在鑽孔時，振動會(hui) 帶來很大的問題。一方麵會(hui) 影響質量，另一方麵可能會(hui) 造成刀具斷裂而導致生產(chan) 中斷。為(wei) 了避免這類問題，應該對刀具振動進行測量並及時進行糾正。研究結果表明，掃描振動儀(yi) 適合用於(yu) 對單刃深孔鑽進時的相關(guan) 尺寸進行測定。

　　刀具振動是鑽孔加工時遇到的一個(ge) 重大問題。可適配的調節係統將來在刀具出現振動時，可以及時做出探測和調節。對此需要準確掌握刀具結構振動特性方麵的知識。下麵將介紹如何通過激光掃描振動儀(yi) 的實驗模態分析，來確定單刃深孔鑽刀的模態參數。對動態係統振動分析的最熟悉的方法是模態分析。這種亦被視為(wei) 是固有振動分析的方法可以測定出諸如係統的固有頻率、阻尼和形態等參數。

　　模態分析以結構每次動態變形均為(wei) 其形態的加權總和的原理為(wei) 基礎，每種模式均通過一種結構的振動參數與(yu) 精確的自由度而得出。在結構受到振動時，所有模態反應即會(hui) 按照比例，進入到整個(ge) 結構的運動中去。通過對模態反應的匯總，相應的結構反應即可變成為(wei) 特定的激勵頻率。對模態參數的認知，可以實現對係統動態狀態的描述，也是對模型形成所作係列探索的重要基礎。各種模型均建立在簡化了的設定的基礎之上，並被強製進入某種程度上的不確定性。

　　振動性係統在實際中表現如何，這往往隻有在實驗性探究的基礎上方可得到澄清。實驗性的模態分析是這方麵的最重要的測量方法之一，並有賴於(yu) 對結構的模型觀察。通過對係統的每個(ge) 測量點進行傳(chuan) 送功能的測定，可以獲得係統的實際動態特征。對此，采用相應的激勵源對探究的結構進行激勵，並對係統在各個(ge) 測量點上的反應進行測量。在時間範圍內(nei) 測得的信號借助於(yu) Fast-Fourier傳(chuan) 輸原理，被轉換為(wei) 頻率範圍，並依據基準信號而得出一種具備傳(chuan) 送功能的係統。由此可以測得諸如固有頻率、阻尼和自有形態的模態參數。在鑽孔過程中，最大為(wei) 5000Hz的頻率範圍是有意義(yi) 的。因此，有限的固有振動數量即足以對一種結構的動態特征作出描述，而對於(yu) 較低頻率來說，則會(hui) 出現頻率共振加劇的現象。

 
刀具屬於(yu) 無摩擦作業(ye) 流程中的關(guan) 鍵性部件。通過模態分析，可以
測得對於(yu) 作業(ye) 安全來說非常重要的參數，並對之進行調節

　　專(zhuan) 門儀(yi) 器進行測量

　　激光振動儀(yi) 是一種針對機械振動過程的無接觸和類型的測量方法，測量原理以光學頻率移動為(wei) 基礎，在振動結構的測量點發生離散時，頻率移動即可測得激光束。這種方法沒有反作用，並在大量的應用領域中允許對敏感結構和元件的應用，而在後一種的場合中，由於(yu) 物體(ti) 特性和環境參數的原因，無法使用接觸式的傳(chuan) 感元件。特別是設立了激光多普勒振動測量裝置，作為(wei) 一種無接觸的測量技術方法，實現對結構振動的測量。對此，電磁波和光波的發送器和接收器之間的相對運動會(hui) 導致受速度影響的頻率或波長的變化。

　　針對平麵振動測量，可以采用掃描振動儀(yi) 。采用這種掃描方法時，則以快捷的順序在物體(ti) 表麵的很多測量點上進行掃描（圖1），通過激光束在物體(ti) 表麵上的掃描和很高的空間分辨率，可以生成一係列單點測量結果。從(cong) 這些振動數據中，要麽(me) 是在時間範圍內(nei) 對同步運動過程，或者是在頻帶的頻率範圍內(nei) 對作業(ye) 振動形式進行測定和可視化。在振動過程可準確重複的條件下，可以對連續進行的測量進行整合。這可以通過一種在振蕩器上以特定的頻帶範圍生成的觸發信號來實現。

 
圖1 針對彎曲振動和扭轉振動測量的掃描點分布情況

　　在IWF上所進行的振動測量，可采用Polytec公司的激光掃描振動儀(yi) ，對單刃鑽頭的自有頻率ωo和屈服度N(ω)等模態參數進行測定。作為(wei) 實驗分析的測量物體(ti) ，使用了直徑為(wei) 11.76mm和φ7.22mm的全硬金屬頭（圓周為(wei) C形）的單刃鑽頭。鑽杆和張緊套（誤差：φ20 g6）由調質鋼構成，單刃鑽頭全長為(wei) 335mm。為(wei) 了在實驗分析中能夠測得彎曲振動和扭曲振動，首先要求對確定測量點所需的相應柵格線進行定義(yi) 。對此，對測量點的選擇采用回形的分布方式，激光束依次對之進行掃描。在沒有推進的情況下，直接呈垂直列陣分布的測量點位於(yu) 一個(ge) 平麵上；而在對單刃鑽頭進行振動推進時，則會(hui) 致使鑽頭發生偏移。在扭轉振動的情況下，鑽頭會(hui) 發生扭轉，激光束探測到的各重疊點的行程變化的結果各不相同。在評價(jia) 中，這種現象通過各重疊測量點的顏色變化來表示（圖1）。

