龍門導(dǎo)軌磨床磨削波紋產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

■威海華東數(shù)控股份有限公司（山東 264200）尹德臻 劉傳金 劉炳文

龍門導(dǎo)軌磨床加工精度包含幾何精度及表面質(zhì)量精度。磨削波紋度、表面粗糙度值、表面層物理學(xué)性能狀態(tài)指標(biāo)等屬表面質(zhì)量指標(biāo)。磨削表面的波紋度是衡量工件表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，波紋度直接影響零件表面的機(jī)械性能，如零件的接觸剛度、疲勞強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、抗振性和密封性等，還與噪聲的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)以及潤(rùn)滑性能有關(guān)。在科技飛速發(fā)展的今天，人們對(duì)零件的精度要求愈加苛刻，因而如何消除磨削時(shí)產(chǎn)生的波紋就變得尤為重要。

1.波紋的特點(diǎn)

我們使用一臺(tái)MKW5325A×130龍門導(dǎo)軌磨床磨削床身導(dǎo)軌后進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磨削后的導(dǎo)軌面有波紋，有的波紋逆光用肉眼觀察就較明顯，不明顯的用紅丹粉研磨后也很清晰，通過(guò)對(duì)波紋進(jìn)行放大和分析，發(fā)現(xiàn)波紋都是黑白相間的，如圖1所示。

波距b一般在20～30mm，通過(guò)對(duì)這些波紋的分析發(fā)現(xiàn)有如下的特點(diǎn)：

（1）波紋形狀呈條狀且與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向基本垂直。

（2）波距b有時(shí)能成倍增加。

（3）磨削面越大波紋越明顯。

2.龍門導(dǎo)軌磨床磨削波紋產(chǎn)生的機(jī)理

機(jī)械加工是機(jī)床、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(guò)程。從被加工零件的形成過(guò)程來(lái)看，如果機(jī)床切削時(shí)，刀具與工件之間存在著振動(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。同樣的道理，在磨削加工時(shí)，砂輪與工件之間如果存在著振動(dòng)，致使砂輪與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，從而改變它們之間的正確關(guān)系，由此會(huì)產(chǎn)生磨削波紋現(xiàn)象。磨削過(guò)程的振動(dòng)可分為強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)（顫振）和混合顫振。以下是三種振動(dòng)的特點(diǎn)：

（1）強(qiáng)迫振動(dòng)：一直存在，而且比較穩(wěn)定。空轉(zhuǎn)時(shí)就能測(cè)得振動(dòng)，和切削用量無(wú)關(guān)，頻率和外激頻率一致。

（2）自激振動(dòng)：是在沒(méi)有周期性外力的作用下，工件和刀具之間發(fā)生強(qiáng)烈地相對(duì)振動(dòng)，與切削量關(guān)系密切，隨著磨削吃刀量的增大，它就越容易被激發(fā)，隨后振幅會(huì)增大，頻率慢慢下降，最終會(huì)穩(wěn)定在系統(tǒng)某一固有頻率附近。顫振會(huì)在加工表面上殘留下明顯的有規(guī)律的振紋。

（3）混合顫振：混合振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的藕合，它具有自激振動(dòng)的特征，但振動(dòng)頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率一致。

圖2所示是強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的特點(diǎn)示意圖。

3.試驗(yàn)過(guò)程

（1）試驗(yàn)內(nèi)容。我們先用DITTEL在線動(dòng)平衡系統(tǒng)和振動(dòng)傳感器測(cè)得機(jī)床在空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的固有頻率fn和磨頭處的振幅A。然后進(jìn)行試磨件磨削，相關(guān)參數(shù)如下：

圖1

圖2

工作臺(tái)速度370～410 mm/s，測(cè)量波紋間距為18～20 mm，從而可得出波紋的頻率f，f＝（370～410）/（18～20）＝18.5～22.78 Hz。

將該試磨件用RM500表面輪廓分析儀進(jìn)行分析，獲得該零件表面輪廓曲線，如圖3所示。圖4是對(duì)試件做的頻譜分析。

我們使用加速度計(jì)、信號(hào)分析儀等設(shè)備，通過(guò)磨削時(shí)不同的進(jìn)刀量來(lái)測(cè)得砂輪主軸的徑向功率。首先來(lái)測(cè)量機(jī)床在空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下砂輪——電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率譜圖，如圖5所示。然后我們按照磨削寬度為20 mm，磨削深度分別是0.01 mm、0.04 mm和0.06 mm三種情況下得到的主軸徑向功率譜圖，分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖5中顯示在頻率接近20 Hz處砂輪——電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的徑向功率有一峰值。從圖6中也看到在頻率為20 Hz附件處有一個(gè)峰值，圖7中在40 Hz附件處有一峰值，圖8中在60Hz附件處有一個(gè)峰值，這兩處峰值處對(duì)應(yīng)的頻率基本上是圖6中峰值處頻率20 Hz的倍數(shù)。

