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精密（mì）磨削中振紋抑製方法的研究

2019-10-10 來源：威（wēi）海華東數控股份有限公司作者：鄭曙光（guāng）　尹德臻

摘　要：介紹了磨削（xuē）過程（chéng）中振紋的種（zhǒng）類、振紋產生的機（jī）理，並對如何抑製磨削中的振紋，達到理想（xiǎng）的表麵質量進（jìn）行了研究探討。

關鍵詞：磨床振紋阻尼剛性

隨著科技的不斷發展，人們對各類零件的精度要求越來越高，而磨削作（zuò）為（wéi）產品加工的最後一道工（gōng）序，是產品精度的最終體現。所以，人（rén）們對磨削的關注也不斷提（tí）高，我們不但希望（wàng）得（dé）到理想的尺寸，同時對磨削後零（líng）件表麵是否有振紋也提（tí）出了更高要求（qiú）。本文對磨削振紋的產生機理及如何抑製振紋出現做一些分析探討。

1、磨削中的振動（dòng）

機械（xiè）加工就是刀具和工件在加工時相互作用、相對運動和相互影響的複雜（zá）過程。從被加工零件的形成過程來看，如（rú）果機床切削時，刀具與工件之間存在振動，致使刀具（jù）與工件之間產生相對（duì）位移，改（gǎi）變了它們之間的正確關係，就會在加工表麵留下波紋。磨削過程（chéng）和一般機械加工一樣，存在以下幾種改變砂輪和工（gōng）件之間相對位置的振動：強（qiáng）迫振動、自激振動和混（hún）合顫振，自（zì）激（jī）振動也（yě）就是我們平時說的顫振（zhèn），可分為工件（jiàn）表麵自激顫振（zhèn）與砂輪表麵自激顫振。

圖（tú） 1 是（shì）外圓磨床中各振動的示（shì）意圖。

強迫振動主要來自於砂輪（lún）主軸的不平衡，附近設備的振動通過地麵傳播到機床上、機床自（zì）身（shēn）的液壓脈動，等等。一（yī）般來說，其振動（dòng）頻率和激振（zhèn）源頻率相等，和磨削量（liàng）大小無關，強迫振動一（yī）直存在，且比較穩定，在空運轉設備時就（jiù）能測得該振動。工（gōng）件表麵自激顫（chàn）振在加工開始（shǐ）就會出現，並且振動幅值很大（dà），即使使用的是（shì）剛剛（gāng）修整的砂（shā）輪，也會出現。砂輪表麵（miàn）自激顫振振動幅值隨著時間的延長緩慢（màn）增長。這兩種（zhǒng）自激振動的振幅和磨（mó）削用量相關，振幅隨磨削時（shí）間加長而增長。而混合顫振（zhèn）的為（wéi）振動頻率和強迫振（zhèn）動頻率一致，但振動幅度會隨磨削（xuē）量的增加而增大。圖 2 是這幾種振動的特點示意圖。

2、影響（xiǎng）振動的因素

通過對（duì）機床激振源的分析研究，我們認為影響機床振動發生（shēng）的主要因素有以下三點：工件的轉速、砂輪的彈（dàn）性變形、砂輪與工件表麵的幾（jǐ）何（hé）幹涉。

圖 2　振動的特點示意圖

2.1　工件轉速

工件轉速（sù）對振動的發生起著（zhe）非（fēi）常重要的作用，尤其是（shì）在大（dà）工件旋轉磨削過程中，工件不平衡量會（huì）激起設備的顫振，必然使砂輪和工件之間的正確位置（zhì）關係發生改變，導致（zhì）在（zài）工件表麵留下磨削振紋（wén）。

2.2　砂（shā）輪的彈性變形

由於砂輪存在彈性變形（xíng），在砂輪磨削過程中，特別是在砂輪切入和（hé）退出工件的過程中，振（zhèn）動會隨之發生（shēng）。同樣的道（dào）理工件也存在彈性變形問題，這也就是我們常說的砂輪再生型顫振和工件再生型顫振。這兩種顫振（zhèn）隻有在砂輪和工件接觸時才會出現。圖 3 是外圓磨切入磨削的示意圖。

圖 3　外（wài）圓磨切入磨削的示意圖

2.3　砂輪與工件幾何幹涉規（guī）律

即使是外圓床磨削加工時，工件和砂輪之間也存（cún）在一段幾何接觸弧長。而砂輪和工件都有（yǒu）各自的再生型顫振，當他們接觸時就會疊加出新的振動，我們（men）定義該振動的振幅 ycr，則有：

