張鑒

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡438002)

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變速磨削的磨削顫振抑振措施

張鑒

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡438002)

摘要:磨削加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)將降低工件加工質(zhì)量，它不僅影響磨削加工進(jìn)行正常，還使加工工件表面質(zhì)量嚴(yán)重降低，砂輪和機(jī)床的使用壽命也會(huì)減少，通過分析磨削中振動(dòng)產(chǎn)生原因，提出磨削中可采用變速磨削及工藝條件適配法等措施減少磨削中振動(dòng)。

關(guān)鍵詞:磨削加工;顫振;變速磨削

磨削加工是機(jī)械制造中一種重要的加工方法，工件加工工藝主要是安排在半精加工和精加工階段，在工件加工過程中砂輪是磨削的切削工具，切削加工過程由砂輪表面大量隨機(jī)分布的磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行滑擦、刻劃和切削三種作用。在磨削加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)不僅影響磨削加工正常進(jìn)行，還將嚴(yán)重降低工件加工表面的質(zhì)量，降低機(jī)床和砂輪的使用壽命，同時(shí)加工過程會(huì)有振動(dòng)而產(chǎn)生較大的噪聲，噪聲的產(chǎn)生會(huì)影響工人的工作情緒。磨削加工中的顫振是一種非常有害的現(xiàn)象，一旦發(fā)生輕則工件報(bào)廢、刀具損壞;重則導(dǎo)致設(shè)備損壞，其發(fā)生過程分為平穩(wěn)磨削階段，顫振蘊(yùn)育階段和顫振爆發(fā)階段，它將影響產(chǎn)品加工質(zhì)量和機(jī)床切削效率。通常為了減小振動(dòng)都采用減小加工的進(jìn)給量的措施，但這降低了生產(chǎn)效率，因此在磨削加工過程中要分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，采用相應(yīng)消振措施，以保證磨削的加工質(zhì)量提高生產(chǎn)率。

1　磨削加工過程中的顫振產(chǎn)生及特點(diǎn)

磨削加工過程在無外力周期的作用下，系統(tǒng)內(nèi)部相互作用反饋及激發(fā)而生成穩(wěn)定的振動(dòng)周期即自激振動(dòng)，簡(jiǎn)稱“顫振”。一般認(rèn)為屬于再生自振，因磨削力在通常磨削時(shí)有隨機(jī)性，則它的成分中具有此薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率，砂輪和工件相對(duì)振動(dòng)開始發(fā)生時(shí)，此振動(dòng)使動(dòng)態(tài)磨削力產(chǎn)生，二次激振被引起，即稱再生激振。此種激振力相對(duì)于薄弱系統(tǒng)環(huán)節(jié)而言，基本上頻率接近固有頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，故振幅將會(huì)于一定條件下擴(kuò)大且原波紋與此波紋相位差接近于π/2。顫振的特點(diǎn)主要有:

(1)顫振是不衰振動(dòng)，能引起振動(dòng)本身某種力變化呈周期性，通過此種力的變化振動(dòng)系統(tǒng)獲得補(bǔ)充能量，這樣振動(dòng)能夠維持和繼續(xù)，顫振相當(dāng)于具有負(fù)阻尼的穩(wěn)定的自由振動(dòng)。

(2)顫振頻率接近于或等于系統(tǒng)固有頻率，其振幅和頻率都不受外界干擾，取決得于系統(tǒng)本身參數(shù)。

(3)顫振的振幅大小，以及振動(dòng)本身能否產(chǎn)生決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)，對(duì)比系統(tǒng)獲得的與消耗的能量。如果所獲能量大于所消耗能量，則振幅將不斷增大;反之將不斷減小，當(dāng)獲得的能量與消耗的能量相等時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)任何數(shù)值時(shí)振幅獲得能量都比消耗的能量小于，則顫振就不可能產(chǎn)生。

(4)顫振是在沒有外界周期性激振力的條件下產(chǎn)生的，其持續(xù)和形成是因本身過程產(chǎn)生的反饋和激振作用，因此若切削停止，其內(nèi)部激振力消失，顫振也隨之消失。因此，可以認(rèn)為顫振相當(dāng)于有系統(tǒng)內(nèi)部激振力而引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。

2　磨削加工中的顫振形成原因分析

磨削加工過程中影響工件加工質(zhì)量的主要振動(dòng)形式有兩種，即強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振，強(qiáng)迫振動(dòng)是因砂輪偏心和不平衡所造成，加工磨削過程中要消除偏心和不平衡，通過整形和平衡多次可以避免振動(dòng)影響。另一種振動(dòng)是顫振，機(jī)械加工按顫振形成機(jī)理分摩擦型、振型耦合型和再生型三種形式，磨削加工主要是再生型顫振。在切削過程中由于偶然的擾動(dòng)(材料硬點(diǎn)、加工余量不均勻等)使工藝系統(tǒng)開始振動(dòng)，工件表面出現(xiàn)振紋，當(dāng)工件在下一轉(zhuǎn)或下一次切削時(shí)在該處切下厚度不一的切屑，使切削力變化呈周期性，其頻率為此前生成的振動(dòng)頻率，當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)切削力變化將新的振動(dòng)激發(fā)，波形表面形成從而產(chǎn)生再生顫振［1］。

