基于變速磨削的磨削顫振抑振措施

劉明玉

摘要：磨削過程中主要有強迫振動和顫振，強迫振動主要原因是砂輪不平衡和偏心，因此可以通過多次平衡和整形交替方法來消除振動。 磨削加工主要體現在顫振，文章總結了顫振產生的特點，分析了顫振產生的原因，提出了克服顫振的幾點措施，這些措施可以明顯減少磨削中振動，提高了磨削加工質量及加工勞動生產率，同時延長了砂輪的使用壽命

關鍵詞：磨削加工；顫振；變速磨削

中圖分類號：TG580.6 文獻標識碼：A

磨削加工是機械制造中重要的一種加工方法，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而產生較大的噪聲，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生產率。

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周期外力的作用下，有系統內部激發及反饋的相互作用而產生穩定的周期振動成為自激振動，簡稱“顫振”。一般認為屬于再生自振，通常磨削時由于磨削力帶有隨機性，因此它總會有該薄弱環節的固有頻率成分，當工件和砂輪開始產生相對振動時，該振動產生動態磨削力，引起二次激振，稱為再生激振。對于系統薄弱環節來說這顯然是一種激振力，頻率基本接近于系統薄弱環節固有頻率的強迫振動，故在一定條件下振幅將會擴大且波紋與原波紋的相位差接近于π/2.。顫振的特點主要有：

1.1顫振是一種不衰振動，振動過程本身能引起某種力周期性地變化，振動系統通過這種力的變化獲得補充能量，這樣振動能夠維持和繼續，顫振相當于具有負阻尼的穩定的自由振動。

1.2顫振頻率等于或接近于系統固有頻率，其頻率和振幅都與外界干擾無關，而是系統本身參數決定的。

1.3顫振的振幅大小，以及振動本身能否產生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對比情況。若所獲得的能量大于所消耗的能量，則振幅將不斷增大；反之將不斷減小，直到獲得的能量等于消耗的能量時，則系統處于穩定狀態。當振幅在任何數值時獲得的能量都小于消耗的能量時，則顫振就不可能產生。

1.4顫振是在沒有外界周期性激振力的條件下產生的，其形成和持續是基于過程本身產生的激振和反饋作用，所以若停止切削，其內部激振力消失，顫振也隨之消失。因此，可以認為顫振相當于有系統內部激振力而引起的強迫振動。

2 磨削加工中顫振形成原因分析

磨削加工過程中影響工件加工質量的主要有兩種形式的振動，一是強迫振動另一是顫振，強迫振動主要是由于砂輪不平衡和偏心造成的，因此磨削加工過程中消除砂輪不平衡和偏心，通過多次平衡和整形可以避免振動影響。另一種振動是顫振，機械加工按顫振形成機理分再生型、振型耦合型和摩擦型三種形式，對磨削加工而言主要表現為再生型顫振。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，當工件在下一轉或下一次切削時在該處切下厚度不一的切屑，使切削力產生周期性的變化，其頻率等于此前形成的振動頻率，當發生諧振時變化的切削力將激發新的振動，因而形成波形表面產生再生顫振。

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為軟砂輪和硬砂輪，容易脫落的稱為軟砂輪，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，如果選用軟砂輪在加工過程中砂輪在外圓上會出現多角形磨耗，若用硬砂輪進行磨削加工會出現砂輪外圓上生成大體上等間隔的阻塞條紋。這兩種現象發展下去都會導致顫振，由于砂輪的動態不平衡及砂輪磨耗與修整條件，磨削的條件及機床結構的動態特性都給顫振的發生及振幅的加大造成影響，磨削外圓時會在工件表面形成密集的直線型條紋，若砂輪繼續使用表面逐漸形成間隔相當的不均勻磨耗，同時振幅增大，加工表面惡化，將發生顫振噪聲。

2.2工件表面再生型顫振

工件在磨削前上道工序表面殘留的加工波紋及在磨削加工中振動的幅值不同程度殘留在工件表面，在表面上前一轉所復映的起伏波紋，在下一次磨削中幅值地改變，這種變化稱為工件再生效應。在一般磨削條件下外圓磨削時工件再生效應較小，由此效應產生的工件再生型振動也很少發生，工件再生顫振一般發生在磨削開始階段。

2.3扭轉振動對磨削顫振的影響

軋輥驅動裝置驅動時沒有形成力偶矩，單點撥動軋輥旋轉造成軋輥轉動不平衡，軋輥輥肩沒有與磨床托架托瓦表面接觸好，軋輥偏心轉動這些都會形成顫振，顫振出現時存在一個變動的力，它使工件或砂輪的扭轉振動存在形成一個變動力矩，磨削中的磨削力矩隨著工件砂輪速度變化而變化。

3 顫振的抑振措施

磨削過程中影響顫振產生和發展的因素主要有：磨床系統的剛度，砂輪及其特性，工件的結構及材質，磨削工藝參數等。抑制和延緩磨削顫振的發展可以提高工件磨削表面質量，延長砂輪的修整周期。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。

3.1變速磨削抑制磨削顫振 變速磨削就是在磨削整個過程或某段時間內，人為地改變工件與砂輪的瞬時轉速比或進給速度。

3.1.1變砂輪轉速：磨床和砂輪組成系統的固有振動周期是一定的，不同的顫振頻率對應的顫振增長率大小不同，由于在磨削過程中再生顫振的閉環反饋作用，所以變速磨削就是通過改變砂輪轉速不讓磨削顫振始終處于最大顫振增長率對應的頻率下振動，這樣保證變速磨削期間顫振增長率小于最大顫振增長率，以此抑制或延緩顫振增長。

3.1.2變進給速度：磨削過程中發生顫振的頻率在敏感模態所對應的固有頻率附近。進給速度不同發生顫振臨界頻率也不同，通過不斷改變進給速度，同時使變化時間間隔小于顫振形成時間，這樣可以抑制顫振。

3.1.3變工件轉速：在磨削工件過程中前一轉切削時產生波紋，后一轉時砂輪將在有波紋的表面進行切削并且工件表面形成新的波紋。根據前后兩次波紋的情況將對振動產生不同的作用，具體情況見下表1

在正常磨削過程中顫振頻率是在不斷變化的，而顫振波形中會含有多個頻率分量，所以實際磨削過程中顫振激發區和抑制區不是一成不變的。顫振頻率的變化使得在同一工件速度下，一會在顫振抑制區，過了片刻又在顫振激發區。多種頻率分量使得不同頻率分量的顫振激發區和抑制區之間交叉存在。因此變速磨削的幅度、頻率適當使磨削系統在某一時間內避開顫振激發區，這樣比恒速磨削效果好。

3.2采取工藝條件適配法

由于變速磨削一方面要附加一些調速裝置另一方面變速磨削時有很大的電流通過驅動電動機，這樣對電路、功率放大器、電動機的熱載能力都有較高要求，因此我們加強對工藝條件的適配。磨削加工要根據工件的結構和材質合理確定所用砂輪的特性及磨削參數，這樣保證在一定生產率的情況下防止磨削顫振產生，同時提高磨削表面質量。砂輪特性對磨削過程穩定性影響的主要是砂輪硬度，工件材質性能對磨削過程穩定性影響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。

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