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精密磨削中振紋抑製方法的（de）研究

2019-10-10 來源：威海華東數控股份有（yǒu）限公司作者（zhě）：鄭曙光　尹德臻

摘　要：介紹了磨削過程（chéng）中振紋的種類、振紋產（chǎn）生的機理，並對如何抑（yì）製磨削中（zhōng）的（de）振紋，達到理想的表麵質量進行了研究探討。

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（jiàn）的精度要求越來越高，而磨削作為產品加工的最後（hòu）一道工序，是產品（pǐn）精度的最終體現。所（suǒ）以，人（rén）們對磨削的關注也不斷提高，我們不但希望得到理想的尺（chǐ）寸，同時對磨削後零件表麵（miàn）是否有振紋也提出了更高要求。本文對磨削（xuē）振紋的產生機理及如何抑製振紋出現（xiàn）做一（yī）些分析探討。

1、磨削中的振動

機械加工就是刀具和工件在加工時相互作（zuò）用、相對運動（dòng）和相互影（yǐng）響的複雜過程。從被加工零件的形成過程來看，如果機床切削時，刀具與工件（jiàn）之間存在振動，致使刀具與工件之間產生相對位移，改變了（le）它們之間的正確關係，就會（huì）在加工表麵留下波紋。磨削過程和一般機械加工一樣，存在以（yǐ）下幾種改（gǎi）變砂輪和工件之間相對位置的振動：強迫振動、自激振（zhèn）動和混合（hé）顫振，自激（jī）振動也就是我們平時說的顫振（zhèn），可（kě）分為工件表麵自激顫振（zhèn）與砂輪表麵自激（jī）顫振。

圖 1 是外圓磨床中各振動的示意圖。

強迫振動主要來自（zì）於砂輪（lún）主軸的不平衡，附近設備的振動通（tōng）過地（dì）麵傳播到機床上、機床自（zì）身的液壓脈動，等等。一般（bān）來說，其振動頻率和（hé）激振源頻率相等，和（hé）磨削量大小無關，強迫振動一直存在，且比較穩定，在空運轉設備時就能（néng）測得該振動。工件表麵自激顫振在加（jiā）工開始就會出現，並且振動（dòng）幅（fú）值很大，即使使用的是（shì）剛剛修整的砂輪，也會出現。砂（shā）輪表麵自激顫振振動幅值隨著時（shí）間的延長緩慢增長（zhǎng）。這兩種自激振動的振幅和磨削用量相關，振幅隨磨削（xuē）時間加長而增長。而混合顫振的為振動頻率和（hé）強迫（pò）振動頻率一致，但振動幅度會隨磨削量的增（zēng）加而增大。圖 2 是（shì）這幾（jǐ）種振動的特點示意圖。

2、影響振動的因素

通過對機床激振源的分析研究，我們認為影（yǐng）響機床振動發生的主要因素有以下（xià）三點：工件的轉速、砂輪的彈性變形、砂輪與工件表麵的幾何幹（gàn）涉。

圖 2　振（zhèn）動的特點示意圖

2.1　工件轉速（sù）

工件轉速對振（zhèn）動的發生起著（zhe）非常重要的作用，尤其是在大工件（jiàn）旋（xuán）轉磨削過（guò）程中，工件不平（píng）衡量會激起設備的顫振，必然使砂輪和工（gōng）件之間（jiān）的正確位置關係發生（shēng）改變，導致在（zài）工（gōng）件表（biǎo）麵留下磨削振紋。

2.2　砂輪的彈性變形

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

圖 3　外圓磨切入磨削的示意（yì）圖

2.3　砂輪與工件幾何幹涉規律（lǜ）

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

通過對振動因素的分析，可（kě）以發（fā）現，當機（jī）床的磨削剛度增加，磨削係統會變得不穩定，容易引起磨削振紋。當機床磨削阻尼增加，磨削係統變得趨於穩定。

3、抑製振紋的措施

3.1　通過調整砂輪（lún）與工件轉速（sù）比來抑製振紋產生

我們在一台（tái） M1432 外圓磨床上做試驗，使用 φ500mm直徑的鉻剛玉砂輪，磨削一直徑為 φ125mm 硬度為 50HRC的鋼件，在各磨（mó）削參數相同的情況下，使（shǐ）用不同（tóng）的砂輪轉速，

