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DITTEL 動平衡係（xì）統在磨床（chuáng）中的應用

2017-3-8 來源：上汽通用五菱汽（qì）車股份有限公司作者（zhě）：潘賜鈺

摘要：使用砂輪磨削是機（jī）械加工的重要組成部分，砂輪主軸的動平衡（héng）對保證磨削精度和（hé）磨削表麵質量以及主軸零件的壽命至關重要，而砂輪的製作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（wèn）題。通過分析砂輪（lún）不平衡的不（bú）同原因及危害，重點介紹了 Dittel 內（nèi）置式動平衡係統的原理、構成以及在 JUNKER 曲軸雙砂輪磨（mó）床上的應用。

關鍵詞：Dittel；不平衡；動平衡；磨床

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

在目前的精密磨削加工過程中，為了提高（gāo）效率和穩定性常常采用 CBN 砂輪，其具有壽命長、膨脹係數小、表麵質量穩定及磨削轉速快（>2 000 r/min）等在優點[1]。而在高速磨削中砂輪本身及主軸產生的不平衡振動會製約高精（jīng）密磨削的技術發展（zhǎn），因此砂輪的平衡（héng）在生產（chǎn）中（zhōng）有著（zhe）重要的意義和（hé）廣（guǎng）泛的（de）前景，如在汽車製造行業中（zhōng）的（de）曲軸和凸輪軸磨削，表麵粗（cū）糙度需要達到 Ra 0.6 以下，砂輪平衡精度（dù）（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磨（mó）削加工中一項不可或缺的關鍵技術。

目前的在線動平（píng）衡係統主要有聲納動平衡係統[2-3]及流體補償質量自動平衡係統。Dittel 是市場上常用的動平衡控（kòng）製係統（tǒng），應用於各（gè）種磨床的在線（xiàn）平衡，對於提（tí）高機床的（de）磨削效率及安全性具有重大意義，目前研究主要有其方法（fǎ）、理論，及其它方麵應（yīng）用的一（yī）些介紹，本文主要結合上汽通用五菱發動機工廠內使用的 JUNKER 雙砂輪磨床上應用進行探討。

1.砂輪不平衡原因及危（wēi）害

砂輪不平衡產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（bù）的不平衡；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（bú）對中心（xīn）、表麵平行、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（tú）5 磨粒粘合不均勻（yún）

砂輪在製造過程中可能形成形狀不（bú）規則或者磨粒分布不均（jun1）勻的不（bú）平衡。此外，由於砂輪是由大量規則顆粒通過特殊工藝粘合（hé）而成，故表麵顆粒的脫落和不定（dìng）時的砂輪修銳過程也會形成新的不平衡。砂輪不平衡會造成對磨削的影響，常常出現工（gōng）件的（de）圓度、直線度和跳動的超差。

砂輪在安裝的過程中，可能會因為砂輪及夾具間存在間隙、非同心或平麵夾緊裝置、非同（tóng）心（xīn）錐體、不平衡的夾具、不平衡的主軸、不平衡的皮帶輪等多種原因導致砂輪裝配不平衡，如圖 6 所示。

圖6 裝配不平衡

砂輪裝配不平衡，輕則導致砂輪在運轉後出（chū）現振動（dòng），磨削出來的工件表麵有振紋（wén）；重則導致局部磨削量過大，造成砂輪崩角及工件斷裂等砂輪表麵微粒及微孔在（zài）加工過程中對切削液吸（xī）附的（de）不均（jun1）勻，進而引起砂輪的附（fù）加（jiā）不平衡（héng），這種附加的不平（píng）衡也無法（fǎ）用靜平衡消除，但該現象卻影響工件（jiàn）的圓度和（hé）粗糙度。

砂輪（lún）主軸的轉動機構也會造成砂輪不平（píng）衡的出現，如（rú）轉動（dòng）機構的軸承磨損，靜壓（yā）油膜異常（cháng），端部砂輪固定凸緣（yuán）盤（pán）生鏽或附（fù）著異（yì）物等。這些微小的變化在高精密磨（mó）床中如（rú）不加以考慮（lǜ）和控（kòng）製（zhì），最後都會（huì）反映到磨削的（de）工件（jiàn）上，造成批量的（de）不合格工（gōng）件。

