机床铣削加工时的工作模态分析方法

机床铣削加工时的工作模态分析方法
摘要：模态分析是近年结构健康监测领域的热点之一，其获取的结构模态参
数在既有结构的动力特性评价、结构损伤诊断、结构振动控制等领域具有重要应用。

工作模态分析只需测量结构在环境激励下的响应信号便可进行模态参数识别，具有操作简单可行、试验经济等特点，因而在程领域中得到了广泛应用。

近年来，很多学者分别在时域内和频域内提出了各种工作模态分析方法。

基于此，本篇文
章对机床铣削加工时的工作模态分析方法进行研究，以供参考。

关键词：机床铣削加工；工作模态；分析方法
引言
工作模态分析可仅利用结构输出的振动位移响应信号识别结构的工作模态参
数（模态振型、固有频率和阻尼比），进而应用于结构损伤检测、结构设计等。

目前，为识别时不变结构的工作模态参数，提出利用PCA和Isomap算法识别结
构的工作模态参数。

利用了LLE算法识别出复杂三维连续体结构的工作模态参数。

当前，针对线性慢时变结构的工作模态参数识别问题，主要有时域法和频域法。

线性慢时变结构的振动响应信号往往是不能一次性获取完整的，需要通过随着时
间的推移，不断进行采样得到。

因此，基于“短时时不变”理论的滑动窗方法能
很好应用于线性慢时变结构工作模态参数识别中。

目前，滑动窗方法已应用在一
些算法上做线性慢时变结构的工作模态参数识别。

将滑动窗与主元分析相结合，
有效的识别了多自由度系统的工作模态参数。

基于滑动窗变步长EASI算法识别
了线性慢时变系统的工作模态参数。

1现有铣削参数确定的情况
现代工业产品中涉及到大量复杂曲面，导致铣削处理技术的要求标准较高。

如何保障加工效率及品质，逐渐成为数控加工研究的热点。

影响铣削精度的因素
主要有切削参数、产品设计、制作材料和刀具等，其中切削参数最重要。

目前，
国内数控加工运用潜力和优势尚未完全突显。

如果选择运用传统处理经验确定参
数，会引发诸多问题。

因此，需探究铣削加工的参数，保障此工序的落实成效。

若参数设置不当，会影响机组运转效率和零件成品质量。

第一，空走刀频率增加，零件的有效加工时间短，使得制造时间长。

第二，机床及刀具会发生严重振动，
导致零件成品表面精度低。

第三，零件转角位置容易拉刀，从而造成过切的问题。

第四，刀具容易受损，出现磨损明显、刀具使用寿命缩短等问题。

第五，工时设
定不准确，无法提升零件制作管理效果。

2选定加工参数
在选定加工参数的过程中，需要确定刀具和检验规则等参数。

其中：刀具参
数包括直径和材料，需要根据具体情况进行选择；检验参数的设置需要满足机床
与刀具的工作需求，注重安全值与制造精度标准。

首先，计算切削力。

此参数在
切削期间会出现变化，在参数优化中通常表示最大的切削力值。

其次，确定切削
温度。

切削作业中，变形及摩擦耗用的功绝大部分会变成热能。

在确定温度参数时，需计算剪切温升和摩擦面温升得到温升均值。

再次，选择耐用性合适的刀具。

该参数表示从刀具开始使用直至摩钝的时长，与切削速度、切削材料及进给量有关。

最后，估算粗糙度。

一般曲面加工包含粗加工、半精加工以及精加工。

成品
粗糙度参数与刀具轨迹相关，需按照走刀方式确定估算思路。

例如，环形走刀会
形成横纵两个方向的粗糙度，其中纵向粗糙度难以预测且影响不大，实际优化中
可仅考虑横向参数。

3周期铣削激励下模态分析方法验证
在数控机床切削试验中，切削力需保证足够大的能量激励力才能辨识得到准
确模态参数。

因此加工参数设置如下:主轴转速为1200r/min，进给速度为600mm，切宽为8mm，切深为1．5mm，被切削工件为45钢。

图1为切削试验的现场布置图。

机床切削过程中，图2为主轴测点的原始加速度信号，其中包含明显的周期