進行（háng）磨（mó）削加工，然後將（jiāng）工件帶到實驗室（shì）經輪廓分析儀測量（liàng）作頻譜分析（xī），得出工件的（de）外（wài）徑輪廓如圖 4。通過該示意（yì）圖（tú）明顯看出砂輪與工件轉速比改變後，工件表麵振紋的變化（huà）非常明顯。

圖（tú） 4　工件的外徑輪廓

3.2　抑製振動

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（zhè）種係統能顯示機床的固有頻率（lǜ）、振幅等相關參數（shù），還能顯示砂輪主軸係統的不平衡值，並（bìng）可按照預先設定的數（shù）值對砂輪主（zhǔ）軸係（xì）統（tǒng）進行在線平衡，確保砂輪主（zhǔ）軸係統的不平衡量控（kòng）製在一個極低（dī）範圍內。由於砂輪需要經常修整，加之砂輪在鑄造時受氣（qì）孔結合劑等參數的影響，砂輪修整（zhěng）後往往會出現質心偏移，導致主軸振動加（jiā）劇，因此，配置砂輪動平衡係統對控製砂輪表麵再生型振動是很有必要的。

對於機床的自激振動，首先是在機（jī）床的設計階段，在經濟（jì）前提下盡可能增加係統的動剛性，並可運用三維軟件進行仿真模擬，對機（jī）床進行（háng）動態特性分析，分析機床（chuáng）在動態切削（xuē）力（lì）和（hé）其他外力幹擾下的抗振性能，找出（chū）容易被激發（fā）的模態和對（duì）結構動（dòng）態性能影響較大（dà）的頻率、振（zhèn）型和振幅，從而提高機床低階固有頻率、提高切削穩定性、避（bì）開共振、抑（yì）製振幅，提高加工精度。

3.3　增加阻尼

我們同樣在一台 M1432 外圓磨床上進行磨削試驗，在砂輪主（zhǔ）軸前端安（ān）裝振動（dòng）傳感器，運用 SBS 動平衡係統（tǒng）的柔量（liàng）（單位載荷下的伸長或變形）分析功（gōng）能，對（duì）主軸的柔量在增（zēng）加阻（zǔ）尼和（hé）無阻尼狀態下進行對比，結（jié）果如（rú）圖 5 所示。通（tōng）過對比（bǐ），可明顯看出（chū）在增加砂輪主軸阻尼後，主軸係統的柔量值（zhí）明細降低。這也就意味著在增加阻尼後，主軸的振動降低（dī）了。所以（yǐ）對已有機床改造時，增加阻尼對（duì）抑製（zhì）磨削（xuē）振紋是（shì）個不錯的選擇。

圖 5　主軸柔量在增加阻尼和（hé）無（wú）阻尼狀態下的（de）對比結果

3.4　其他方（fāng）法

通（tōng）過不斷研究，現在我們對磨床的各個（gè）振動、振源有了更全麵的認識，這有利於抑製振動發生。試驗發現（xiàn）減少工件和（hé）砂輪的（de）接觸剛度（dù），也能降低機（jī）床振動，可以在砂輪上均布一些孔槽來實現。幹擾砂輪（lún）與工件間相位（wèi）也是一種很實（shí）用的方法（fǎ）。

在設計機床時，要采取“上輕下重、動輕（qīng）靜重”的（de）原則，采用吸振性好的床身、底座。建立模型，提高機床剛度、增大阻尼、改進約束、降低重心（xīn）並盡可能（néng）實現重心驅動。這些（xiē）都是降低機床振（zhèn）動很實用、很有效的措施（shī）。

4、結語

工件表麵（miàn）有磨削後的波紋，也就（jiù）意味著機床有振動，這些振動無非來自機（jī）床內部振源或外部振源，隻要我們運用科學的方法（fǎ）找出這些振源，通過各種手段消除或抑製這些振源，就一定能獲得理想的加工表麵質量。

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