2.自動平衡原理（lǐ）

上汽通（tōng）用（yòng）五菱發（fā）動（dòng）機（jī）工（gōng）廠曲軸線使用了德國的勇克（JUNKER）磨床，采用 CBN 砂輪，且在每一側砂輪主（zhǔ）軸頭內部都安裝有迪特爾（Dittel）動平衡係統，用於在砂輪（lún）啟動、磨削（xuē）過程中動態的監控和調整砂輪的不平衡量，整個（gè）平衡係統機構精致小巧，集成（chéng）在砂輪頭架內，如圖 7 為砂（shā）輪動平衡係統結構圖。

圖 7 砂輪（lún）動平衡係統

內置式平衡頭安裝在砂輪主軸頭（tóu）內並隨（suí）主軸一起轉（zhuǎn）動，平衡頭是由兩個分別驅動偏心配重塊的小型永（yǒng）磁鐵直流電動機組成，砂輪高速運轉（zhuǎn）時，安裝在砂輪基座上的振動傳感器及主軸電機內的速度（dù）傳感器將數據發回控製中心 M6000，通過計算後濾波處理反饋給平衡頭內的伺服電（diàn）機，驅動兩個配重塊以相同的旋轉（zhuǎn）方向產生產生一個合力與砂輪本身不平衡量合力（lì）方（fāng）向相反，由（yóu）於平衡頭與砂輪（lún）主軸同軸安裝，故此合力抵消為零，從而使整個砂輪處於（yú）平衡狀態，此時（shí）砂（shā）輪（lún）的振動極小；如果使兩個配重塊反向旋轉，隨著偏心質量夾角變化，當其與砂輪本身不（bú）平衡質量相等時，即完成幅值補償。圖 8 為 JUNKER 磨床平（píng）衡係統的圖解。

圖（tú）8 DITTEL 砂（shā）輪動平衡（héng）係統

3.機電式（shì）平衡係統結構組成

用於（yú）磨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（ān）裝了Windows 操作係統的標準（zhǔn）個人電腦（nǎo）和相應（yīng）的硬（yìng）件（圖9）有：振動傳感器、信號傳感器、接近開（kāi）關、平衡單元、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（tú） 9 砂輪動平衡係統

圖 10 DITTEL System control center

4.砂輪動（dòng）平衡過程和程序控製

當平衡（héng）頭與（yǔ）砂輪處於任一種相對的（de）位置時，砂輪上的不平（píng）衡量（liàng）將產生離心力（lì），砂輪和平衡（héng）裝置的合力就會產生震（zhèn）蕩力，使（shǐ）砂輪架振動，通（tōng）過安裝在砂輪架上的震動傳感器來測（cè）量砂輪偏（piān）心引起的振動的大（dà）小，從而計算出砂輪的不（bú）平（píng）衡量（liàng）大小，對檢測出的不平衡力由 M6000 數據處（chù）理（lǐ）單（dān）元判（pàn）定是否在調整範圍以內，是則執行補償，否則報警。

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

平（píng）衡裝（zhuāng）置的作（zuò）用是通過調（diào）整偏心配重塊以抵消砂輪不平衡離心力。在砂輪未達到平衡（héng）狀態（tài）以前，程序持續運行對平衡（héng）裝置進行偏量調整。具（jù）體而（ér）言就是令偏心輪與（yǔ）偏心配重塊在相同的角速度下反向轉動，以（yǐ）此改變兩者的重心偏移，使得偏心輪配重塊產生的離心（xīn）力與砂輪不平衡產生的離心力相互（hù）抵消。從震動傳感器監測的數據來看，有效的調整應使得讀數逐漸減小（xiǎo），直至收斂於某個最小值，此時砂（shā）輪達到了平衡狀態。

5.結束語

本文通過分析介紹砂輪的不平衡原因及危害，以及（jí）在工業應用上使用 DITTEL 平（píng）衡係統去監測及控製砂輪的平衡狀態，對機床的壽命和加工件的質量有重要意義。

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