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1   试验概述

某数控刀具股份有限公司车刀切削时有声音过大的现象，委托北京东方振动和噪声技术研究所对刀杆分别进行了悬垂下的模态测试、夹持下的固有频率测试、切削过程的振动测试，通过测试寻找上述现象发生的原因并为该车型的性能改进提供依据。

2   试验仪器及测试过程

2.1 试验仪器

本次试验所用设备采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的INV3062T0型24位智能信号采集处理分析仪、MSC-1试验用小弹性力锤、INV9822型振动传感器、INV9824 型振动传感器等其它设备，连接示意图如图1所示，试验现场照片如图2所示。

图1 试验仪器连接示意图

             图2 试验现场图

2.2 测试过程

本次测试对象为两把刀杆，按颜色分为：黑色刀杆和白色刀杆。根据测试要求，本次刀杆试验分为：悬垂条件下模态测试、夹持条件下固有频率测试、切削条件下的振动测试共三部分进行：

（1）对于悬垂条件下的模态测试，先将刀杆用轻质细绳在其刀尖处的孔里悬挂，接着在刀杆上划点并在测点上布INV9822传感器，随后用试验小力锤MSC-1遍历所有测点进行敲击同时采集力锤和振动传感器的信号，最后进行模态分析。

（2）夹持在刀座上的固有频率测试，先将刀杆固定在刀座上，接着在刀杆上划测点布置INV9822传感器，随后用试验小力锤MSC-1进行敲击，最后进行固有频率分析。

（3）刀杆在运行中的振动测试，先将刀杆固定在刀座上，接着在刀杆上划测点布置INV9824传感器，随后开机进行切削并采集振动数据，最后进行振动分析。

3 测试结果分析

3.1  悬垂条件下模态测试分析结果

刀杆模态测试时，由于长径比>10,可以将结构简化为梁结构，划测点时只沿着长度方向布置测点，圆周方向不布置测点，在刀杆的上下两端各布置一个传感器，进行MIMO模态测试。

3.1.1  白色车刀模态测试

白色刀杆沿着长度方向8等分共9个测点，在测点1和测点9布置INV9822振动传感器，下图是力锤的力脉冲信号和力谱，从图中可看出，力锤对0-10KHz以内的信号进行有效激励。

 

图3  力脉冲信号及力谱图

下图为响应信号和激励信号的传递函数（频响函数）图。从图中可以看出，该刀杆态频率分布在700~9000Hz区间内，且峰值明显。在模态频率的峰值点处，相位的变化符合共振时振动相位变化的特点，相干系数在模态频率的峰值点处，值也接近于1。说明本次试验采集的数据正确的反映了该刀杆板的振动特性。

图4  响应信号激励信号的传递函数图

模态拟合时，先使用特征系统实现算法（ERA）进行数据拟合，和传统方法相比ERA算法通过稳定图的方式进行计算，对复杂结构密集模态具有更好的识别能力，通过稳定图也可以对由于信噪比偏低造成的谱峰不清晰的模态参数进行更有效识别。

然后再用东方所独创的PolyIIR模态拟合方法进行拟合，该方法的特点是拟合同时考虑所有的频响函数或互功率谱，为总体拟合的方法，计算速度快，精度高，可识别密集模态的参数。和特征系统实现算法（ERA）的拟合结果相互比较、验证。最后，得出本次试验的模态测试结果，即：该刀杆板前4阶模态的频率、阻尼比和振型（见图5）。

图5  1~4阶模态振型图

从上图可看出，本次试验测出白色刀杆的前4阶模态，测点数目增加振型会更光滑美观，所以在随后的黑色车刀模态测试中对测点进行了增加。

 

3.1.2  黑色车刀模态测试

 黑色刀杆沿着长度方向10等分共11个测点，在测点1和测点11布置INV9822振动传感器，测试及分析方法同上。

图6  力脉冲信号及力谱图

图7  响应信号激励信号的传递函数图

图8  1~4阶模态振型图

从图8可看出，本次试验测出黑色刀杆的前4阶模态，测点数目增加后模态振动变得光滑美观，黑色刀杆比白色刀杆相应阶数的模态频率数值均要大，这与黑色刀杆相对因长度较短刚度增加是对应的。

3.2  刀杆夹持在刀座上固有频率结果分析

本试验对象有三把刀杆，其中白色刀杆两把，黑色刀杆一把，每根刀杆都分别夹持在刀座上保证正常的安装状态，将采集到的力锤敲击时的力信号和加速度传感器的振动信号通过传递函数计算获得刀杆在固有频率。

 