2.1砂輪表面再生型顫振

按照砂輪表面的磨粒在外力作用下脫落的難易程度分，容易脫落稱為軟砂輪，不容易脫落為硬砂輪，磨削加工過程根據(jù)加工工件材料及工藝要求進(jìn)行選擇，在加工過程中若選用軟砂輪，多角形磨耗會(huì)出現(xiàn)在砂輪外圓上，若磨削加工時(shí)用硬砂輪，砂輪外圓上會(huì)有等間隔的阻塞條紋生成。發(fā)展下去，兩種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致顫振，因砂輪的修整條件、磨耗及動(dòng)態(tài)不平衡，機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及磨削條件都給顫振的振幅加大及發(fā)生帶來影響，對(duì)外圓磨削時(shí)會(huì)于工件表面有密集的直線型條紋形成，若繼續(xù)使用砂輪時(shí)，不均勻的間隔磨耗會(huì)逐漸在表面形成，同時(shí)加工表面惡化，振幅增大，顫振噪聲將發(fā)生。

2.2工件表面再生型顫振

在磨削前工件上道工序殘留在表面的加工波紋及在磨削加工中不同程度有振動(dòng)幅值殘留在工件表面，前一轉(zhuǎn)在表面上所映的起伏波紋，幅值于下一次的磨削中改變，稱此種改變?yōu)楣ぜ偕?yīng)。外圓磨削時(shí)在一般磨削條件下工件再生效應(yīng)較小，則工件再生型振動(dòng)由此效應(yīng)產(chǎn)生的也發(fā)生很少，一般工件再生顫振在磨削開始階段發(fā)生。

2.3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)磨削顫振的影響

軋輥驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)時(shí)力偶矩未形成，軋輥旋轉(zhuǎn)單點(diǎn)撥動(dòng)造成不平衡的軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)，軋輥輥肩與磨床托架托瓦表面沒有接觸好，軋輥偏心轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使顫振形成，出現(xiàn)顫振時(shí)存在一變動(dòng)的力，它讓砂輪或工件的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的存在形成變動(dòng)力矩，隨工件砂輪速度變化磨削中的磨削力矩也變化。

3　顫振的抑振措施

影響顫振發(fā)展和產(chǎn)生的因素在磨削過程中主要有:砂輪及特性，磨床系統(tǒng)剛度，磨削工藝參數(shù)，工件的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等。延緩和抑制磨削顫振發(fā)展能使工件表面磨削質(zhì)量提高，使砂輪的修整周期延長(zhǎng)。其消振主要采取工藝條件適當(dāng)配置，改變磨削過程中砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速及磨削進(jìn)給速度等措施。

早在隆慶四年(1570)，徐渭在給好友、禮部右侍郎諸大綬(1523-1573，字端甫，號(hào)南明，紹興山陰人)的《書啟》中就說過：“……每及諸公，相與舉手加額曰：‘虧卻禮部工部’?；蛱泶鐮T，不覺屈指再陳云：‘莫忘老張新張?！w明公之撥不肖，如圣眾取經(jīng)于西極，歷百艱而務(wù)了一心；不肖之答明公，如貧僧拜懺于荒庵，有贊嘆而無供養(yǎng)。茲念罔極，何以為情！”[1]1295文中的禮部即禮部侍郎諸大綬，工部即時(shí)任工部營(yíng)繕?biāo)局魇碌奶沼讓W(xué)(1521-1611，字子行，明紹興會(huì)稽人)，老張即張?zhí)鞆?fù)、新張即張?jiān)怼！安恍ぶ鹈鞴缲毶輵杂诨拟?，有贊嘆而無供養(yǎng)”，徐渭在文中表達(dá)對(duì)這四位同鄉(xiāng)官員救援自己的感激之情。

3.1變速磨削抑制磨削顫振

變速磨削就是在磨削過程的某段時(shí)間內(nèi)或整個(gè)過程，人為地改變砂輪與工件的進(jìn)給速度或瞬時(shí)轉(zhuǎn)速比［2］。

1)變砂輪轉(zhuǎn)速

砂輪和磨床組成系統(tǒng)有一定的振動(dòng)固有周期，顫振頻率不同對(duì)應(yīng)不同大小的顫振增長(zhǎng)率，在磨削過程中由于再生顫振的作用為閉環(huán)反饋，因此變速磨削就是讓砂輪轉(zhuǎn)速改變使磨削顫振不在最大顫振增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的頻率下振動(dòng)，使最大顫振增長(zhǎng)率會(huì)大于變速磨削期間顫振增長(zhǎng)率，從而對(duì)顫振增長(zhǎng)延緩或抑制。

