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摘要：以Oerlikon制全齿制数控铣齿机为试验对象，根据数控机床切齿加工原理分析刀盘、产形轮、轮坯的相对位置关系，根据切削颤振非线性理论与动力学试验，得出机床刀盘和被加工零件间激振的频率响应图，并进行切削试验模拟分析，得出机床振动的各个频率与振型。
关键词：Oerlikon齿制； 动态试验分析； 切削试验
一、前言
金属加工数控机床颤振是限制生产效率、阻碍品质提高的重要因素。颤振不仅会影响加工工件的表面质量、产生噪声、损坏机床、刀具。因此，控制颤振是加工过程中的一个重要环节，也是数控系统控制加工系统中的关键技术。
从二十世纪中期以来，全球学者一直都在致力于颤振控制的探索研究，逐步形成了三种控制颤振的方法。
第一种方法是根据振动理论。增加数控机床结构的阻尼或采用动力吸振器来控制颤振。
第二种方法是根据控制理论。从所测的被加工工件和刀盘支架的相对振动位移或切削力的大小。控制刀盘的前后移动来抵消被加工工件与刀盘之间的相对振动。或向被加工工件施加阻振力来控制颤振。
第三种方法是根据机床颤振理论。研究颤振振幅与切削参数（切削用量）的非线性关系，调整切削参数（切削用量）来控制颤振。
长时间以来， 工程师研究机床切削颤振结合切削颤振稳定性极限理论，通过模拟试验方法，计算刀盘和被加工工件间激振的频率响应图，来确定切削颤振的频率。通过模态试验分析和切削试验，测量出数控机床振动的频率和振型以及切削振动的频率，找出主振频率。
颤振对加工质量的影响非常大，主要表现在以下几点：
1）加工过程中的颤振降低工件表面的质量，出现加工表面的振纹，粗糙度值变大。使工件和刀具之间产生相对振动，影响正常的加工轨迹。 影响加工表面的质量和精度。
2）由于振动的产生降低了刀具的使用寿命，破坏刀具的切削条件，使刀具的磨损加快，还会使切削刃的崩裂，很大程度的影响了刀具的使用寿命。
3）为消除颤振带来的影响和降低生产效率，往往会降低切削量。由于刀具的使用寿命降低了，经常换刀、磨刀，生产效率低下。
4）破坏数控机床的原始精度，由颤振使机床的结构部件之间松动、间隙增大，使机床零件的快速磨损，造成机床精度快速下降，影响切削精度，大幅度降低机床的使用寿命。
5）研究对象为Oerlikon制全齿制铣齿机（图一），数控机床主要結构由：床身、摇台支架、主轴驱动体、工件箱体组成。此机床加工最大模数m=8，最大加工工件直径400mm。根据颤振理论， 可以对避免切削颤振的发生有着重要的指导作用。通过模拟试验对机床切削颤振进行研究，对机床的结构设计具有重要的指导意义。
二、数控机床切削颤振的稳定性极限理论
在加工过程中，刀盘相对于被加工件的颤振能影响齿面精度，因此，尽可能的使测试点接近加工区域。在摇台主轴的刀盘附近以及工件主轴箱的切齿最靠近的地方作为加工颤振的测试区域（图4所示）。每个测试区域上都分别设置三个传感器，采用数据采集系统装置进行数据的采集和转换。测试数据由传感器、数据采集器传达到电脑，经FFT处理后，测量出刀盘与被加工零件间的颤振参数。
在测试检验之前，首先采用优化设计有限元方法粗略计算此台数控铣齿机床的固有频率、振型，先前知道固有频率的分布范围、模态密集的程度、各个阶次振型的形态，使在模态试验时激励的方式、测点的布置都提供充足的依据。确保能够非常准确的测试出数控铣齿机床的结构特征，设计测试点的数量要适中，既不多也不少。测试点布置的太多反而会造成数据的处理相当烦杂，也许会不准确的反映数控铣齿机床结构特征的测试点，容易出现误差信号；测试点要是布置少了也会不准确的测试出数控铣齿机床的动态特性。根据此数控铣齿机床的结构特征和有限元分析的报告，一共设计120个测试点。每个测试点的三个方向上设计装有Kistler压电式加速度传感器采取振动信号，振动频率经过数据采集系统输入到电脑中。再运用单点式激振、逐点式采集振频的方法，对120个检测点开始逐个测试点的采集振频，激励的作用点设计在刀盘主轴箱的中间位置，设定方向为-Y向。一共选取120×3种加速度的响应频率信号。测试数据的后续处理，选奥地利ME’ScopeVes4.0模态分析的软件进行分析。
试验模态结果表：（见表1）
