Повышение стабильности обработки:руководство по испытанию резьбы и предотвращению вибраций

При испытании постукиванием молоток с инструментами используется для возбуждения конструкции и измерения вибрационной реакции с помощью датчика, например акселерометра. Целью этого теста является определение функции частотной характеристики (FRF) выбранной механической конструкции. Учитывая FRF, мы можем рассчитать карту устойчивости, которая отделяет комбинации скорости шпинделя и осевой глубины, вызывающие вибрацию (то есть выше синей границы), от тех, которые ее не вызывают (ниже границы). Это позволяет без проб и ошибок выбирать стабильные параметры обработки; см. рисунок 1.

Рис. 1:Карта стабильности фрезерования. Источник (все цифры):Тони Шмитц

Основное оборудование, необходимое для измерения FRF:

Рекомендуемый контент

• механизм известного воздействия силы в желаемом диапазоне частот (или полосе пропускания)
• преобразователь для измерения вибрации, опять же с необходимой полосой пропускания
• анализатор динамических сигналов для регистрации входных сил и вибрации во временной области и преобразования их в желаемую частоту частоты вращения.

Анализатор динамических сигналов включает входные каналы для сигналов силы и вибрации во временной области и вычисляет преобразование Фурье этих сигналов для преобразования их в частотную область. Затем он вычисляет отношение сигнала вибрации в частотной области к сигналу силы в частотной области; это соотношение и есть FRF. Схема установки представлена на рис. 2. Она включает в себя силу и вибрацию во временной области, которые могут принимать форму смещения, x , скорость, ẋ , или ускорение, ẍ , входы и усилители для каждого. Усилители используются для увеличения амплитуд сигналов. Сила и вибрация представляют собой аналоговые сигналы, непрерывные во времени. Однако запись этих сигналов с помощью анализатора требует их дискретизации через небольшие интервалы времени или оцифровки. Этот процесс завершается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эти цифровые сигналы затем используются при расчете FRF динамическим анализатором сигналов. В зависимости от типа входной вибрации FRF может быть выражен как:

• восприятие или подчинение – соотношение смещения и силы
• мобильность – соотношение скорости и силы
• ускорение или инерция – отношение ускорения к силе.

Рис. 2:Схема установки измерения FRF.

Существует три распространенных типа силового возбуждения. К ним относятся:

• Синусоида фиксированной частоты – FRF определяется по одной частоте за раз. На каждой частоте в пределах желаемой полосы пропускания применяется синусоидальная сила, реакция на входную силу усредняется за короткий интервал времени и рассчитывается FRF. Это называется проверкой синусоидальной развертки.
• случайный сигнал – Частотный состав случайного сигнала может быть широкополосным (белый шум) или усеченным до ограниченного диапазона (розовый шум). Снова применяется усреднение за фиксированный период времени, но все частоты в выбранной полосе пропускания возбуждаются в одном тесте.
• импульс – Для возбуждения конструкции используется кратковременное воздействие и измеряется соответствующая реакция. Такой подход позволяет возбудить широкий диапазон частот за одно короткое испытание. Несколько тестов обычно усредняются в частотной области, чтобы улучшить когерентность или корреляцию между сигналами силы и вибрации.

Для создания этих различных сил применяются два распространенных типа оборудования для ввода силы:

• шейкер – Эти системы включают в себя якорь с гармоническим приводом и основание. Якорь может приводиться в движение вдоль своей оси с помощью магнитной катушки или гидравлической силы. Конфигурации с магнитной катушкой или электродинамические могут обеспечивать частоты возбуждения в десятки кГц с уровнями силы от десятков до тысяч Ньютонов (увеличенная сила обычно означает более низкий диапазон частот). Гидравлические вибростенды обеспечивают высокую силу с возможностью статической предварительной нагрузки (то есть средняя или средняя сила не равна нулю), но имеют относительно более низкий диапазон частот. В любом случае сила часто применяется к интересующей структуре через жало или тонкий стержень, который поддерживает осевое растяжение и сжатие, но не изгиб или сдвиг. Это гарантирует, что сила прикладывается только в одном направлении. В установку встроен тензодатчик для измерения входной силы; см. рисунок 3.
• ударный молоток – Ударный молоток включает в себя датчик силы, расположенный на металлическом, пластиковом или резиновом наконечнике, для измерения прилагаемой силы во время удара молотка. Когда молоток используется вместе с датчиком вибрации, процедура измерения называется испытанием постукиванием. Энергетический вклад в конструкцию зависит от массы молотка; большая масса дает больше энергии. Поэтому доступно множество размеров. Кроме того, ширина полосы возбуждения приложенной силы зависит от массы и жесткости наконечника. Более жесткие наконечники имеют тенденцию возбуждать более широкий диапазон частот, но также распределяют входную энергию в этом более широком диапазоне. Мягкие наконечники концентрируют энергию в более низкочастотном диапазоне. Наконечники из твердого пластика и металла обеспечивают более высокую жесткость, а резиновые наконечники снижают жесткость.

Рис. 3:Установка шейкера.

Преобразователи вибрации выпускаются как бесконтактного, так и контактного типа. Хотя бесконтактные датчики, такие как емкостные датчики и лазерные виброметры, являются предпочтительными, поскольку они не влияют на динамику конструкции, контактные типы, такие как акселерометры, часто более удобны в реализации. В качестве компромисса можно использовать акселерометры малой массы, чтобы минимизировать влияние на структуру испытания. Они прикрепляются в интересующем месте с помощью воска, клея, магнита или резьбовой шпильки, а затем удаляются после завершения тестирования.

Рис. 4. Ключевые элементы тап-теста.

На рис. 4 показаны ключевые элементы теста отвода. На нижней левой фотографии показан молоток, с помощью которого постукивают по кончику инструмента, и акселерометр (прикрепленный к кончику инструмента воском), используемый для измерения вибрационной реакции. В верхнем ряду отображаются временные характеристики силы и вибрации. Мы видим, что постукивание производит кратковременное воздействие силы. Из-за этой силы инструмент вибрирует с затухающей амплитудой (из-за демпфирования). Средний ряд показывает преобразование этих сигналов в частотную область. Отвод возбуждает широкий диапазон частот. В нижнем ряду отображается FRF. Из этого графика мы можем определить собственную частоту, жесткость и коэффициент демпфирования для каждого режима вибрации.