我們又進(jìn)一步對(duì)工件——床身系統(tǒng)和砂輪主軸系統(tǒng)進(jìn)行了激振試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工件——床身系統(tǒng)的固有頻率超過(guò)300 Hz，砂輪主軸系統(tǒng)的固有頻率接近330 Hz。

（2）數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)試磨件的頻譜分析結(jié)果（見(jiàn)圖4）來(lái)看，在20 Hz附件工件表面的頻譜有一峰值。這與我們通過(guò)測(cè)量波紋后計(jì)算所得到的波紋頻率f（18.5～22.78 Hz）相符。而通過(guò)對(duì)機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖5）和不同切深時(shí)（見(jiàn)圖6、圖7、圖8）的功率譜圖來(lái)看，在頻率為20 Hz處，砂輪——電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的徑向功率有一峰值。對(duì)比工件——床身系統(tǒng)的固有頻率和砂輪主軸系統(tǒng)的固有頻率都超過(guò)300 Hz，這與20 Hz差別很大，據(jù)此能排除自激振動(dòng)產(chǎn)生波紋的可能性。如圖6、圖7、圖8所示，當(dāng)逐漸增加背吃刀量時(shí)，20 Hz處的振幅變化不明顯，這也就說(shuō)明該處的振動(dòng)也不是混合顫振。

通過(guò)相關(guān)磨削試驗(yàn)、空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及激振試驗(yàn)取得的頻譜數(shù)據(jù)分析，得出龍門導(dǎo)軌磨床的磨削波紋的產(chǎn)生，主要是由于強(qiáng)迫振動(dòng)引起的，而強(qiáng)迫振動(dòng)的振源主要是砂輪——電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中不平衡的旋轉(zhuǎn)體高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。

在該排除試驗(yàn)中，我們還進(jìn)行了其他大量的試驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行一一論證，最后認(rèn)為砂輪——電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中不平衡的旋轉(zhuǎn)體高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)是主要因素，其余試驗(yàn)過(guò)程不再一一贅述。

4.龍門導(dǎo)軌磨床磨削波紋防治對(duì)策

通過(guò)龍門導(dǎo)軌磨床磨削波紋產(chǎn)生的機(jī)理分析，并結(jié)合龍門導(dǎo)軌磨床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建議采用以下主要手段來(lái)抑制磨削波紋的產(chǎn)生。

（1）電動(dòng)機(jī)振動(dòng)等級(jí)選擇方面。在選擇磨削主軸電動(dòng)機(jī)時(shí)，其剩余不平衡量引起振動(dòng)的雙振幅值不應(yīng)大于4m，減少電動(dòng)機(jī)振源振幅，可有效減少磨削波紋的表現(xiàn)程度。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

（2）磨頭電動(dòng)機(jī)運(yùn)行脈動(dòng)控制方面。應(yīng)嚴(yán)格控制因電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間間隙不均勻產(chǎn)生電流脈動(dòng)，減少主軸轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，使磨削出力均勻，減少磨削波紋幅度。

（3）磨頭電動(dòng)機(jī)隔振與平衡方面。①磨頭電動(dòng)機(jī)與其安裝面之間應(yīng)嚴(yán)格加裝防振墊，減小振源的傳播幅度。②磨頭電動(dòng)機(jī)及主軸傳動(dòng)帶輪需進(jìn)行動(dòng)平衡，嚴(yán)格控制因帶輪裝配后的不平衡引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。③磨頭電動(dòng)機(jī)帶輪與磨頭帶輪軸線應(yīng)嚴(yán)格控制平行度在0.05 mm以內(nèi)，防止皮帶振顫引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。④砂輪卡盤與主軸錐度應(yīng)接觸達(dá)到80%以上，并靠近大端。如果其接觸率低，特別是如果接觸部位靠近小端，會(huì)直接產(chǎn)生磨削波紋。

（4）磨頭主軸的徑向支撐剛度方面。磨頭主軸的徑向支撐剛度要達(dá)到380～1000 N/m，若主軸的支撐剛度過(guò)低會(huì)使主軸振動(dòng)幅度加劇。

（5）砂輪選擇與安裝方面。①由于砂輪離線平衡后的安裝、磨削過(guò)程中砂輪磨損的不均勻性、砂輪砂粒間隙的不均勻性及各種隨機(jī)因素的影響，砂輪在磨削過(guò)程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生不平衡量，而砂輪不平衡量嚴(yán)重地影響磨削表面波紋度。因此，建議使用在線動(dòng)平衡儀來(lái)實(shí)時(shí)處理上述問(wèn)題產(chǎn)生的磨削波紋問(wèn)題。②注意選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良并與工件材質(zhì)及表面熱處理相匹配的砂輪，也是降低磨削波紋的重要手段。③質(zhì)量不好的砂輪可以引起以下問(wèn)題：磨粒不均使砂輪在磨削時(shí)吸水不均產(chǎn)生新的不平衡；磨粒質(zhì)量差而引起鈍化過(guò)快引起振動(dòng)。④砂輪的磨粒材質(zhì)、硬度、結(jié)合劑選擇等相關(guān)參數(shù)正確匹配選擇，也是減少磨削波紋的手段。