通過對振動因素的分析，可以發現，當機床的磨削剛度增加（jiā），磨削係統會（huì）變得不穩定，容易引起磨削振紋。當機床磨削阻（zǔ）尼增加，磨削係統變得趨於穩定（dìng）。

3、抑製振紋的措施

3.1　通過調整砂輪與工件轉速比來抑製（zhì）振紋產生

我們在一台 M1432 外圓磨床（chuáng）上（shàng）做試驗，使用 φ500mm直徑的鉻剛玉砂輪，磨削一直徑為 φ125mm 硬（yìng）度為（wéi） 50HRC的鋼件，在各磨削參數相同（tóng）的情況下，使用（yòng）不（bú）同的砂輪轉速，

進行磨削加工，然後將工件帶到實驗室經輪（lún）廓分析儀測量作頻譜分析，得出工件的外徑輪廓如圖 4。通過該示意圖（tú）明顯看出砂輪與工件轉速比改變（biàn）後，工件表麵振紋的變化非常明顯。

圖 4　工（gōng）件的外徑輪（lún）廓

3.2　抑製（zhì）振動

隨著科技的進步，現在砂輪在線動平衡係統已經廣泛應有，這種（zhǒng）係（xì）統能顯示機床的固有頻率、振幅等相關參數，還能顯示砂輪主軸係統的不平衡值，並可按照預先設定的（de）數值對砂輪主軸係統進（jìn）行在線平衡，確保砂輪主軸係統的（de）不平衡量控製在一個（gè）極低範圍內。由於砂輪需要經常修整，加之砂輪在鑄造時受氣孔結合劑等參（cān）數的影響，砂輪修整後往往會出現質心偏移，導致主軸振動加（jiā）劇，因此，配置砂輪（lún）動（dòng）平衡係統對控製砂輪（lún）表麵再生型振動是很有（yǒu）必要的。

對於機床的自（zì）激振動，首先是在機床的設計階段，在經濟前（qián）提下盡可能增加係統的動剛性（xìng），並可運用三維軟件進行仿真模擬，對機床進行動態特性分析，分析機（jī）床在動（dòng）態切削力（lì）和其他外力幹擾下的抗振（zhèn）性能，找出容易被激發的模態和對結構動態性能影響較大的頻率、振型和振幅，從而提高（gāo）機床低階固（gù）有頻率、提高（gāo）切（qiē）削穩定性、避開共（gòng）振、抑製振幅，提高加工精度（dù）。

3.3　增加（jiā）阻尼

我們同樣在一台 M1432 外圓磨床上進行（háng）磨削試驗，在砂輪主軸前端安裝振動傳感器，運用 SBS 動平衡係統的柔量（單位載（zǎi）荷下的伸長或變形）分析功能，對主軸的柔量在增加阻尼和無阻尼（ní）狀態下進行對比，結果如（rú）圖 5 所示。通過對比，可明顯看出在增加（jiā）砂輪主軸阻尼後，主（zhǔ）軸係統的柔量值明細降低。這也就意味著在增（zēng）加阻尼後，主軸的振動降低了。所以對已有機床改造時，增加阻尼對抑製磨削振紋是個不錯的選（xuǎn）擇（zé）。

圖 5　主軸柔（róu）量在增加阻（zǔ）尼和無阻尼狀（zhuàng）態下的對比結果

3.4　其他方法

通過不斷研究，現在我們對磨床的各個振動、振源有了更全麵的認識，這有（yǒu）利於抑製振動發生。試驗發現減少（shǎo）工件和砂輪的接觸剛度，也（yě）能降低機床振動，可以在（zài）砂輪上均布（bù）一些孔槽來實現。幹擾砂輪與工件間相位也是一種很（hěn）實用的方法。

在設計機（jī）床時，要采取（qǔ）“上輕（qīng）下重、動輕靜重”的（de）原則，采用吸振（zhèn）性好的床身、底座。建立（lì）模型，提（tí）高機（jī）床剛度（dù）、增大阻尼、改進約束、降低重心並盡可能實現重心（xīn）驅動。這些都是降低機（jī）床振動很實用、很有（yǒu）效的措施。

4、結（jié）語

工件表麵有磨（mó）削後的波紋，也就意味（wèi）著機床有振動，這些振動無非來（lái）自（zì）機床內部振源或外（wài）部振源，隻要我們運用科學的方（fāng）法找出這（zhè）些振源，通過各種手段消（xiāo）除（chú）或抑製這些（xiē）振源，就一定能獲得理想的加工表麵質量。

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