精密磨削中振紋抑制方法的研究
2019-10-10 來源： 威海華東數(shù)控股份有限公司 作者：鄭曙光 尹德臻
摘 要：介紹了磨削過程中振紋的種類、振紋產(chǎn)生的機(jī)理，并對如何抑制磨削中的振紋，達(dá)到理想的表面質(zhì)量進(jìn)行了研究探討。
關(guān)鍵詞：磨床 振紋 阻尼 剛性
隨著科技的不斷發(fā)展，人們對各類零件的精度要求越來越高，而磨削作為產(chǎn)品加工的最后一道工序，是產(chǎn)品精度的最終體現(xiàn)。所以，人們對磨削的關(guān)注也不斷提高，我們不但希望得到理想的尺寸，同時對磨削后零件表面是否有振紋也提出了更高要求。本文對磨削振紋的產(chǎn)生機(jī)理及如何抑制振紋出現(xiàn)做一些分析探討。
1、磨削中的振動
機(jī)械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復(fù)雜過程。從被加工零件的形成過程來看，如果機(jī)床切削時，刀具與工件之間存在振動，致使刀具與工件之間產(chǎn)生相對位移，改變了它們之間的正確關(guān)系，就會在加工表面留下波紋。磨削過程和一般機(jī)械加工一樣，存在以下幾種改變砂輪和工件之間相對位置的振動：強(qiáng)迫振動、自激振動和混合顫振，自激振動也就是我們平時說的顫振，可分為工件表面自激顫振與砂輪表面自激顫振。
圖 1 是外圓磨床中各振動的示意圖。
強(qiáng)迫振動主要來自于砂輪主軸的不平衡，附近設(shè)備的振動通過地面?zhèn)鞑サ綑C(jī)床上、機(jī)床自身的液壓脈動，等等。一般來說，其振動頻率和激振源頻率相等，和磨削量大小無關(guān)，強(qiáng)迫振動一直存在，且比較穩(wěn)定，在空運轉(zhuǎn)設(shè)備時就能測得該振動。工件表面自激顫振在加工開始就會出現(xiàn)，并且振動幅值很大，即使使用的是剛剛修整的砂輪，也會出現(xiàn)。砂輪表面自激顫振振動幅值隨著時間的延長緩慢增長。這兩種自激振動的振幅和磨削用量相關(guān)，振幅隨磨削時間加長而增長。而混合顫振的為振動頻率和強(qiáng)迫振動頻率一致，但振動幅度會隨磨削量的增加而增大。圖 2 是這幾種振動的特點示意圖。
2、影響振動的因素
通過對機(jī)床激振源的分析研究，我們認(rèn)為影響機(jī)床振動發(fā)生的主要因素有以下三點：工件的轉(zhuǎn)速、砂輪的彈性變形、砂輪與工件表面的幾何干涉。
圖 2 振動的特點示意圖
2.1 工件轉(zhuǎn)速
工件轉(zhuǎn)速對振動的發(fā)生起著非常重要的作用，尤其是在大工件旋轉(zhuǎn)磨削過程中，工件不平衡量會激起設(shè)備的顫振，必然使砂輪和工件之間的正確位置關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致在工件表面留下磨削振紋。
2.2 砂輪的彈性變形
由于砂輪存在彈性變形，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，振動會隨之發(fā)生。同樣的道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。這兩種顫振只有在砂輪和工件接觸時才會出現(xiàn)。圖 3 是外圓磨切入磨削的示意圖。
圖 3 外圓磨切入磨削的示意圖
2.3 砂輪與工件幾何干涉規(guī)律
即使是外圓床磨削加工時，工件和砂輪之間也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(dāng)他們接觸時就會疊加出新的振動，我們定義該振動的振幅 ycr，則有：
通過對振動因素的分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)床的磨削剛度增加，磨削系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定，容易引起磨削振紋。當(dāng)機(jī)床磨削阻尼增加，磨削系統(tǒng)變得趨于穩(wěn)定。
