劉建勇，翟力軍，王敏達，丁連同，馮猛

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.北京工業(yè)大學北京市先進制造技術重點實驗室，北京100124）

大型牛頭滑枕式電火花加工機床的動態(tài)特性測試與分析

劉建勇1，翟力軍1，王敏達2，丁連同1，馮猛2

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.北京工業(yè)大學北京市先進制造技術重點實驗室，北京100124）

系統(tǒng)闡述了典型大型牛頭滑枕式電火花加工機床的動態(tài)性能測試和分析方法。用多通道信號采集分析儀對該機床在多個位姿進行了多點激勵單點識振的模態(tài)測試和模擬工況下的ODS（Operational Deflection Shapes）測試。綜合分析模態(tài)測試和ODS測試結果可知，該機床在不同行程位置處的動態(tài)性能穩(wěn)定性較差，需通過對機床進行整機機械結構更合理的布局、滑動部件的輕量化設計和提高床身等部件的靜剛度等措施來提高機床動態(tài)性能的穩(wěn)定性。

電火花加工；牛頭滑枕式；模態(tài)測試；ODS測試

牛頭滑枕式電火花加工機床的工作臺固定不動或可實現X方向移動，主軸頭通過滑枕可實現Y方向移動或X、Y方向移動［1-2］。這種結構的機床具有工作臺固定不動、滑枕移動較輕捷的特點，使裝配在該類機床上的工件安裝穩(wěn)定性好，工件的調整和檢測方便。大型電火花加工機床具有油槽容積大、裝配的工件尺寸和重量大等特點；而牛頭滑枕式結構的機床成本相對較低，且其結構特點又很好地適應了大型零部件的加工和檢測需求，因此，在大型電火花加工機床中得到了廣泛應用。

隨著我國航空、航天、汽車、能源領域的快速發(fā)展，高精度大型難加工零件大量涌現，如整體閉式葉輪、大型整體帶冠渦輪盤等。這類零件的材料特殊，加工精度要求高，加工周期長，故對大型電火花加工機床的精度、效率和可靠性提出了更高的要求。而大型電火花加工機床所具備的良好的動態(tài)特性是實現高精度、高效率、高可靠性加工的基礎。

目前，試驗模態(tài)分析法已發(fā)展成為分析結構動力學特性和解決振動問題的重要手段，在機床行業(yè)得到了廣泛應用［3-4］。本文通過模態(tài)測試和機床運行變型（ODS）測試相結合的方法，對典型大型牛頭滑枕式電火花加工機床（圖1）的動態(tài)特性進行研究。

圖1 大型牛頭滑枕式電火花加工機床主機

1 測試系統(tǒng)與方案

試驗采用丹麥B&K模態(tài)測試分析系統(tǒng)（圖2）對典型大型牛頭滑枕式電火花加工機床進行動態(tài)性能測試。該測試系統(tǒng)主要包括:單向加速度傳感器4507B、5320-50型力錘、pulse后處理軟件、多通道前端等。

圖2 B&K模態(tài)測試分析系統(tǒng)

1.1 模態(tài)測試方案

針對大型牛頭滑枕式電火花加工機床的結構特點，模態(tài)試驗的激勵方式選擇多點激勵單點識振測試方法，即在試驗過程中保持測量點不動，只改變激勵點的位置。

由于大型牛頭滑枕式電火花加工機床的結構特點，使X、Y軸行程的改變對整機結構形態(tài)的影響很大。為深入掌握大型牛頭滑枕式電火花加工機床的整機動態(tài)性能，本文將選取4個測量位置分別進行模態(tài)測試，這4個測量位置所對應的X、Y軸行程分別為:X 2100，Y 900；X 2100，Y 0；X 1100，Y 900；X 1100，Y 0。測試時，為了能體現各個部件對主軸頭電極處的影響，將傳感器放置在Z軸下端，分別在X、Y、Z 3個方向激勵，激勵點分別布置在Z軸、Z軸底座、滑枕、中溜板、立柱及床身上。

根據機床的外形尺寸和機床的不同姿態(tài)，建立相應姿態(tài)的機床基本模型，并在系統(tǒng)中設置力錘和傳感器的分布位置。試驗時，根據不同的測試方向調整力錘和傳感器的數量和方向。4個測量位置的機床基本模型和X方向力錘位置見圖3，Y、Z方向力錘位置根據實際工況會有相應調整，但布置方法相同。

圖3 機床基本模型和X方向力錘位置示意圖

1.2 ODS測試方案

運行狀態(tài)下的工作變形（ODS）試驗反映的是在特定工況下，對于特定頻率，各測量自由度之間的往復運動形態(tài)。具體測試方法為:將一個傳感器固定在某一位置獲得參照信號（激勵信號），其余傳感器布置在設定的關鍵結構點上，以獲取響應信號。用ODS分析和模態(tài)分析相結合的方法測試大型牛頭滑枕式電火花加工機床，可從結構振動的內因和外因兩方面來認識該機床的振動特性，為機床進一步優(yōu)化設計奠定基礎。

在測量位置1、3處模擬實際加工情況并進行ODS測試。將Z軸下端的傳感器位置作為參考點，將其余傳感器布置在機床結構件的重要位置，以獲取對該參考點的影響程度，其中，X方向測試時的測點布置見圖4。Y、Z方向的測點布置方法與此相同，方向不同。