具體(ti) 測量情況

　　為(wei) 了在實驗分析中避免外部的振動，采用了一種大質量的鋼質測量台。首先須對單刃鑽頭的主軸和重心進行計算，以便鑽頭縱向振動方向能夠直接對準鑽頭重心和兩(liang) 側(ce) 主軸的橫向方向。針對在鑽頭縱向上的振動，振動器和單刃鑽頭相互對著被張緊在老虎台或帶有襯皮和夾鉗的夾具上。自由的鑽頭端部帶有一個(ge) 硬化了的振動尖頂，尖頂上設有一個(ge) Piezo測力和一個(ge) 鋁質適配器。在與(yu) 張緊力的作用下，這些裝置可與(yu) 振動器相連接。通過一個(ge) 放大器，把一個(ge) 正弦信號和一個(ge) 特定的頻率帶傳(chuan) 送給在另一頭對單刃鑽頭發起振動的振動器。測力傳(chuan) 感器通過一個(ge) 受載放大器，把力的信號反饋給控製器，而控製器則通過由激光掃描振動儀(yi) 傳(chuan) 來的與(yu) 頻率相關(guan) 的行程變化信號，計算出模態參數。

 
圖2 柔曲性在第一主軸方向（34）上的頻率

　　圖2所示φ11.76mm單刃深孔鑽頭在第一主軸方向（34）上遭遇振動時的柔曲性頻率範圍，其曲線符合傳(chuan) 統的三位振動器的特征。由於(yu) 三位分布涉及單刃鑽具的鑽頭、鑽杆和張緊套，因此這種實驗方法是恰當的。880Hz自有模式易於(yu) 識別，這是一個(ge) 彎曲振動；而另一個(ge) 自有模式為(wei) 2000Hz的扭轉振動。第三個(ge) 典型的自有模式仍為(wei) 彎曲振動，頻率為(wei) 3300Hz。為(wei) 了便於(yu) 比較，圖3所示鑽刀在進給方向上受到振動時單刃鑽頭的柔曲性頻率範圍。所測得的第一個(ge) 自有模式為(wei) 580Hz，第二個(ge) 自有模式為(wei) 850Hz。這些都屬於(yu) 彎曲振動。所觀察到的在第一個(ge) 主軸方向上的一種非典型的振動振幅為(wei) 2000Hz的第一個(ge) 扭轉振動。極具典型的是2600Hz、3300Hz和3860Hz的自有模式，這些都是彎曲自振動。

 
圖3 柔曲性在進給方向上的頻率

　　從(cong) 整體(ti) 上看，頻率越高，單刃鑽刀的柔曲性就越強。由於(yu) 振動器的振動力維持在恒定的水平，因此，可以說鑽刀在較大的頻率範圍上的偏轉性也較強。除了采用空心鑽杆之外，單刃鑽刀長度-直徑的比例也較大，這降低了鑽刀的剛性，增加了鑽刀折斷和振動振幅趨大的危險性。對各個(ge) 測量點所作的模態實驗分析的詳細評價(jia) 表明，在鑽刀主軸的縱向和橫向上的不同振動，在50~60Hz的頻率範圍內(nei) 同樣會(hui) 產(chan) 生較低的柔曲性頻率。對於(yu) 兩(liang) 種不同直徑的單刃鑽刀，所測得的自有模式和振動方式的詳細列表見下表。#p#分頁標題#e#

　　實驗結果表明，針對不同的單刃鑽刀，可以對係統動態性能作出明確的描述。通過測量所獲得的對彎曲振動和扭轉振動的認識，將來可以研發出一種適配式的調節係統，以對危險的作業(ye) 振動進行調節。對此要特別注意所識別的扭轉振動的出現，這是因為(wei) 這種現象會(hui) 造成刀具使用壽命的極大縮短和刀具可能的失靈。

　　單刃鑽刀的模態參數可通過激光掃描振動儀(yi) 得到快速和可靠的測量。研究結果表明，對彎曲自振動和扭轉振動的區分是可以做到的。對此，需要在鑽具表麵上選擇出回形的測量點矩陣。在柔曲性頻率範圍內(nei) 出現的自有頻率，在兩(liang) 個(ge) 振動方向上幾乎相同。除了能夠可靠地測得模態參數的能力之外，激光掃描振動儀(yi) 還可以實現對振動形式的可視化。通過此種措施，單刃鑽刀在孔壁上的卡死過程即可得到澄清。此外，還可以設計出適配性的調節係統，這種係統可以識別出危險的作業(ye) 振動並可對之進行調節。對此，需要掌握對鑽進過程出現的作業(ye) 振動的認識。下一個(ge) 階段研究的目標便是對單刃鑽刀的自有振動模式進行識別，以了解刀具在鑽進過程中所出現的載荷和變形的情況。