掌握加工稳定性：攻丝测试和颤振预防指南

在敲击测试中，使用仪表锤来激励结构并使用传感器（例如加速度计）测量振动响应。该测试的目的是确定所选机械结构的频率响应函数 (FRF)。给定频响函数，我们可以计算一个稳定性图，它将产生颤振（即蓝色边界上方）的主轴速度和轴向深度的组合与不会产生颤振（边界下方）的主轴速度和轴向深度的组合分开。这样可以选择稳定的加工参数，无需反复试验；见图1。

图 1：铣削稳定性图。 来源（所有数据）：托尼·施密茨

测量频响函数所需的基本硬件是：

特色内容

• 在所需频率范围（或带宽）内输入已知力的机制
• 用于振动测量的传感器，同样具有所需的带宽
• 动态信号分析仪，用于记录时域力和振动输入并将其转换为所需的频响函数。

动态信号分析仪包括时域力和振动信号的输入通道，并计算这些信号的傅立叶变换以将它们转换到频域。然后计算频域振动信号与频域力信号的比值；这个比率就是频响函数（FRF）。图 2 提供了设置示意图。它包括时域力和振动，可能采取位移的形式，x ，速度，ẋ ，或加速度，ẍ 、输入和放大器。放大器用于增加信号的幅度。力和振动是模拟信号，在时间上是连续的。然而，用分析仪记录这些信号需要以很小的时间间隔对它们进行采样，或者将它们数字化。此过程是使用模数转换器 (ADC) 完成的。然后，动态信号分析仪将这些数字信号用于 FRF 计算。根据振动输入类型，频响函数可表示为：

• 接受度或顺应性 - 位移与力的比率
• 流动性 - 速度与力的比率
• 加速度或惯性 - 加速度与力的比率。

图2：FRF测量装置示意图。

力激励有三种常见类型。其中包括：

• 固定频率正弦波 – FRF 一次确定一个频率。在所需带宽内的每个频率处，施加正弦力，在短时间间隔内对力输入的响应进行平均，并计算频响函数。这称为正弦扫描测试。
• 随机信号 - 随机信号的频率内容可以是宽带（白噪声）或截断到有限范围（粉红噪声）。再次应用固定时间段内的平均值，但选定带宽内的所有频率都会在一次测试中激发。
• 冲动 – 使用短持续时间的冲击来激励结构并测量相应的响应。这种方法可以在一次简短的测试中激发广泛的频率。通常在频域中对多个测试进行平均，以提高相干性或力和振动信号之间的相关性。

为了产生这些不同的力，应用了两种常见类型的力输入硬件：

• 摇床 – 这些系统包括谐波驱动电枢和底座。电枢可以通过磁线圈或液压力沿其轴线致动。磁线圈或电动配置可以提供数十kHz的激励频率和数十至数千牛顿的力水平（增加的力通常意味着较低的频率范围）。液压振动台提供高力，具有静态预载的潜力（即平均力不为零），但频率范围相对较低。在任何一种情况下，力通常通过托管架或支持轴向拉伸和压缩但不支持弯曲或剪切的细长杆施加到感兴趣的结构上。这确保了力仅施加在单个方向上。该装置中集成了一个测力传感器来测量输入力；见图3。
• 冲击锤 – 冲击锤在金属、塑料或橡胶尖端处装有力传感器，用于测量锤击期间输入的力。当锤子与振动传感器结合使用时，测量过程称为敲击测试。输入到结构的能量是锤质量的函数；更大的质量提供更多的能量。因此，有多种尺寸可供选择。此外，力输入的激励带宽取决于质量和尖端刚度。较硬的尖端往往会激发更宽的频率范围，但也会将输入能量分散到更宽的范围内。较软的尖端将能量集中在较低的频率范围内。硬塑料和金属尖端提供更高的刚度，而橡胶尖端则降低刚度。

图 3：摇床设置。

振动传感器有非接触式和接触式两种类型。虽然非接触式传感器（例如电容探头和激光振动计）是首选，因为它们不会影响结构动力学，但接触式传感器（例如加速度计）通常更易于实施。作为折衷方案，可以使用低质量加速度计来尽量减少对测试结构的影响。使用蜡、粘合剂、磁铁或螺柱将它们固定在感兴趣的位置，然后在测试完成后将其移除。

图4：敲击测试的关键要素。

图 4 标识了敲击测试的关键要素。左下照片显示使用锤子敲击工具尖端和使用加速度计（用蜡固定在工具尖端）来测量振动响应。顶行显示力和振动的时间响应。我们看到轻击产生了短暂的力输入。由于该力，工具以衰减的幅度振动（由于阻尼）。中间行显示这些信号到频域的转换。水龙头会激发各种频率。底行显示 FRF。从该图中，我们可以确定每种振动模式的固有频率、刚度和阻尼比。