试验结果得出此数控铣齿机在加工过程时有80.08Hz和121.09Hz两种主振频率。图7 为τ=25s 时被加工零件的颤振频域曲线，80.08 Hz和121.05 Hz在Y方向上的振动明显；对应各种τ，逐个测量出刀盘切入和切出被加工零件时颤振频率为80.08 Hz和121.09Hz的频率参数，如图5表示。由图6的刀盘—被加工零件相对激励频响函数的曲线判断，80Hz 和121Hz的地方数控铣齿机床存在振动。X80、X121在对应测试部位的颤振频率80.08 Hz与121.09 Hz在X方向上的颤振；Y80、Y121 代表测试区域点的颤振频率80.08 Hz与121.09 Hz在Y方向上的颤振。由图知道，颤振频率的数据最高是里面的Y80.08、Y121.09是最高值。
所以，机床结构80.08Hz和121.05Hz这两种模态，引起加工过程中出现80 Hz和121Hz的颤振频率。
总结
数控铣齿机刀盘—被加工工件之间频响函数的测验、加工颤振试验表明，此数控铣齿机有2种主模态频率，它们为对应80Hz和121 Hz的颤振频率。121Hz的模态振型表示，摇台主轴箱和工件主轴箱的扭转刚度较弱；80 Hz模态振型表示，床身绕平面的扭转刚度和弯曲刚度不足。由此数控铣齿机机床切削颤振的动态性能试验分析，指出机床的2种主模态频率。试验表明，此数控铣齿机床颤振频率均匀，各个颤振方向峰值类似，得到机床刚度分布均匀，动态性能较好，通过此机床的试验，得到了改进数控铣齿机床动态性能的实例，对所有数控铣齿机的设计和改进能进一步探索，从而可以从整个方面上提升整体机床的精度。
参考文献
[1]巩云鹏，田万禄，张祖立，等.机械设计课程设计[M].沈阳： 东北大学出版社，2000.
[2]孙志礼，冷兴聚，魏严刚，等.机械设计[M].沈阳： 东北大学出版社，2000.
[3]刘鸿文.材料力学[M].北京： 高等教育出版社，1991.
[4]哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学[M].北京： 高等教育出版社，1997.
[5]大连理工大学工程画教研室.机械制图[M].北京： 高等教育出版社，1993.
[6]高泽远，王金.机械设计基础课程设计[M].沈阳：东北工学院出版社， 1987.
[7]张玉，刘平.几何量公差与测量技术[M].沈阳：东北大学出版社，1999.
[8]吴建华，刘治平，刘宝善，等.机床模态测试中的相对动态响应及其应用[J].天津大学学报，1996（1）.
关键词：Oerlikon齿制； 动态试验分析； 切削试验
一、前言
金属加工数控机床颤振是限制生产效率、阻碍品质提高的重要因素。颤振不仅会影响加工工件的表面质量、产生噪声、损坏机床、刀具。因此，控制颤振是加工过程中的一个重要环节，也是数控系统控制加工系统中的关键技术。
从二十世纪中期以来，全球学者一直都在致力于颤振控制的探索研究，逐步形成了三种控制颤振的方法。
第一种方法是根据振动理论。增加数控机床结构的阻尼或采用动力吸振器来控制颤振。
第二种方法是根据控制理论。从所测的被加工工件和刀盘支架的相对振动位移或切削力的大小。控制刀盘的前后移动来抵消被加工工件与刀盘之间的相对振动。或向被加工工件施加阻振力来控制颤振。
第三种方法是根据机床颤振理论。研究颤振振幅与切削参数（切削用量）的非线性关系，调整切削参数（切削用量）来控制颤振。
长时间以来， 工程师研究机床切削颤振结合切削颤振稳定性极限理论，通过模拟试验方法，计算刀盘和被加工工件间激振的频率响应图，来确定切削颤振的频率。通过模态试验分析和切削试验，测量出数控机床振动的频率和振型以及切削振动的频率，找出主振频率。
颤振对加工质量的影响非常大，主要表现在以下几点：
1）加工过程中的颤振降低工件表面的质量，出现加工表面的振纹，粗糙度值变大。使工件和刀具之间产生相对振动，影响正常的加工轨迹。 影响加工表面的质量和精度。
2）由于振动的产生降低了刀具的使用寿命，破坏刀具的切削条件，使刀具的磨损加快，还会使切削刃的崩裂，很大程度的影响了刀具的使用寿命。
3）为消除颤振带来的影响和降低生产效率，往往会降低切削量。由于刀具的使用寿命降低了，经常换刀、磨刀，生产效率低下。
4）破坏数控机床的原始精度，由颤振使机床的结构部件之间松动、间隙增大，使机床零件的快速磨损，造成机床精度快速下降，影响切削精度，大幅度降低机床的使用寿命。
