在鉆孔時，振動會帶來很大的問題。一方面會影響質(zhì)量，另一方面可能會造成刀具斷裂而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。為了避免這類問題，應(yīng)該對刀具振動進行測量并及時進行糾正。研究結(jié)果表明，激光掃描振動儀適合用于對單刃深孔鉆進時的相關(guān)尺寸進行測定。

　　刀具振動是鉆孔加工時遇到的一個重大問題。可適配的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將來在刀具出現(xiàn)振動時，可以及時做出探測和調(diào)節(jié)。對此需要準確掌握刀具結(jié)構(gòu)振動特性方面的知識。下面將介紹如何通過激光掃描振動儀的實驗?zāi)B(tài)分析，來確定單刃深孔鉆刀的模態(tài)參數(shù)。對動態(tài)系統(tǒng)振動分析的最熟悉的方法是模態(tài)分析。這種亦被視為是固有振動分析的方法可以測定出諸如系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和形態(tài)等參數(shù)。

　　模態(tài)分析以結(jié)構(gòu)每次動態(tài)變形均為其形態(tài)的加權(quán)總和的原理為基礎(chǔ)，每種模式均通過一種結(jié)構(gòu)的振動參數(shù)與精確的自由度而得出。在結(jié)構(gòu)受到振動時，所有模態(tài)反應(yīng)即會按照比例，進入到整個結(jié)構(gòu)的運動中去。通過對模態(tài)反應(yīng)的匯總，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)即可變成為特定的激勵頻率。對模態(tài)參數(shù)的認知，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)的描述，也是對模型形成所作系列探索的重要基礎(chǔ)。各種模型均建立在簡化了的設(shè)定的基礎(chǔ)之上，并被強制進入某種程度上的不確定性。

　　振動性系統(tǒng)在實際中表現(xiàn)如何，這往往只有在實驗性探究的基礎(chǔ)上方可得到澄清。實驗性的模態(tài)分析是這方面的最重要的測量方法之一，并有賴于對結(jié)構(gòu)的模型觀察。通過對系統(tǒng)的每個測量點進行傳送功能的測定，可以獲得系統(tǒng)的實際動態(tài)特征。對此，采用相應(yīng)的激勵源對探究的結(jié)構(gòu)進行激勵，并對系統(tǒng)在各個測量點上的反應(yīng)進行測量。在時間范圍內(nèi)測得的信號借助于Fast-Fourier傳輸原理，被轉(zhuǎn)換為頻率范圍，并依據(jù)基準信號而得出一種具備傳送功能的系統(tǒng)。由此可以測得諸如固有頻率、阻尼和自有形態(tài)的模態(tài)參數(shù)。在鉆孔過程中，最大為5000Hz的頻率范圍是有意義的。因此，有限的固有振動數(shù)量即足以對一種結(jié)構(gòu)的動態(tài)特征作出描述，而對于較低頻率來說，則會出現(xiàn)頻率共振加劇的現(xiàn)象。

刀具屬于無摩擦作業(yè)流程中的關(guān)鍵性部件。通過模態(tài)分析，可以
測得對于作業(yè)安全來說非常重要的參數(shù)，并對之進行調(diào)節(jié)

　　專門儀器進行測量

　　激光振動儀是一種針對機械振動過程的無接觸和光學類型的測量方法，測量原理以光學頻率移動為基礎(chǔ)，在振動結(jié)構(gòu)的測量點發(fā)生離散時，頻率移動即可測得激光束。這種方法沒有反作用，并在大量的應(yīng)用領(lǐng)域中允許對敏感結(jié)構(gòu)和元件的應(yīng)用，而在后一種的場合中，由于物體特性和環(huán)境參數(shù)的原因，無法使用接觸式的傳感元件。特別是設(shè)立了激光多普勒振動測量裝置，作為一種無接觸的測量技術(shù)方法，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的測量。對此，電磁波和光波的發(fā)送器和接收器之間的相對運動會導(dǎo)致受速度影響的頻率或波長的變化。

　　針對平面振動測量，可以采用掃描振動儀。采用這種掃描方法時，則以快捷的順序在物體表面的很多測量點上進行掃描（圖1），通過激光束在物體表面上的掃描和很高的空間分辨率，可以生成一系列單點測量結(jié)果。從這些振動數(shù)據(jù)中，要么是在時間范圍內(nèi)對同步運動過程，或者是在頻帶的頻率范圍內(nèi)對作業(yè)振動形式進行測定和可視化。在振動過程可準確重復(fù)的條件下，可以對連續(xù)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范圍生成的觸發(fā)信號來實現(xiàn)。

