基于變速磨削的磨削顫振抑振措施研究

蘇和堂滁州職業技術學院

基于變速磨削的磨削顫振抑振措施研究

蘇和堂
滁州職業技術學院

摘要：磨削加工過程中產生振動將會降低工件加工質量，它不僅影響工件的正常磨削加工，振動情況嚴重的還可能造成工件加工表面的質量降低，同時還會使磨床及磨具的使用壽命降低，因此在磨削生產加工中對加工過程中對振動產生原因進行分析，通過生產實踐中不斷總結，在磨削過程中可以實行改變磨削速度及工藝條件適配法等措施來減少磨削中振動，這樣可以大大提高磨削質量。

關鍵詞：磨削加工；顫振；變速磨削

磨削加工是機械制造中重要的一種精加工方法，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分布的磨粒對工件表面進行滑擦、刻劃和切削三種作用。在磨削加工過程中將產生振動不僅影響磨削加工正常進行，還將嚴重降低工件加工表面的質量，降低機床和砂輪的使用壽命，同時加工過程會有振動產生，甚至會產生較大的噪聲，噪聲的產生會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象，一旦發生輕則工件報廢、刀具損壞；重則導致設備損壞，其發生過程分為平穩磨削階段，顫振蘊育階段和顫振爆發階段，它將影響產品加工質量和機床切削效率。通常為了減小振動都采用減小加工的進給量的措施，但這降低了生產效率，因此在磨削加工過程中要分析振動產生的原因，采用相應消振措施，以保證磨削的加工質量提高。

1、磨削加工過程中的顫振產生及特點

磨削加工過程在沒有受到外力的作用下，由于系統自身原因產生的激勵而引起的振動，這種振動產生在系統的內部，其振動是內部激發及反饋相互作用產生的，振動是穩定、周期的進行，因此稱為自激振動（顫振）。一般認為屬于再生自振，在磨削過程中磨削力變化較大，磨削時當工件和砂輪開始產生相對振動時，振動將會產生動態磨削力，將引起再生激振。對于磨削加工過程中顫振的主要特點有：

（1）顫振是由于系統振動過程中自身引起某種力周期性地變化，，這種力的變化給振動系統補充能量，這樣振動能夠維持和繼續進行，顫振相當于具有負阻尼的穩定的自由振動，它是一種由于自身產生能量不衰的振動。

（2）顫振頻率是有磨削系統自身參數所決定的，與磨削系統外界干擾沒有關系，它的頻率和振幅與磨削系統固有頻率基本相同。

（3）顫振的振幅大小及振動本身能否產生，主要決定于每一振動周期內系統所獲得的能量與所消耗的能量的相對狀況。

（4）顫振是在沒有外界周期性激振力的條件下產生的，它的產生和繼續都是由于磨削系統在磨削過程中自身產生的激振及反饋所引起的，因此如果要停止磨削加工，其內部激振力消失，顫振也隨之消失。

2、磨削加工中的顫振形成原因分析

機械加工中振動有三種類型，即自由振動、強迫振動和自激振動（顫振），其主要是強迫振動和顫振，一般強迫振動約占30%，顫振約占65%，自激振動所占比例很小。在磨削加工過程中強迫振動可以通過多次砂輪平衡和修整外形來消除砂輪不平衡和偏心，這樣可以消除強迫振動對磨削加工質量的影響。另外對磨削加工質量影響最大振動就是顫振中的再生型顫振。在切削過程中由于偶然的擾動（材料硬點、加工余量不均勻等）使工藝系統開始振動，工件表面出現振紋，當工件在下一工序磨削時在該處切下厚度不一的磨屑，這樣磨削過程中磨削力變化將發生周期性的，它的頻率等于磨削過程中振動形成的頻率，當磨削系統產生諧振時，發生變化的磨削力將激發又產生新的振動，這樣加工表面將產生再生顫振。[1]

（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，磨削加工過程根據加工工件材料及工藝要求進行選擇砂輪，由于選用軟砂輪時磨削加工過程中砂輪表面容易脫落，砂輪磨耗小，選用硬砂輪在磨削加工中砂輪外表面不易脫落，砂輪外表面會生成阻塞的條紋。這些現象在磨削加工過程中都會引起磨削顫振產生；同時在磨削過程中由于存在砂輪的動態不平衡；磨削過程中砂輪表面磨耗不能及時修整；磨削加工的條件不完善；磨床結構的動態特性，這些都可能會引起顫振的產生造成振幅的加大，在磨削外圓過程中工件外表面產生波紋，如果砂輪不修整繼續磨削，其外表面將形成不均勻磨耗，造成磨削振幅增大，加工表面質量降低，甚至會產生磨削噪聲。