3.2.1  夹持在刀座上时第一根白色刀杆固有频率测试

采样方式采用多次触发方式，运用北京东方所变时基专利技术，测试过程中，测试过程中发现2000-4000Hz之间谱峰密集且相位特征不明显，为保证试验准确性，共进行两次测试，具体如下：

图9  第一根白色刀杆传递函数图

 

从图9可看出，两次测试过程中均在1275Hz时有明显的谱峰且相位关系符合共振的特征，综合这两次测试可判定第一根白色刀杆的1阶频率为1275Hz，比悬垂时1阶频率增大，高阶频率因安装条件的改变而成分变得复杂，需要通过模态振型进行甄别。

 

3.2.2  夹持在刀座上时第二根白色刀杆固有频率测试

第二根白色刀杆的试验方法同上，结果如下：

 

图10  第二根白色刀杆传递函数图

 

从图10可看出，两次测试过程中均在1268.75Hz时有明显的谱峰且相位关系符合共振的特征，综合这两次测试可判定第二根白色刀杆的1阶频率为1268.75Hz，比悬垂时1阶频率增大且比相同安装条件下第一根白色刀杆的1阶频率略小，高阶频率因安装条件的改变而成分变得复杂，需要通过模态振型进行甄别。

 

3.2.3  夹持在刀座上时黑色刀杆固有频率测试

黑色刀杆的试验方法与两根白色刀杆相同，测试过程中发现2000-6000Hz之间谱峰密集且相位特征不明显，且在1000Hz（低于悬垂条件下的1阶变形模态）以下有明显的谱峰，为保证试验准确度，共进行两次测试，结果如下：

 

图11  黑色刀杆传递函数图

 

从图11可看出，两次测试过程中均在543.75 Hz时有较明显的谱峰且相位关系符合共振的特征，但此频率低于黑色刀杆在悬垂条件下第1阶变形模态，依据振动理论在这里应该是刚体模态，高阶频率因安装条件的改变而成分变得复杂，需要通过模态振型进行甄别。

3.3  刀杆切削过程中的振动分析

切削过程中的振动分析就是通过改变转速、进给、改变切深等切削参数分享刀杆安装在刀座上的振动情况。

 

3.3.1  切削过程中第一根白色刀杆振动测试

本部分试验对象是3.2中第一根白色刀杆，加速度传感器为INV9824，采集不同切削参数下的工况下的振动数据，通过自谱分析（FFT）进行频率计算分析。

   

图12

 

从图12可看出，转速100rpm时刀杆的1阶频率为1250Hz，转速为120rpm和80rpm时刀杆的1阶频率均为1300Hz，这三个转速下该刀杆的1阶频率变化不大且均接近其安装在刀座上的1阶固有频率1275Hz。

 

图13

 

从图13可看出，转速100rpm时刀杆1阶频率均为1300Hz，这说明切削时改变进给量和切深不影响刀杆的1阶振动频率。

 

3.3.2  切削过程中第二根白色刀杆振动测试

本部分试验对象是3.2中的第二根白色刀杆，加速度传感器为INV9824，采集不同切削参数下的工况下的振动数据，通过自谱分析（FFT）进行频率计算分析。

图14

 

从图14可看出，转速80rpm时第二根白色刀杆的1阶频率为1250Hz，转速为100rpm和120rpm时刀杆的1阶频率均为1300Hz，这三个转速下该刀杆的1阶频率变化不大且均接近其安装在刀座上的1阶固有频率1275Hz。

图15

 

从图15可看出，转速100rpm时第二根白色刀杆1阶频率均为1300Hz，这说明切削时改变进给量和切深不影响刀杆的1阶振动频率。

 

3.3.3  切削过程中黑色刀杆振动测试

本部分试验对象是3.2中的黑色刀杆，加速度传感器为INV9824，采集不同切削参数下的工况下的振动数据，通过自谱分析（FFT）进行频率计算分析。

图16

 

从图16可看出，转速80rpm时第二根白色刀杆的1阶频率为550Hz，转速为100rpm和120rpm时刀杆的1阶频率均为500Hz，这三个转速下该刀杆的1阶频率变化不大且均接近其安装在刀座上的1阶固有频率543.75 Hz。

4   结论

1、  在悬垂条件下，根据刀杆的尺寸合理简化后分别测出了白色刀杆和黑色刀杆的前四阶模态，与理论计算相吻合，适当地增加测点会使振型更加光滑而美观；

2、  夹持在刀座上时，刀杆的频率成分变得复杂，此时需结合模态测试甄别频率阶次；

3、  改变转速、进给、切深对三把刀杆的1阶频率影响很小甚至没有影响，在现场试验的几种切削参数下，三把刀杆均进入共振区从而造成了切削过程声音过大。