鄭曙光 尹德臻

(威海華東數(shù)控股份有限公司，威海 264200)

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)磨削后零件表面是否有振紋也提出了更高要求。本文對(duì)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(dòng)

機(jī)械加工就是刀具和工件在加工時(shí)相互作用、相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)，刀具與工件之間存在振動(dòng)，致使刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變了它們之間的正確關(guān)系，就會(huì)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(duì)位置的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)和混合顫振，自激振動(dòng)也就是我們平時(shí)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(dòng)的示意圖。

圖1 外圓磨床中各振動(dòng)的示意圖

強(qiáng)迫振動(dòng)主要來自于砂輪主軸的不平衡，附近設(shè)備的振動(dòng)通過地面?zhèn)鞑サ綑C(jī)床上、機(jī)床自身的液壓脈動(dòng)，等等。一般來說，其振動(dòng)頻率和激振源頻率相等，和磨削量大小無關(guān)，強(qiáng)迫振動(dòng)一直存在，且比較穩(wěn)定，在空運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)就能測得該振動(dòng)。工件表面自激顫振在加工開始就會(huì)出現(xiàn)，并且振動(dòng)幅值很大，即使使用的是剛剛修整的砂輪，也會(huì)出現(xiàn)。砂輪表面自激顫振振動(dòng)幅值隨著時(shí)間的延長緩慢增長。這兩種自激振動(dòng)的振幅和磨削用量相關(guān)，振幅隨磨削時(shí)間加長而增長。而混合顫振的為振動(dòng)頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率一致，但振動(dòng)幅度會(huì)隨磨削量的增加而增大。圖2是這幾種振動(dòng)的特點(diǎn)示意圖。

2 影響振動(dòng)的因素

通過對(duì)機(jī)床激振源的分析研究，我們認(rèn)為影響機(jī)床振動(dòng)發(fā)生的主要因素有以下三點(diǎn)：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(dòng)的特點(diǎn)示意圖

2.1 工件轉(zhuǎn)速

工件轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)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(huì)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(dòng)會(huì)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(shí)才會(huì)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(shí)，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(shí)就會(huì)疊加出新的振動(dòng)，我們定義該振動(dòng)的振幅ycr，則有：

式中，Vw為工件的轉(zhuǎn)速；ω為機(jī)床固有頻率；dw為工件直徑；ds為砂輪直徑，分子中的加號(hào)用于外圓磨削，減號(hào)用于內(nèi)圓磨削，平面磨削時(shí)，dw看作無限大。我們將ycr與機(jī)床在固有頻率下的振幅y做對(duì)比，通過反復(fù)試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

如果ycr＞y，砂輪表面再生效應(yīng)發(fā)展很慢；此時(shí)，工件再生型效應(yīng)完全影響著磨削穩(wěn)定性，機(jī)床的顫動(dòng)基本上是工件的再生型顫振引起的。

如果ycr＜y，工件表面再生效應(yīng)小于砂輪表面再生效應(yīng)，此時(shí)，可只考慮砂輪表面再生型顫振。

通過對(duì)振動(dòng)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(huì)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?cè)谝慌_(tái)M1432外圓磨床上做試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(dòng)

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在砂輪在線動(dòng)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(duì)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(gè)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(shí)受氣孔結(jié)合劑等參數(shù)的影響，砂輪修整后往往會(huì)出現(xiàn)質(zhì)心偏移，導(dǎo)致主軸振動(dòng)加劇，因此，配置砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)控制砂輪表面再生型振動(dòng)是很有必要的。

對(duì)于機(jī)床的自激振動(dòng)，首先是在機(jī)床的設(shè)計(jì)階段，在經(jīng)濟(jì)前提下盡可能增加系統(tǒng)的動(dòng)剛性，并可運(yùn)用三維軟件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，分析機(jī)床在動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(tái)M1432外圓磨床上進(jìn)行磨削試驗(yàn)，在砂輪主軸前端安裝振動(dòng)傳感器，運(yùn)用sBs動(dòng)平衡系統(tǒng)的柔量（單位載荷下的伸長或變形）分析功能，對(duì)主軸的柔量在增加阻尼和無阻尼狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。通過對(duì)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(dòng)降低了。所以對(duì)已有機(jī)床改造時(shí)，增加阻尼對(duì)抑制磨削振紋是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖5 主軸柔量在增加阻尼和無阻尼狀態(tài)下的對(duì)比結(jié)果

3.4 其他方法

通過不斷研究，現(xiàn)在我們對(duì)磨床的各個(gè)振動(dòng)、振源有了更全面的認(rèn)識(shí)，這有利于抑制振動(dòng)發(fā)生。試驗(yàn)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(dòng)，可以在砂輪上均布一些孔槽來實(shí)現(xiàn)。干擾砂輪與工件間相位也是一種很實(shí)用的方法。

在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，要采取“上輕下重、動(dòng)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(shí)現(xiàn)重心驅(qū)動(dòng)。

這些都是降低機(jī)床振動(dòng)很實(shí)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(dòng)，這些振動(dòng)無非來自機(jī)床內(nèi)部振源或外部振源，只要我們運(yùn)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。