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DITTEL 動平衡係統在磨床中的應用（yòng）

2017-3-8 來源：上汽通用五菱汽車股（gǔ）份有限公司作（zuò）者：潘賜鈺

摘要：使用砂輪磨削是機械加工的重要（yào）組成部分，砂輪主軸的動平衡對保證磨削精度（dù）和磨削表麵質量（liàng）以及主軸（zhóu）零件的壽命（mìng）至關重（chóng）要，而砂輪的製作（zuò）工藝及裝配精度問題，存在各種各樣的不（bú）平衡，導致零件表麵質量產生各種問題。通過分析砂輪不平衡的不同原因（yīn）及危害，重點介紹了 Dittel 內置式動平衡係統的原理（lǐ）、構（gòu）成以及在（zài） JUNKER 曲軸雙（shuāng）砂輪磨床上的應用。

關（guān）鍵詞：Dittel；不平衡；動（dòng）平（píng）衡；磨（mó）床

砂輪是磨削（xuē）加工的（de）必要工具，而砂輪是由大量形狀（zhuàng）規則不均勻的顆粒粘結組（zǔ）成，因此製造工（gōng）藝會引起砂輪轉動時產（chǎn）生一些無法避免（miǎn）的（de）偏心振動。在砂輪裝配過程中（zhōng）的（de）砂輪偏心、砂輪與夾具的間隙、非同心的夾緊裝置、主軸的不（bú）平衡及加工中砂輪對冷卻液（yè）的吸附等，會使磨削中（zhōng）出現更大振動。這些由砂輪製造或裝配不平衡引起（qǐ）的振動將對高速磨削加工產生很大影響，會引起加工表麵產生震紋及粗糙度不合格等質量問題（tí），同時還會使磨床主軸軸承壽命（mìng）異常，增加砂輪的修整頻次及加速金剛修（xiū）整輪的損耗等。

在目（mù）前的精密磨削加（jiā）工過程中，為了提高效率和穩定性常常采用 CBN 砂輪，其具有壽命長、膨脹係數小、表麵質量穩定及磨（mó）削（xuē）轉速快（>2 000 r/min）等在優點（diǎn）[1]。而在（zài）高速磨削中砂輪本身及主（zhǔ）軸產生的不平衡振動會製約高（gāo）精密磨削的技術發展（zhǎn），因（yīn）此砂（shā）輪的平衡在生（shēng）產中有著（zhe）重要的意義和廣（guǎng）泛的前景，如在汽車製（zhì）造行業中的曲軸和凸輪軸磨削，表麵粗糙度需要（yào）達（dá）到 Ra 0.6 以下，砂輪平（píng）衡（héng）精度（砂輪係統的偏心量）需要控製在 0.4 ~ 0.6 μm 以下。所以砂輪保持動態的在線動平衡是高精密（mì）磨（mó）削加工中一項不可或缺的關鍵（jiàn）技術。

目前的在線動平衡係統主要有聲納動平衡係統[2-3]及流體補償（cháng）質量自動平（píng）衡係統。Dittel 是市（shì）場上常用的動平衡控製係（xì）統，應用於各（gè）種磨床的在線平（píng）衡，對於提高機床的磨削效（xiào）率及安全性具有重大意義，目前研（yán）究主（zhǔ）要有其方法、理論，及其它（tā）方麵應（yīng）用的（de）一些介紹，本（běn）文主要結合上汽通用（yòng）五菱發動機工廠內使用的 JUNKER 雙砂輪磨床上應用進行探（tàn）討。

1.砂輪不平衡原因及（jí）危害

砂輪不平衡產（chǎn）生的原因主要分為兩大類：一類是砂輪自身形狀或磨粒分布的不平（píng）衡；另一類是砂輪與其他部件裝配不平衡。如圖 1~5 所示，砂輪非圓、中心孔非球麵、孔不對中心、表（biǎo）麵平行、磨粒粘合不均勻等原因均會引起砂輪不平衡。

圖 1 砂輪非圓

圖 2 中心孔非球麵

圖3 孔不對中心

圖 4 表麵不平行

圖5 磨粒粘合不均勻

砂（shā）輪在製造過程中可能形成形（xíng）狀不（bú）規則或者磨粒分布不均（jun1）勻（yún）的不平衡。此外，由於（yú）砂輪是由大量規則顆（kē）粒通過特殊工藝粘合而成，故表麵顆粒的脫落和（hé）不定時的（de）砂（shā）輪修銳（ruì）過（guò）程也會形成新的不平衡。砂輪不平衡會造成對磨（mó）削（xuē）的影響（xiǎng），常常出（chū）現工件（jiàn）的圓（yuán）度（dù）、直線度和跳動的（de）超差。

砂輪在安裝的過程中，可能會（huì）因為砂輪及夾（jiá）具間存（cún）在間隙、非（fēi）同心或平麵夾（jiá）緊裝置、非（fēi）同心錐體、不平衡的夾具、不平衡的主軸、不平衡的皮帶輪（lún）等多種原因導致砂輪裝配不平衡，如圖 6 所示。

圖（tú）6 裝配不（bú）平衡

砂輪裝配不平衡，輕則導致砂輪在（zài）運轉（zhuǎn）後（hòu）出現振動，磨削出來的工件（jiàn）表麵有振紋；重則導致局部（bù）磨削量過大，造成砂輪崩角及（jí）工件斷裂等砂輪表麵微粒（lì）及微孔在加工過程中對切削液吸附的不（bú）均勻，進（jìn）而引起砂輪的附（fù）加不平衡，這種附加的不平衡也無法（fǎ）用靜平衡消除，但該現象卻影響工件的圓度和粗糙（cāo）度。