圖1 針對彎曲振動和扭轉(zhuǎn)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，對單刃鉆頭的自有頻率ωo和屈服度N(ω)等模態(tài)參數(shù)進行測定。作為實驗分析的測量物體，使用了直徑為11.76mm和φ7.22mm的全硬金屬頭（圓周為C形）的單刃鉆頭。鉆桿和張緊套（誤差：φ20 g6）由調(diào)質(zhì)鋼構(gòu)成，單刃鉆頭全長為335mm。為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(yīng)柵格線進行定義。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于一個平面上；而在對單刃鉆頭進行振動推進時，則會致使鉆頭發(fā)生偏移。在扭轉(zhuǎn)振動的情況下，鉆頭會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，激光束探測到的各重疊點的行程變化的結(jié)果各不相同。在評價中，這種現(xiàn)象通過各重疊測量點的顏色變化來表示（圖1）。

　　具體測量情況

　　為了在實驗分析中避免外部的振動，采用了一種大質(zhì)量的鋼質(zhì)測量臺。首先須對單刃鉆頭的主軸和重心進行計算，以便鉆頭縱向振動方向能夠直接對準鉆頭重心和兩側(cè)主軸的橫向方向。針對在鉆頭縱向上的振動，振動器和單刃鉆頭相互對著被張緊在老虎臺或帶有襯皮和夾鉗的夾具上。自由的鉆頭端部帶有一個硬化了的振動尖頂，尖頂上設(shè)有一個Piezo測力傳感器和一個鋁質(zhì)適配器。在與張緊力的作用下，這些裝置可與振動器相連接。控制器通過一個放大器，把一個正弦信號和一個特定的頻率帶傳送給在另一頭對單刃鉆頭發(fā)起振動的振動器。測力傳感器通過一個受載放大器，把力的信號反饋給控制器，而控制器則通過由激光掃描振動儀傳來的與頻率相關(guān)的行程變化信號，計算出模態(tài)參數(shù)。

圖2 柔曲性在第一主軸方向（34）上的頻率

　　圖2所示φ11.76mm單刃深孔鉆頭在第一主軸方向（34）上遭遇振動時的柔曲性頻率范圍，其曲線符合傳統(tǒng)的三位振動器的特征。由于三位分布涉及單刃鉆具的鉆頭、鉆桿和張緊套，因此這種實驗方法是恰當?shù)摹?80Hz自有模式易于識別，這是一個彎曲振動；而另一個自有模式為2000Hz的扭轉(zhuǎn)振動。第三個典型的自有模式仍為彎曲振動，頻率為3300Hz。為了便于比較，圖3所示鉆刀在進給方向上受到振動時單刃鉆頭的柔曲性頻率范圍。所測得的第一個自有模式為580Hz，第二個自有模式為850Hz。這些都屬于彎曲振動。所觀察到的在第一個主軸方向上的一種非典型的振動振幅為2000Hz的第一個扭轉(zhuǎn)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

　　從整體上看，頻率越高，單刃鉆刀的柔曲性就越強。由于振動器的振動力維持在恒定的水平，因此，可以說鉆刀在較大的頻率范圍上的偏轉(zhuǎn)性也較強。除了采用空心鉆桿之外，單刃鉆刀長度-直徑的比例也較大，這降低了鉆刀的剛性，增加了鉆刀折斷和振動振幅趨大的危險性。對各個測量點所作的模態(tài)實驗分析的詳細評價表明，在鉆刀主軸的縱向和橫向上的不同振動，在50~60Hz的頻率范圍內(nèi)同樣會產(chǎn)生較低的柔曲性頻率。對于兩種不同直徑的單刃鉆刀，所測得的自有模式和振動方式的詳細列表見下表。

　　實驗結(jié)果表明，針對不同的單刃鉆刀，可以對系統(tǒng)動態(tài)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(zhuǎn)振動的認識，將來可以研發(fā)出一種適配式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以對危險的作業(yè)振動進行調(diào)節(jié)。對此要特別注意所識別的扭轉(zhuǎn)振動的出現(xiàn)，這是因為這種現(xiàn)象會造成刀具使用壽命的極大縮短和刀具可能的失靈。

　　單刃鉆刀的模態(tài)參數(shù)可通過激光掃描振動儀得到快速和可靠的測量。研究結(jié)果表明，對彎曲自振動和扭轉(zhuǎn)振動的區(qū)分是可以做到的。對此，需要在鉆具表面上選擇出回形的測量點矩陣。在柔曲性頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的自有頻率，在兩個振動方向上幾乎相同。除了能夠可靠地測得模態(tài)參數(shù)的能力之外，激光掃描振動儀還可以實現(xiàn)對振動形式的可視化。通過此種措施，單刃鉆刀在孔壁上的卡死過程即可得到澄清。此外，還可以設(shè)計出適配性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以識別出危險的作業(yè)振動并可對之進行調(diào)節(jié)。對此，需要掌握對鉆進過程出現(xiàn)的作業(yè)振動的認識。下一個階段研究的目標便是對單刃鉆刀的自有振動模式進行識別，以了解刀具在鉆進過程中所出現(xiàn)的載荷和變形的情況。