5）研究对象为Oerlikon制全齿制铣齿机（图一），数控机床主要結构由：床身、摇台支架、主轴驱动体、工件箱体组成。此机床加工最大模数m=8，最大加工工件直径400mm。根据颤振理论， 可以对避免切削颤振的发生有着重要的指导作用。通过模拟试验对机床切削颤振进行研究，对机床的结构设计具有重要的指导意义。
二、数控机床切削颤振的稳定性极限理论
在加工过程中，刀盘相对于被加工件的颤振能影响齿面精度，因此，尽可能的使测试点接近加工区域。在摇台主轴的刀盘附近以及工件主轴箱的切齿最靠近的地方作为加工颤振的测试区域（图4所示）。每个测试区域上都分别设置三个传感器，采用数据采集系统装置进行数据的采集和转换。测试数据由传感器、数据采集器传达到电脑，经FFT处理后，测量出刀盘与被加工零件间的颤振参数。
在测试检验之前，首先采用优化设计有限元方法粗略计算此台数控铣齿机床的固有频率、振型，先前知道固有频率的分布范围、模态密集的程度、各个阶次振型的形态，使在模态试验时激励的方式、测点的布置都提供充足的依据。确保能够非常准确的测试出数控铣齿机床的结构特征，设计测试点的数量要适中，既不多也不少。测试点布置的太多反而会造成数据的处理相当烦杂，也许会不准确的反映数控铣齿机床结构特征的测试点，容易出现误差信号；测试点要是布置少了也会不准确的测试出数控铣齿机床的动态特性。根据此数控铣齿机床的结构特征和有限元分析的报告，一共设计120个测试点。每个测试点的三个方向上设计装有Kistler压电式加速度传感器采取振动信号，振动频率经过数据采集系统输入到电脑中。再运用单点式激振、逐点式采集振频的方法，对120个检测点开始逐个测试点的采集振频，激励的作用点设计在刀盘主轴箱的中间位置，设定方向为-Y向。一共选取120×3种加速度的响应频率信号。测试数据的后续处理，选奥地利ME’ScopeVes4.0模态分析的软件进行分析。
试验模态结果表：（见表1）
试验结果得出此数控铣齿机在加工过程时有80.08Hz和121.09Hz两种主振频率。图7 为τ=25s 时被加工零件的颤振频域曲线，80.08 Hz和121.05 Hz在Y方向上的振动明显；对应各种τ，逐个测量出刀盘切入和切出被加工零件时颤振频率为80.08 Hz和121.09Hz的频率参数，如图5表示。由图6的刀盘—被加工零件相对激励频响函数的曲线判断，80Hz 和121Hz的地方数控铣齿机床存在振动。X80、X121在对应测试部位的颤振频率80.08 Hz与121.09 Hz在X方向上的颤振；Y80、Y121 代表测试区域点的颤振频率80.08 Hz与121.09 Hz在Y方向上的颤振。由图知道，颤振频率的数据最高是里面的Y80.08、Y121.09是最高值。
所以，机床结构80.08Hz和121.05Hz这两种模态，引起加工过程中出现80 Hz和121Hz的颤振频率。
总结
数控铣齿机刀盘—被加工工件之间频响函数的测验、加工颤振试验表明，此数控铣齿机有2种主模态频率，它们为对应80Hz和121 Hz的颤振频率。121Hz的模态振型表示，摇台主轴箱和工件主轴箱的扭转刚度较弱；80 Hz模态振型表示，床身绕平面的扭转刚度和弯曲刚度不足。由此数控铣齿机机床切削颤振的动态性能试验分析，指出机床的2种主模态频率。试验表明，此数控铣齿机床颤振频率均匀，各个颤振方向峰值类似，得到机床刚度分布均匀，动态性能较好，通过此机床的试验，得到了改进数控铣齿机床动态性能的实例，对所有数控铣齿机的设计和改进能进一步探索，从而可以从整个方面上提升整体机床的精度。
参考文献
[1]巩云鹏，田万禄，张祖立，等.机械设计课程设计[M].沈阳： 东北大学出版社，2000.
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[3]刘鸿文.材料力学[M].北京： 高等教育出版社，1991.
[4]哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学[M].北京： 高等教育出版社，1997.
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[8]吴建华，刘治平，刘宝善，等.机床模态测试中的相对动态响应及其应用[J].天津大学学报，1996（1）.