè)定的基礎(chǔ)之上，并被強(qiáng)制進(jìn)入某種程度上的不確定性。

　　振動(dòng)性系統(tǒng)在實(shí)際中表現(xiàn)如何，這往往只有在實(shí)驗(yàn)性探究的基礎(chǔ)上方可得到澄清。實(shí)驗(yàn)性的模態(tài)分析是這方面的最重要的測(cè)量方法之一，并有賴于對(duì)結(jié)構(gòu)的模型觀察。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行傳送功能的測(cè)定，可以獲得系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)特征。對(duì)此，采用相應(yīng)的激勵(lì)源對(duì)探究的結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，并對(duì)系統(tǒng)在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的反應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。在時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)得的信號(hào)借助于Fast-Fourier傳輸原理，被轉(zhuǎn)換為頻率范圍，并依據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)而得出一種具備傳送功能的系統(tǒng)。由此可以測(cè)得諸如固有頻率、阻尼和自有形態(tài)的模態(tài)參數(shù)。在鉆孔過(guò)程中，最大為5000Hz的頻率范圍是有意義的。因此，有限的固有振動(dòng)數(shù)量即足以對(duì)一種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征作出描述，而對(duì)于較低頻率來(lái)說(shuō)，則會(huì)出現(xiàn)頻率共振加劇的現(xiàn)象。

刀具屬于無(wú)摩擦作業(yè)流程中的關(guān)鍵性部件。通過(guò)模態(tài)分析，可以
測(cè)得對(duì)于作業(yè)安全來(lái)說(shuō)非常重要的參數(shù)，并對(duì)之進(jìn)行調(diào)節(jié)

　　專門儀器進(jìn)行測(cè)量

　　激光振動(dòng)儀是一種針對(duì)機(jī)械振動(dòng)過(guò)程的無(wú)接觸和光學(xué)類型的測(cè)量方法，測(cè)量原理以光學(xué)頻率移動(dòng)為基礎(chǔ)，在振動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量點(diǎn)發(fā)生離散時(shí)，頻率移動(dòng)即可測(cè)得激光束。這種方法沒(méi)有反作用，并在大量的應(yīng)用領(lǐng)域中允許對(duì)敏感結(jié)構(gòu)和元件的應(yīng)用，而在后一種的場(chǎng)合中，由于物體特性和環(huán)境參數(shù)的原因，無(wú)法使用接觸式的傳感元件。特別是設(shè)立了激光多普勒振動(dòng)測(cè)量裝置，作為一種無(wú)接觸的測(cè)量技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的測(cè)量。對(duì)此，電磁波和光波的發(fā)送器和接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致受速度影響的頻率或波長(zhǎng)的變化。

　　針對(duì)平面振動(dòng)測(cè)量，可以采用掃描振動(dòng)儀。采用這種掃描方法時(shí)，則以快捷的順序在物體表面的很多測(cè)量點(diǎn)上進(jìn)行掃描（圖1），通過(guò)激光束在物體表面上的掃描和很高的空間分辨率，可以生成一系列單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。從這些振動(dòng)數(shù)據(jù)中，要么是在時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)同步運(yùn)動(dòng)過(guò)程，或者是在頻帶的頻率范圍內(nèi)對(duì)作業(yè)振動(dòng)形式進(jìn)行測(cè)定和可視化。在振動(dòng)過(guò)程可準(zhǔn)確重復(fù)的條件下，可以對(duì)連續(xù)進(jìn)行的測(cè)量進(jìn)行整合。這可以通過(guò)一種在振蕩器上以特定的頻帶范圍生成的觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 針對(duì)彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量的掃描點(diǎn)分布情況

　　在IWF上所進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)量，可采用Polytec公司的激光掃描振動(dòng)儀，對(duì)單刃鉆頭的自有頻率ωo和屈服度N(ω)等模態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。作為實(shí)驗(yàn)分析的測(cè)量物體，使用了直徑為11.76mm和φ7.22mm的全硬金屬頭（圓周為C形）的單刃鉆頭。鉆桿和張緊套（誤差：φ20 g6）由調(diào)質(zhì)鋼構(gòu)成，單刃鉆頭全長(zhǎng)為335mm。為了在實(shí)驗(yàn)分析中能夠測(cè)得彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)，首先要求對(duì)確定測(cè)量點(diǎn)所需的相應(yīng)柵格線進(jìn)行定義。對(duì)此，對(duì)測(cè)量點(diǎn)的選擇采用回形的分布方式，激光束依次對(duì)之進(jìn)行掃描。在沒(méi)有推進(jìn)的情況下，直接呈垂直列陣分布的測(cè)量點(diǎn)位于一個(gè)平面上；而在對(duì)單刃鉆頭進(jìn)行振動(dòng)推進(jìn)時(shí)，則會(huì)致使鉆頭發(fā)生偏移。在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況下，鉆頭會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，激光束探測(cè)到的各重疊點(diǎn)的行程變化的結(jié)果各不相同。在評(píng)價(jià)中，這種現(xiàn)象通過(guò)各重疊測(cè)量點(diǎn)的顏色變化來(lái)表示（圖1）。