圖4 ODS測試時X方向的測點布置圖

2 模態(tài)測試結果及分析

圖5～圖7分別是在4個測量位置測得的X、Y、Z方向的大型牛頭滑枕式電火花加工機床的前五階模態(tài)。

圖5 各個測量位置X方向前五階模態(tài)

圖6 各個測量位置Y方向前五階模態(tài)

圖7 各個測量位置Z方向前五階模態(tài)

表1～表3分別是在4個測量位置測得的X、Y、Z方向的大型牛頭滑枕式電火花加工機床的前五階動剛度。

表1 各個測量位置X方向前五階動剛度×108N/m

表2 各個測量位置Y方向前五階動剛度×108N/m

表3 各個測量位置Z方向前五階動剛度×108N/m

在位置1測量X方向模態(tài)的試驗過程中，對某個測點進行激勵時，得到的頻響函數和對應的相干性曲線分別見圖8和圖9。在頻率較低時的相干性較差，可能是由于滑動部件重量較大，未能使整機模態(tài)徹底激發(fā)起來，或是受阻尼和噪聲等非線性因素的影響。但整體來看，測試數據受外界干擾不大，測試結果較可靠。

圖8 測量位置1某點X方向頻響函數

圖9 測量位置1某點X方向相應的相干性曲線

由測試結果可知，在不同的行程位置，大型牛頭滑枕式電火花加工機床的固有頻率和動剛度有很大的變化。這說明機床的滑動部件對機床的動態(tài)特性有很大影響，導致各個行程位置的動態(tài)加工性能很難保持較高的一致性。因此，該機床需進一步優(yōu)化機械結構、優(yōu)化分配各個構件質量和提高機床的靜剛度。

3 ODS測試結果及分析

圖10～圖12分別是在測量位置1和測量位置3模擬實際加工狀態(tài)時，通過ODS測試得到的X、Y、Z方向幾個振幅峰值對應的振動頻率。可見，在兩個測試位置的Z方向，其振幅峰值對應的振動頻率相差不多；但X、Y方向的振幅峰值對應的振動頻率相差很大。因此可認為，在測量位置1和測量位置3進行放電加工時，機床的動態(tài)特性相差較大，其放電加工效果不可能有很好的一致性。這進一步說明需對機床采取改進措施，優(yōu)化機床構件質量分配和機械結構，并提高其靜剛度。

4 模態(tài)測試與ODS測試結果的綜合分析

由模態(tài)測試所得機床基本模型的模態(tài)振動變形情況和ODS測得機床基本模型的工作變形情況可知:在測量位置1，ODS的X向變形主要由模態(tài)振型中的三階、四階振型組成；Y向變形主要由一、三、四階振型組成；Z向變形主要由一階、三階振型組成；在測量位置3，ODS的X向變形主要由一階、四階振型組成；Y向變形主要由一階、二階振型組成；Z向變形主要由一、二、三階振型組成。

圖10 測量位置1和測量位置3的X方向ODS變形峰值對應頻率

圖11 測量位置1和測量位置3的Y方向ODS變形峰值對應頻率

圖12 測量位置1和測量位置3的Z方向ODS變形峰值對應頻率

通過分析模態(tài)振動變形和工作變形的測試結果可知，大型牛頭滑枕式電火花加工機床的床身、立柱、Z軸及滑枕的剛性相對較弱；在不同行程位置，該機床的動態(tài)性能差異較大，使其難以滿足大型精密零件的穩(wěn)定、可靠性加工需求。

5 結語

為滿足大型精密零件的加工需求，通過模態(tài)測試和ODS測試相結合的方法，進一步合理布局機床整機機械結構；對滑枕和Z軸等運動部件進行輕量化優(yōu)化設計，在保證強度的前提下，減小其質量和慣性載荷；對于主要支撐部件（如床身和立柱），需進一步提高其靜剛度。

［1］曹鳳國，翟力軍，伏金娟，等.電火花加工技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［2］劉建勇，翟力軍，李艷等.牛頭式電火花加工機床Y軸導軌安裝基面加工工藝研究［J］.航空精密制造技術，2014，50（3）:28-30.

［3］廖平，鄧方平.高速數控車床切削的動態(tài)特性測試與分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2011，32（3）:76-80.

［4］譚萬軍，楊亮，吳行讓，等.基于ODS與試驗模態(tài)分析的方向盤擺振優(yōu)化［J］.振動工程學報，2011，24（5）: 498-504.

Test and Analysis of Dynam ic Characteristics for Large Ngau-tau Ram Type EDM M achine Tool

Liu Jianyong1，Zhai Lijun1，Wang Minda2，Ding Liantong1，Feng Meng2
（1.Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China；2.Advanced Manufacturing Technology of the Key Laboratory of Beijing Municipality，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

This article elaborated the dynamic characteristics′test and analysismethod of typical large ngau-tau-type EDM machine tool systematically.Multi-pointsmomentary stimulation and single pointmeasuringmethod ofmodal test，and ODS（operational deflection shapes）testmethod that under actualworking conditions are used to test the typical EDM machine tool by themodal test and analysis system.After analyze test results of themodal and ODS tests，this kind of EMD machine tool′s dynamic stability is weakness within different work conditions.In order to improve the dynamic stability，the machine tool need to improve the layout of themechanical system，light-weight design the sliding parts and improve the base parts′rigidity.

electro-discharge machining；ngau-tau ram type；modal test；operational deflection shapes test

TG661

A

1009－279X（2015）01－0054-04

2014-09-15

國家科技重大專項課題資助項目（2014ZX04001-111）

劉建勇，男，1983年生，副研究員。