（2）工件表面再生型顫振

在磨削加工一個工件時，在上道工序由于振動的幅值不同工件表面殘留的加工波紋在工件表面，在下一道工序中磨削時振動幅值將發生改變，這就叫“工件再生效應”。一般外圓磨削時工件產生再生效應可能性比較小，因此磨削系統產生的工件再生型振動可能性也就小了，一般工件再生顫振主要發生在磨削加工開始階段。

（3）扭轉振動對磨削顫振的影響

由于驅動軋輥時不能形成力偶矩；軋輥旋轉時轉動不平衡；輥肩與磨床托架托瓦表面接觸不太好及軋輥偏心轉動，這一些都會造成磨削系統產生顫振，隨著磨削顫振產生，磨削系統出現了一個變動的力，這樣使磨削系統產生扭轉振動時同時又產生一個變動力矩，在磨削過程中的這個力矩將隨著工件砂輪轉速的改變在不斷的變化。

3、磨削加工中顫振的抑制

影響磨削加工中顫振發生及延續的主要因素有：機床的剛度，磨具砂輪的特性，工件的材料及形狀，磨削用量的選擇等。在磨削加工過程中只有抑制磨削加工顫振的發生，才可以提高工件加工質量，使砂輪修整周期延長。其消振主要采取工藝條件適當配置，改變磨削過程中砂輪轉速、工件轉速及磨削進給速度等措施。

（1）改變磨削速度抑制磨削加工中顫振的產生 就是在磨削加工全過程或在磨削加工過程中某一工序中，我們有意識的改變加工工件與磨具砂輪的即時旋轉速度或進給速度，這樣來抑制磨削加工中顫振的產生。[2]

①改變磨具砂輪旋轉速度：在磨削加工過程中砂輪和機床構成一個磨削系統，該磨削系統的固定振動周期是不變的，磨削過程中發生顫振不同的頻率對應的顫振增長率也不一樣，所以改變磨具砂輪的旋轉速度使磨削顫振處于最大顫振增長率對應的頻率下振動，因此在改變磨削速度期間顫振增長率小于最大顫振增長率，這樣就可以抑制磨削顫振增長。

②改變進給速度：磨削加工過程中產生顫振的頻率一般都在其磨削系統所對應的固有頻率周圍。

③改變工件轉速：磨削加工過程中工件在前一工序磨削加工時產生波紋，后一工序砂輪將在原波紋的表面繼續磨削且在工件表面形成新的波紋。根據前后兩工序波紋的情況將對振動產生不同的作用，具體情況見下表一

表一

磨削加工過程中顫振頻率的變化使工件同一速度下，一會在顫振抑制區，一會又在顫振激發區。因此我們可以適當改變磨削速度，使磨削系統振動頻率在某一時間內避開磨削顫振激發區，使磨削加工系統處于顫振抑制區，這樣可以抑制顫振產生，提高磨削加工質量。

（2）根據磨削加工工件合理選配砂輪

在磨削過程中不管改變砂輪的轉速還是改變工件轉速或改變進給速度都需要增加一些調速裝置，同時改變磨削速度時主要的電流是通過磨床的電動機，這樣增加了電動機及機床電路負荷，因此磨削加工過程中可以根據磨削加工的工件的材料及形狀進行合理選擇磨削工具砂輪的特性及磨削用量，這樣可以使磨削工件正常工作的情況下又不產生顫振，同時磨削工件質量又能夠得到提高。砂輪硬度是對磨削過程穩定性影響的主要是特性，對磨削過程穩定性影響工件材質性能主要是工件的硬度和強度，實踐證明砂輪硬度和工件材質硬度越高，相應越容易發生顫振，因此磨削較硬工件時選擇較軟砂輪；磨削較軟工件時選擇較硬砂輪，這樣可以減少磨削加工的顫振。[3]

4、結論

通過對磨削過程產生振動原因的分析，磨削過程中主要有強迫振動和自激振動（顫振），磨削過程中砂輪不平衡及偏心是產生強迫振動的主要原因，因此在磨削過程中可以采取多次砂輪平衡及不斷修整砂輪外形交替的方法來消除振動。磨削加工主要體現在再生型顫振，其產生振動主要有砂輪表面再生型顫振、工件表面再生型顫振及扭轉振動對振動產生影響，因此磨削過程中可以采取改變磨削速度及根據磨削加工工件材料形狀合理選配砂輪特性等措施，這樣可以使磨削加工過程中的振動明顯減少，磨削加工的質量及勞動生產率都得到提高，同時磨削工具砂輪的使用壽命又可以延長。

參考文獻：

[1]王海珍，李玉平.機械加工中振動分析及控制措施[J].機械制造與研究,2008（12）:32

[2]黃志堅，高立新，廖一凡等編著.機械設備振動故障監測與診斷[M].北京：化工工業出版社 2010:315-316

[3]候靜強，李震杰，梁瑞容，李志勇.淺談磨削加工中的振動[J].中國科技信息,2008（22）:156