　　具體測(cè)量情況

　　為了在實(shí)驗(yàn)分析中避免外部的振動(dòng)，采用了一種大質(zhì)量的鋼質(zhì)測(cè)量臺(tái)。首先須對(duì)單刃鉆頭的主軸和重心進(jìn)行計(jì)算，以便鉆頭縱向振動(dòng)方向能夠直接對(duì)準(zhǔn)鉆頭重心和兩側(cè)主軸的橫向方向。針對(duì)在鉆頭縱向上的振動(dòng)，振動(dòng)器和單刃鉆頭相互對(duì)著被張緊在老虎臺(tái)或帶有襯皮和夾鉗的夾具上。自由的鉆頭端部帶有一個(gè)硬化了的振動(dòng)尖頂，尖頂上設(shè)有一個(gè)Piezo測(cè)力傳感器和一個(gè)鋁質(zhì)適配器。在與張緊力的作用下，這些裝置可與振動(dòng)器相連接?？刂破魍ㄟ^(guò)一個(gè)放大器，把一個(gè)正弦信號(hào)和一個(gè)特定的頻率帶傳送給在另一頭對(duì)單刃鉆頭發(fā)起振動(dòng)的振動(dòng)器。測(cè)力傳感器通過(guò)一個(gè)受載放大器，把力的信號(hào)反饋給控制器，而控制器則通過(guò)由激光掃描振動(dòng)儀傳來(lái)的與頻率相關(guān)的行程變化信號(hào)，計(jì)算出模態(tài)參數(shù)。

圖2 柔曲性在第一主軸方向（34）上的頻率

　　圖2所示φ11.76mm單刃深孔鉆頭在第一主軸方向（34）上遭遇振動(dòng)時(shí)的柔曲性頻率范圍，其曲線符合傳統(tǒng)的三位振動(dòng)器的特征。由于三位分布涉及單刃鉆具的鉆頭、鉆桿和張緊套，因此這種實(shí)驗(yàn)方法是恰當(dāng)?shù)摹?80Hz自有模式易于識(shí)別，這是一個(gè)彎曲振動(dòng)；而另一個(gè)自有模式為2000Hz的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。第三個(gè)典型的自有模式仍為彎曲振動(dòng)，頻率為3300Hz。為了便于比較，圖3所示鉆刀在進(jìn)給方向上受到振動(dòng)時(shí)單刃鉆頭的柔曲性頻率范圍。所測(cè)得的第一個(gè)自有模式為580Hz，第二個(gè)自有模式為850Hz。這些都屬于彎曲振動(dòng)。所觀察到的在第一個(gè)主軸方向上的一種非典型的振動(dòng)振幅為2000Hz的第一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。極具典型的是2600Hz、3300Hz和3860Hz的自有模式，這些都是彎曲自振動(dòng)。

圖3 柔曲性在進(jìn)給方向上的頻率

　　從整體上看，頻率越高，單刃鉆刀的柔曲性就越強(qiáng)。由于振動(dòng)器的振動(dòng)力維持在恒定的水平，因此，可以說(shuō)鉆刀在較大的頻率范圍上的偏轉(zhuǎn)性也較強(qiáng)。除了采用空心鉆桿之外，單刃鉆刀長(zhǎng)度-直徑的比例也較大，這降低了鉆刀的剛性，增加了鉆刀折斷和振動(dòng)振幅趨大的危險(xiǎn)性。對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)所作的模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析的詳細(xì)評(píng)價(jià)表明，在鉆刀主軸的縱向和橫向上的不同振動(dòng)，在50~60Hz的頻率范圍內(nèi)同樣會(huì)產(chǎn)生較低的柔曲性頻率。對(duì)于兩種不同直徑的單刃鉆刀，所測(cè)得的自有模式和振動(dòng)方式的詳細(xì)列表見(jiàn)下表。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)不同的單刃鉆刀，可以對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能作出明確的描述。通過(guò)測(cè)量所獲得的對(duì)彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的認(rèn)識(shí)，將來(lái)可以研發(fā)出一種適配式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以對(duì)危險(xiǎn)的作業(yè)振動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)此要特別注意所識(shí)別的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的出現(xiàn)，這是因?yàn)檫@種現(xiàn)象會(huì)造成刀具使用壽命的極大縮短和刀具可能的失靈。

　　單刃鉆刀的模態(tài)參數(shù)可通過(guò)激光掃描振動(dòng)儀得到快速和可靠的測(cè)量。研究結(jié)果表明，對(duì)彎曲自振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的區(qū)分是可以做到的。對(duì)此，需要在鉆具表面上選擇出回形的測(cè)量點(diǎn)矩陣。在柔曲性頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的自有頻率，在兩個(gè)振動(dòng)方向上幾乎相同。除了能夠可靠地測(cè)得模態(tài)參數(shù)的能力之外，激光掃描振動(dòng)儀還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)形式的可視化。通過(guò)此種措施，單刃鉆刀在孔壁上的卡死過(guò)程即可得到澄清。此外，還可以設(shè)計(jì)出適配性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以識(shí)別出危險(xiǎn)的作業(yè)振動(dòng)并可對(duì)之進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)此，需要掌握對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)的作業(yè)振動(dòng)的認(rèn)識(shí)。下一個(gè)階段研究的目標(biāo)便是對(duì)單刃鉆刀的自有振動(dòng)模式進(jìn)行識(shí)別，以了解刀具在鉆進(jìn)過(guò)程中所出現(xiàn)的載荷和變形的情況。