砂（shā）輪主軸的（de）轉動機構也會造成砂輪不平衡的出現，如（rú）轉動機構的軸承磨損，靜壓油膜（mó）異常，端部砂輪固定凸緣盤生鏽或附著（zhe）異物等。這些微小的變化在高精密（mì）磨床（chuáng）中如（rú）不加以考（kǎo）慮（lǜ）和控製，最後都會反（fǎn）映到磨削的工（gōng）件上，造成批量的不合（hé）格工（gōng）件。

2.自動平衡原理

上汽通用五菱發動機（jī）工廠（chǎng）曲軸線使（shǐ）用（yòng）了德國的（de）勇克（JUNKER）磨床，采用 CBN 砂輪，且在每一側砂輪主軸頭內部都安裝有迪特爾（Dittel）動平衡係統，用於在砂輪啟動、磨削過程中動態的監控和調整砂輪的不平衡量（liàng），整個平衡（héng）係統機構精致小巧，集成在砂輪頭架內，如圖 7 為砂輪動平衡係（xì）統結（jié）構圖。

圖 7 砂輪動平（píng）衡係統

內（nèi）置式（shì）平衡頭安裝在砂輪主軸頭內並隨主軸（zhóu）一起轉動，平衡頭（tóu）是由兩個分別驅動偏（piān）心配重塊的小型永磁鐵直流電動機組成，砂輪高速運轉時，安裝在砂輪基座上的振動傳感（gǎn）器及主軸電（diàn）機內的速度傳感器將數據發回控製中心（xīn） M6000，通過計算後濾（lǜ）波處（chù）理反饋給平衡頭內的伺服電機，驅動兩個配重塊以相同的旋轉方向產生產生一個合力與砂（shā）輪本身不平衡量合力方向相反，由於平衡頭與砂（shā）輪主軸同軸（zhóu）安裝，故此合力抵消為零，從而使（shǐ）整個砂輪處於平衡狀態，此時（shí）砂輪的振（zhèn）動極小；如果使兩個配重塊反向旋轉，隨著偏心（xīn）質量夾角變化，當其與砂輪本（běn）身不平衡質量相等時，即完成（chéng）幅值補償。圖 8 為（wéi） JUNKER 磨床平衡係統的圖（tú）解。

圖8 DITTEL 砂輪動平衡係統

3.機電式平衡係統（tǒng）結構組成

用於（yú）磨（mó）床主軸的一套完整的機電平衡係統包括以下部分：平衡模塊 M6000、自動化係統或安裝了（le）Windows 操（cāo）作係統的標準個人電腦和相應（yīng）的硬件（圖9）有：振（zhèn）動傳感器、信號傳感（gǎn）器、接近開關、平衡（héng）單元、內置或外置的信號接收器、連接線纜和延長線纜、DITTEL System control center 軟件（圖 10）等組成。

圖 9 砂輪動平衡係統（tǒng）

圖 10 DITTEL System control center

4.砂輪動平衡（héng）過程和程序控製

當平（píng）衡頭與（yǔ）砂輪處於（yú）任一種（zhǒng）相對的位置時，砂輪上（shàng）的不平衡量（liàng）將產生離心（xīn）力，砂輪（lún）和平衡裝置的合力就會產生震蕩（dàng）力，使砂輪架振動（dòng），通過（guò）安裝在砂輪架上的震動（dòng）傳感器來測量砂輪偏心引起的振動的大小，從而計算出砂輪的不平衡量大小，對檢測出的不平衡力由 M6000 數據處（chù）理單元判定是否在調整範圍以內，是則執行補償，否則報警。

相（xiàng）位調（diào）整過程，令偏心襯套和（hé）偏（piān）心（xīn）輪產（chǎn）生的配重朝一個方向以相同的速（sù）度轉動，直至偏心襯套和偏心輪的質心連（lián）心線相位相差 180°，此時平衡裝置（zhì）和砂輪（lún）不平衡產生的合力下降的變化使受迫振動朝振幅減小的方向收斂，直至 M6000 數據處理單元接收到震動傳感器測量的振幅小於設定的平衡值時，結束相位的調整。

平衡裝置的作用是通過調整偏心配重塊以抵（dǐ）消砂輪不平衡離心力。在砂（shā）輪未達到平衡狀態以前，程（chéng）序（xù）持續運（yùn）行對平衡裝置進行偏量調整。具體而言就是令偏心輪與偏心配（pèi）重塊在相同（tóng）的角速度下反向轉動，以此改變兩者的重心偏移，使得偏心輪配（pèi）重塊產生的離心力與砂輪（lún）不平衡（héng）產生的離心力相互抵消。從震動傳感器監測的數據來（lái）看，有效的調整應使得讀數逐漸（jiàn）減小，直至收斂於某個最小值（zhí），此時砂輪達到了平衡狀態。

5.結束語

本文通過分析介紹砂（shā）輪的不平（píng）衡原（yuán）因（yīn）及危害，以及在工業應用上使（shǐ）用 DITTEL 平衡係統去監測及控製（zhì）砂輪（lún）的平衡狀態，對機床的壽命（mìng）和加工件的質量（liàng）有重要意（yì）義。

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