掌握加工稳定性：敲击测试与颤振防治指南

敲击测试中，使用仪器锤激励结构，并用传感器（如加速度计）测量振动响应。测试目的是识别所选机械结构的频率响应函数（FRF）。获得 FRF 后，可计算稳定性图谱，将产生颤振的主轴转速与轴向切深组合（蓝色边界上方）与不产生颤振的组合（边界下方）分离。这使在无试错的情况下选择稳定加工参数成为可能；见图 1。

图 1：铣削稳定性图谱。来源（所有图片）：Tony Schmitz

测量 FRF 所需的基本硬件：

核心内容

• 跨所需频率范围（或带宽）的已知力输入机制
• 具备所需带宽的振动测量传感器
• 动态信号分析仪，记录时域力与振动输入并转换为目标 FRF。

动态信号分析仪包含时域力与振动信号的输入通道，计算这些信号的傅里叶变换将其转至频域。随后计算频域振动信号与频域力信号的比值；该比值即为 FRF。图 2 给出装置示意图。包含时域力与振动（可为位移 x、速度 ẋ 或加速度 ẍ）、各自放大器。放大器用于增大信号幅值。力与振动为模拟信号，随时间连续。但分析仪记录需以微小时间间隔采样、即数字化。该过程由模数转换器 (ADC) 完成。数字信号随后由动态信号分析仪用于 FRF 计算。依振动输入类型，FRF 可表示为：

• 顺度或柔度 – 位移与力之比
• 机动度 – 速度与力之比
• 加速度计或惯性 – 加速度与力之比。

图 2：FRF 测量装置示意图。

常见三类力激励：

• 固定频率正弦波 – 逐频率确定 FRF。在所需带宽内各频率施加正弦力，对力输入响应短时平均后计算 FRF。称正弦扫频测试。
• 随机信号 – 随机信号频谱可为宽带（白噪声）或截断限定范围（粉红噪声）。再次对固定时段平均，但单次测试激励所选带宽内所有频率。
• 冲击 – 短时冲击激励结构并测量相应响应。单次短测试即可激励宽频带。通常在频域平均多次测试以提高相干性（即力与振动信号相关性）。

产生上述不同力的两类常见硬件：

• 振动台 – 含谐波驱动电枢与底座。电枢可经磁线圈或液压力沿轴向驱动。磁线圈/电动配置可提供数十 kHz 激励频率、数十至数千牛顿力级（力增大通常频率范围降低）。液压振动台提供大力、可施加静态预载（即平均力非零），但频率范围相对较低。任一情况下，力常通过细长拉杆（仅承受轴向拉压、不承受弯曲或剪切）施加于目标结构，确保单向施力。装置含测力传感器；见图 3。
• 冲击锤 – 冲击锤头部的金属、塑料或橡胶尖端内置力传感器，测量敲击时的力输入。冲击锤配合振动传感器使用的测量过程即称敲击测试。输入结构的能量取决于锤质量；质量越大能量越高。故有多种规格。激励力输入带宽取决于质量与尖端刚度。刚性尖端激励频带宽、但能量分散于宽频带；软尖端将能量集中于低频带。硬塑料与金属尖端刚度高，橡胶尖端刚度低。

图 3：振动台装置。

振动传感器分非接触与接触两类。非接触式（电容探针、激光测振仪）因不影响结构动力学而首选；接触式（加速度计）常更便于实施。折衷方案是用低质量加速度计以最小化对测试结构影响。它们用蜡、胶粘剂、磁铁或螺纹柱固定于关注位置，测试完成后拆除。

图 4：敲击测试关键要素。

图 4 标识敲击测试关键要素。左下角照片显示用锤敲击刀尖、用蜡固定在刀尖的加速度计测量振动响应。顶行显示力与振动的时域响应。可见敲击产生短时力输入。受此力作用，刀具以衰减振幅振动（因阻尼）。中行显示信号转频域。敲击激励宽频带。底行显示 FRF。从此图可识别各振动模态的固有频率、刚度与阻尼比。