數控磨床振動試驗研究

邱 波

（無錫機床股份有限公司 技術中心，江蘇 無錫 214061）

0 引言

在工業生產中，由于磨床零件和部件制造加工精度不符合設計要求、回轉體本身的不平衡、液壓系統中油液的波動、周期切削力等引起磨床結構系統的強迫振動，其激起的磨床部件之間的相對振動幅值將影響加工工件的精度，如圓度、表面粗糙度等。磨床系統的絕對振動幅值通常是大于砂輪和工件之間的相對振幅的，雖然這不會嚴重影響加工精度，但是當絕對振幅較大時，會引起用戶的不安，產生不安全感，從而影響磨床的銷售。因此，磨床振動的研究應該建立在對實際磨床進行試驗和測量的基礎上，發現其中的振動特征，找出規律，為機床優化設計提供依據。

本公司進行磨床振動試驗主要有兩方面的目的：①拾取振動幅頻譜圖，以便于進行頻譜分析；②獲取機床振動瀑布圖，分析磨頭主軸最佳磨削轉速。

1 試驗設備的選用

本公司使用的振動試驗設備是比利時LMS公司生產的Test．Lab振動噪聲測量分析系統，其中，Spectral Testing是專門設計用來進行振動譜分析的軟件模塊，Signature Testing信號特征測試分析模塊可以實時監控、采集所有轉速下的頻譜曲線，配上丹麥BK公司的速度傳感器及轉速信號傳感器，使得試驗效率大幅提高。

2 試驗方法及譜分析

磨床振動試驗主要有兩項內容：①空運轉振動試驗；②機床磨削狀態振動試驗。普通機床的主軸、電動機等主要回轉體經過動平衡后，其絕對振動的幅值會很小而不足以影響精度，可以不必考慮空運轉的絕對振動。但由于磨床的精密性，其刀具為磨削砂輪，而砂輪存在一個動態平衡問題，該因素對磨床振動是非常敏感的。此外，空運轉絕對振動的頻譜分析有助于分析引起振動的原因。

2．1 整機空運轉試驗

整機空運轉的試驗目的是為了弄清機床內部存在的強迫振動振源的狀況，即強迫振動的振源可能在哪些環節，它們對加工表面振紋的影響是怎樣的。首先，分別開動機床上各電機，測量工件與砂輪之間的相對振動和各部件的絕對振動的振動幅值，拾取幅頻曲線。

如圖1所示，當機床振動系統在一倍頻64Hz處出現最大振動峰值68．6×10－6m／s時，一定是由于磨床砂輪旋轉不平衡的慣性力和機械傳動過程中的干擾力所引起。在早期的機床振動研究中，振幅值一般選取位移值，單位為μm，這樣雖然比較直觀，但不能正確反映機床振動的激烈程度。通常在做試驗時，我們更關心機床振動的激烈程度，即機床振動烈度，該參數能夠完全反映出機床振動的狀態。振動烈度的單位為m／s，是一個速度單位。雖然通過數學微積分，用軟件的方法可以在各單位之間轉換，但經過實際檢驗，軟件計算方法產生的誤差遠遠大于硬件計算方法，因此，現代振動試驗中通常選用速度傳感器就是這個原因。

2．2 切削試驗

切削試驗是檢查機床實際工作的性能，此時強迫振動與自激振動同時存在，因此，要從這兩個方面進行試驗分析：①對于強迫振動，可以根據加工表面的振痕頻率分析機床中的振源，也可以采用不同的切削條件來改變激振力大小以測定機床的抗振能力；②對于自激振動，可以測出自激振動的頻率，并可以求出開始起振時的臨界磨削參數。

圖1 磨頭X方向振動譜圖

2．2．1 受迫振動振源分析

工件表面的振紋頻率f（Hz）為：

其中：z為振紋數目；n為工件轉速。

根據圓度儀測得的振紋數目可以計算出振紋頻率，該振紋頻率與實際磨削時測得的最大振幅值所對應的頻率是一致的。此頻率也出現在空運轉狀態的幅頻譜圖上。

2．2．2 自激振動頻率的判斷

磨削時兩類振動同時存在，為求自振頻率，應減少強迫振動的干擾。自激振動的產生一般是根據特有的噪聲、振幅的劇烈上升和工件表面出現的振痕來判斷的。自激振動的頻率與振動系統某一階的固有頻率接近，與外界振源無關，如果改變磨削量，其振動頻率不會發生變化。

通過分析機床振動頻譜圖，了解了機床在某一轉速下的振動狀態。為了了解砂輪主軸的振動情況，我們在原有頻譜圖的基礎上增加了一個新的維度，即速度軸。這樣，就形成了振動瀑布圖，如圖2所示。通過提取一階頻率下轉速與振幅的關系曲線，得到圖3。經分析可知，砂輪主軸在1 462r／min具有較小的振動烈度，有良好的磨削效果。

瀑布圖為我們提供了一個印證頻譜圖的手段。通過對瀑布圖橫切，獲得了這一轉速下的頻譜圖，這與譜分析得到的結果互相印證，增加了數據分析的可靠性。

3 減小振動的方法

3．1 振動的隔離

隔振有兩種方法，主動隔振是防止機床的振動傳給地基；被動隔振是防止振動由地基傳給機床。主動隔振其力學模型相當于直接激振。

設振動產生的位移為：

x＝Acos（ωt－φ）。

圖2 磨頭X方向振動瀑布圖

圖3 磨頭一階轉速振幅關系圖

運動微分方程為：

mx″＋cx′＋kx＝Fcosωt。

作用在彈性基礎上的力是彈性力和阻尼力之和，即：

被動隔振是干擾力作用在地基上，相當于基點激

當頻率比振。為使機床啟動時共振峰不至過高，一般設置較大的阻尼比ζ＝0．5～0．8。

3．2 用減振器減少振動

在機床上通過加裝彈簧阻尼吸振器，可使運動部件振幅減小50%。

3．3 改善機床部件的制造和裝配質量以提高阻尼系數

材料結構內的阻尼是很小的，內圓磨床裝上滑板、車頭、磨頭后與單獨床身比，阻尼一般會增加7倍～8倍；適當減小主軸間隙也可以提高系統剛性，因此，砂輪主軸裝配時要采用合適的間隙值，砂輪主軸軸承間隙減小0．03mm，振幅將相應降低70%，系統阻尼則會增加70%。

4 小結

通過深入了解機床的振動特性，掌握各轉速下系統振動的細節，使用多種手段獲得振動頻譜圖，增加數據可靠性，從而使我們能夠更好地控制機床振動，減小振動對工件加工質量的影響，提升磨床品質，為國產磨床進入國際先進磨床行列提供強有力的技術支持。

［1］ 李舜酩，李香蓮．振動信號的現代分析技術與應用［M］．北京：國防工業出版社，2008．

［2］ 聞邦椿，劉樹英，陳照波．機械振動理論及應用［M］．北京：高等教育出版社，2009．

［3］ 張立彬，蔣帆，王揚渝，等．基于 LMS Test．Lab的小型農業作業機振動測試與分析［J］．農業工程學報，2008（5）：100－104．

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