（6）導(dǎo)軌磨床運(yùn)動(dòng)部件的接觸剛度方面。①磨頭體殼與垂直滑板之間的接觸剛度：磨頭體殼與垂直滑板之間是特別重要結(jié)合面，其接觸剛度直接影響波紋度的產(chǎn)生，應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行刮研，最好將二者鑄為一體。②Y/Z軸主要部件的接觸剛度問(wèn)題：由于Y/Z軸是磨頭進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)剛度過(guò)低直接加大強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅，加大波紋產(chǎn)生的幾率。對(duì)于龍門導(dǎo)軌磨床Y/Z軸運(yùn)動(dòng)部件的接觸剛度是影響波紋的主要因素，一般表象體現(xiàn)在大吃刀磨削波紋度減小，小吃刀精磨波紋度加劇。其主要原因是大吃刀時(shí)人為消除間隙及接觸不良，增加接觸剛度，而小吃刀完全暴露出接觸剛度差問(wèn)題致使波紋度加大。因此，嚴(yán)格控制裝配過(guò)程的質(zhì)量，提高部件的接觸剛度，是減少波紋的重要手段。

5.研究結(jié)論在機(jī)床上的應(yīng)用

在得出上述結(jié)論后，結(jié)合公司正在制造的一臺(tái)MKW5225A/2.5×100龍門導(dǎo)軌磨床，我們將上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了如下的改進(jìn)：

（1）控制主軸電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)等級(jí)在S級(jí)以上，電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇采用鑄鋁件代替塑料件，電動(dòng)機(jī)到公司安裝帶輪后整體做動(dòng)平衡，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部軸承的質(zhì)量也進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間間隙是否均勻是我們要嚴(yán)格控制的另一個(gè)重要參數(shù)，這樣就能較容易地將電動(dòng)機(jī)和帶輪的不平衡量引起振動(dòng)的雙振幅值控制在4m內(nèi)。

（2）磨頭電動(dòng)機(jī)和滑板之間安裝了硬橡膠墊，橡膠墊不可過(guò)硬、過(guò)軟。磨頭電動(dòng)機(jī)帶輪與磨頭主軸之間的平行度達(dá)到0.03 mm，選用韌性好的聚氨酯皮帶，并縮短了皮帶的長(zhǎng)度。

（3）更改磨頭體殼和主軸，使磨頭主軸的徑向支撐剛度達(dá)到了662 N/m。

（4）目測(cè)砂輪卡盤與主軸錐度接觸率在85%左右，且靠近大端。

（5）砂輪配置了DITTEL在線動(dòng)平衡系統(tǒng)，在磨削過(guò)程中實(shí)時(shí)控制主軸砂輪系統(tǒng)的不平衡量。

（6）砂輪廠家到公司根據(jù)我們的磨削參數(shù)和要求提供合適的砂輪。

（7）將磨頭體殼與滑板直接鑄成一體，消除之二者間的接觸剛度問(wèn)題。

該機(jī)床在裝配完成后，通過(guò)磨削零件，肉眼觀察無(wú)振紋現(xiàn)象，效果較以前同類機(jī)床有顯著改善，上述結(jié)論將在今后公司生產(chǎn)的龍門磨床上推廣使用。

6.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，龍門導(dǎo)軌磨床磨削波紋產(chǎn)生因素較多，但只要圍繞產(chǎn)生磨削波紋的機(jī)理，查找引起磨削波紋的振源及使振源擴(kuò)散放大的問(wèn)題點(diǎn)，然后運(yùn)用科學(xué)合理的手段對(duì)振源加以抑制或者減弱它們的強(qiáng)度，或者斬?cái)嗨鼈兊膫鞑ヂ窂剑扇∫恍┪瘛⒏粽翊胧@樣龍門導(dǎo)軌磨床的磨削波紋的問(wèn)題就不難解決[注：基金項(xiàng)目及編號(hào)：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”項(xiàng)目（課題編號(hào)2011ZX04003-011）]。

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專家點(diǎn)評(píng)

本文比較系統(tǒng)地描述了龍門導(dǎo)軌磨磨削波紋產(chǎn)生的機(jī)理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)文章我們可以對(duì)企業(yè)所使用設(shè)備產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行比對(duì)，解決設(shè)備存在的磨削波紋問(wèn)題。同時(shí)對(duì)設(shè)備制造廠提出制造時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)，也給我們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)提出特別要注意磨頭主軸的動(dòng)平衡以及電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的問(wèn)題。