3、抑制振紋的措施
3.1 通過調(diào)整砂輪與工件轉(zhuǎn)速比來抑制振紋產(chǎn)生
我們在一臺 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，在各磨削參數(shù)相同的情況下，使用不同的砂輪轉(zhuǎn)速，
進(jìn)行磨削加工，然后將工件帶到實驗室經(jīng)輪廓分析儀測量作頻譜分析，得出工件的外徑輪廓如圖 4。通過該示意圖明顯看出砂輪與工件轉(zhuǎn)速比改變后，工件表面振紋的變化非常明顯。
圖 4 工件的外徑輪廓
3.2 抑制振動
隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在砂輪在線動平衡系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)有，這種系統(tǒng)能顯示機(jī)床的固有頻率、振幅等相關(guān)參數(shù)，還能顯示砂輪主軸系統(tǒng)的不平衡值，并可按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)值對砂輪主軸系統(tǒng)進(jìn)行在線平衡，確保砂輪主軸系統(tǒng)的不平衡量控制在一個極低范圍內(nèi)。由于砂輪需要經(jīng)常修整，加之砂輪在鑄造時受氣孔結(jié)合劑等參數(shù)的影響，砂輪修整后往往會出現(xiàn)質(zhì)心偏移，導(dǎo)致主軸振動加劇，因此，配置砂輪動平衡系統(tǒng)對控制砂輪表面再生型振動是很有必要的。
對于機(jī)床的自激振動，首先是在機(jī)床的設(shè)計階段，在經(jīng)濟(jì)前提下盡可能增加系統(tǒng)的動剛性，并可運用三維軟件進(jìn)行仿真模擬，對機(jī)床進(jìn)行動態(tài)特性分析，分析機(jī)床在動態(tài)切削力和其他外力干擾下的抗振性能，找出容易被激發(fā)的模態(tài)和對結(jié)構(gòu)動態(tài)性能影響較大的頻率、振型和振幅，從而提高機(jī)床低階固有頻率、提高切削穩(wěn)定性、避開共振、抑制振幅，提高加工精度。
3.3 增加阻尼
我們同樣在一臺 M1432 外圓磨床上進(jìn)行磨削試驗，在砂輪主軸前端安裝振動傳感器，運用 SBS 動平衡系統(tǒng)的柔量（單位載荷下的伸長或變形）分析功能，對主軸的柔量在增加阻尼和無阻尼狀態(tài)下進(jìn)行對比，結(jié)果如圖 5 所示。通過對比，可明顯看出在增加砂輪主軸阻尼后，主軸系統(tǒng)的柔量值明細(xì)降低。這也就意味著在增加阻尼后，主軸的振動降低了。所以對已有機(jī)床改造時，增加阻尼對抑制磨削振紋是個不錯的選擇。
圖 5 主軸柔量在增加阻尼和無阻尼狀態(tài)下的對比結(jié)果
3.4 其他方法
通過不斷研究，現(xiàn)在我們對磨床的各個振動、振源有了更全面的認(rèn)識，這有利于抑制振動發(fā)生。試驗發(fā)現(xiàn)減少工件和砂輪的接觸剛度，也能降低機(jī)床振動，可以在砂輪上均布一些孔槽來實現(xiàn)。干擾砂輪與工件間相位也是一種很實用的方法。
在設(shè)計機(jī)床時，要采取“上輕下重、動輕靜重”的原則，采用吸振性好的床身、底座。建立模型，提高機(jī)床剛度、增大阻尼、改進(jìn)約束、降低重心并盡可能實現(xiàn)重心驅(qū)動。這些都是降低機(jī)床振動很實用、很有效的措施。
4、結(jié)語
工件表面有磨削后的波紋，也就意味著機(jī)床有振動，這些振動無非來自機(jī)床內(nèi)部振源或外部振源，只要我們運用科學(xué)的方法找出這些振源，通過各種手段消除或抑制這些振源，就一定能獲得理想的加工表面質(zhì)量。
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