成分。

图1切削试验现场
图2原始加速度信号
为了抑制信号中周期成分对辨识模态参数的干扰，对原始振动信号进行倒频谱编辑处理。

经过倒频谱编辑处理后，原始自功率谱与倒频谱编辑后信号的自功率谱对比见图3。

由图可知，原始信号的谐频及倍频在倒频谱编辑后被去除，周期成分得到了有效的去除。

剩余信号部分保留了原始自功率谱的大体轮廓，可用于工作模态分析。

图3原始信号与倒频编辑后信号的自功率谱对比
采用LMS．TestLab软件中的Op．PolyMAX算法对倒频谱编辑后的剩余信号进行模态参数辨识。

为了与传统试验模态分析保持一致，辨识过程中的模态阶数和分析频带参数的设置与PolyMAX分析过程相同。

图4为倒频谱编辑后信号的模
态稳态图。

根据稳态图中自功率谱和极点队列的分布可知，各阶模态均得到了有
效辨识。

图4倒频谱编辑后的主轴信号的稳态图
由静止与铣削状态下得到的固有频率和阻尼比对比可知(见表1和表2):①不
同状态下，同阶模态频率均有偏差，但偏差均不超过±5%;②当模态阶数增加时，不同状态下、同阶次固有频率的差异百分比逐渐减小;③各阶模态阻尼比差异较大。

机床固有频率和阻尼比在不同状态下存在差异的可能原因如下:①两种方法
的激励方式和频带不同，试验模态分析中的锤击力可近似为宽频脉冲信号，但工
作模态分析中的激励力频带较小，不能充分激发所有的模态;②与静止状态相比，机床的边界条件发生变化，机床运行状态下的物理特性(质量矩阵、刚度矩阵和
阻尼矩阵)不同，所以动力学特性也会存在差异。

4加强机床铣削加工精度的路径探索
4.1合理设计工艺支撑
机床外形相对不规则，外加机床自身特性影响导致其极易在铣削加工过程中
出现形变问题而影响到铣削加工精度，因此在实际机床加工过程中要合理设置科学、标准、规范的铣削加工工艺技术，以有效保障机床铣削加工精度。

选用不同
的薄壁件进行加工时，要充分考虑工件加工受热和应力的影响程度，再结合薄壁
件加工目标和要求合理设计、采用有效的工艺支撑，以最大限度保障机床在受外
界应力的作用下不会发生明显变形；实际机床在进行加工时需要多次变换固定位置，这就需要人们在进行机床加工前有效结合远技术坐标，以科学计算并合理设
置工件的固定位置，然后严格控制加工顺序和流程，以消除残余应力对工件形变
的影响。

4.2正确选择使用工具
在以往的机床铣削加工过程中采用的夹具通常为自定心三爪和四爪卡盘式，
而不同夹具在使用过程中的夹紧方向不同、夹紧应力和拉应力也不同，这时工件
会在夹紧力的作用下达到预期目标，因此要根据实际机床特性科学选择最佳的夹
具和施加的夹紧力，选择合适、有效的装夹方式，在降低工件变形程度的基础上，降低专用夹具的制造成本；根据刀具直径、螺旋角以及机床的加工要求科学选择
刀具参数，确保工件内腔精加工时刀具的直径要小于拐角处的圆角半径，以避免
由于刀具与零件的接触面变大而产生振动现象，从而增加工件表面振纹。

结束语
综上所述，本文基于铣削加工过程中路径的变化，建立了工作模态分析模型。

分析如下：（1）切削点越靠近薄壁件中心，固有频率越高，工件变形越小。

（2）根据实验数据拟合结果发现，工作模态分析即可对切削点的动态特性进行较好的
评估。

参考文献
[1]李春辉,宋志强,张博,苏一鸣.机床铣削加工时的工作模态分析方法[J].
工具技术,2019,55(10):78-81.
[2]孙启梦.大型弱刚性零件加工工艺优化及数控加工过程监测方法研究[D].东华大学,2019.
[3]侯鹏荣.铝合金LF21微铣削表面形貌仿真研究[D].大连理工大学,2019.
[4]刘斌.立卧加工中心关键零部件静动态特性分析及优化设计[D].山东大学,2019.
[5]王晨.高速高精加工中心的切削稳定性研究[D].兰州理工大学,2019.。