2)變進(jìn)給速度

磨削過程中發(fā)生顫振的頻率在所對(duì)應(yīng)敏感模態(tài)的固有頻率附近。不同的進(jìn)給速度使顫振發(fā)生也有不同臨界頻率，對(duì)進(jìn)給速度不斷改變，使變化時(shí)間間隔小于形成顫振時(shí)間，讓顫振得以抑制。

3)變工件轉(zhuǎn)速

磨削中工件切削時(shí)前一轉(zhuǎn)出現(xiàn)波紋，砂輪將在有波紋的表面后一轉(zhuǎn)時(shí)切削且工件表面產(chǎn)生新波紋。以前后兩次波紋的情況將對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生不同的作用，具體情況見表1。

表1　前后兩次波紋對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的作用

顫振頻率在正常磨削過程中變化不斷，而顫振波形中會(huì)含有多個(gè)頻率分量，因此顫振激發(fā)和抑制區(qū)于實(shí)際磨削中非一成不變。同一工件速度下，顫振頻率的變化一會(huì)在抑制區(qū)，一會(huì)又在激發(fā)區(qū)。不同頻率分量的顫振激發(fā)區(qū)和抑制區(qū)間在多種頻率分量下交叉存在。則變速磨削的頻率、幅度在某一時(shí)間內(nèi)適當(dāng)使磨削系統(tǒng)避開顫振激發(fā)區(qū)，達(dá)到比恒速磨削好的確效果。

3.2采取工藝條件適配法

一方面變速磨削要附加調(diào)速裝置，變速磨削時(shí)另一方面通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流很大，這就對(duì)電動(dòng)機(jī)、功率放大器、電路的熱載能力要求較高，因此我們加強(qiáng)適配工藝條件。根據(jù)工件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)磨削加工要合理確定所用磨削參數(shù)及砂輪的特性，可在一定生產(chǎn)率的重要任務(wù)下保證和防止產(chǎn)生磨削顫振，同時(shí)磨削表面質(zhì)量得以提高。砂輪特性對(duì)磨削過程穩(wěn)定性影響的主要是砂輪硬度，工件材質(zhì)性能對(duì)磨削過程穩(wěn)定性影響主要是工件的硬度和強(qiáng)度，實(shí)踐證明砂輪硬度和工件材質(zhì)硬度越高，相應(yīng)越容易發(fā)生顫振，因此磨削較硬工件時(shí)選擇較軟砂輪;磨削較軟工件時(shí)選擇較硬砂輪，這樣可以減少磨削加工的顫振［3］。

4　結(jié)論

通過對(duì)磨削過程產(chǎn)生振動(dòng)原因的分析，磨削過程中主要有強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振，強(qiáng)迫振動(dòng)砂輪偏心和不平衡是主要原因，所以可通過整形交替和多次平衡方法來對(duì)振動(dòng)消除。磨削加工主要體現(xiàn)在再生型顫振，其產(chǎn)生振動(dòng)主要有砂輪表面再生型顫振、工件表面再生型顫振及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)顫振產(chǎn)生影響，因此磨削過程中可以采取變速磨削及工藝條件適配法等措施，可以明顯減少磨削中振動(dòng)使磨削加工勞動(dòng)生產(chǎn)率及加工質(zhì)量提高，同時(shí)使砂輪延長(zhǎng)了的使用壽命。

參考文獻(xiàn):

［1］王海珍，李玉平.機(jī)械加工中振動(dòng)分析及控制措施［J］.機(jī)械制造與研究，2008，(12).

［2］黃志堅(jiān)，高立新，廖一凡，等.機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2010.

［3］候靜強(qiáng)，李震杰，梁瑞容，等.淺談磨削加工中的振動(dòng)［J］.中國(guó)科技信息，2008，(22).

［編校:楊琴］

Vibration Suppression Measures of Grinding Chatter based on Variable Speed Grinding

ZHANG Jian
(Huanggang Polytechnic College Huanggang Hubei 438002)

Abstract:In the process of grinding，vibration will be reduced.It will not only affect the grinding process，but also reduce the service life of the machined surface and reduce the vibration.

Key words:grinding; chatter; speed grinding

作者簡(jiǎn)介:張鑒(1971－)，男，湖北黃岡人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)閼?yīng)用電子。

收稿日期:2016－01－12

中圖分類號(hào):TG580.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1671－9654(2016)01－040－03