精密磨削中振紋抑制方法的研究

鄭曙光 尹德臻

(威海華東數控股份有限公司，威海 264200)

隨著科技的不斷發展，人們對各類零件的精度要求越來越高，而磨削作為產品加工的最后一道工序，是產品精度的最終體現。所以，人們對磨削的關注也不斷提高，我們不但希望得到理想的尺寸，同時對磨削后零件表面是否有振紋也提出了更高要求。本文對磨削振紋的產生機理及如何抑制振紋出現做一些分析探討。

1 磨削中的振動

機械加工就是刀具和工件在加工時相互作用、相對運動和相互影響的復雜過程。從被加工零件的形成過程來看，如果機床切削時，刀具與工件之間存在振動，致使刀具與工件之間產生相對位移，改變了它們之間的正確關系，就會在加工表面留下波紋。磨削過程和一般機械加工一樣，存在以下幾種改變砂輪和工件之間相對位置的振動：強迫振動、自激振動和混合顫振，自激振動也就是我們平時說的顫振，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的示意圖。

圖1 外圓磨床中各振動的示意圖

強迫振動主要來自于砂輪主軸的不平衡，附近設備的振動通過地面傳播到機床上、機床自身的液壓脈動，等等。一般來說，其振動頻率和激振源頻率相等，和磨削量大小無關，強迫振動一直存在，且比較穩定，在空運轉設備時就能測得該振動。工件表面自激顫振在加工開始就會出現，并且振動幅值很大，即使使用的是剛剛修整的砂輪，也會出現。砂輪表面自激顫振振動幅值隨著時間的延長緩慢增長。這兩種自激振動的振幅和磨削用量相關，振幅隨磨削時間加長而增長。而混合顫振的為振動頻率和強迫振動頻率一致，但振動幅度會隨磨削量的增加而增大。圖2是這幾種振動的特點示意圖。

2 影響振動的因素

通過對機床激振源的分析研究，我們認為影響機床振動發生的主要因素有以下三點：工件的轉速、砂輪的彈性變形、砂輪與工件表面的幾何干涉。

圖2 振動的特點示意圖

2.1 工件轉速

工件轉速對振動的發生起著非常重要的作用，尤其是在大工件旋轉磨削過程中，工件不平衡量會激起設備的顫振，必然使砂輪和工件之間的正確位置關系發生改變，導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，振動會隨之發生。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才會出現。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律

即使是外圓床磨削加工時，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，當他們接觸時就會疊加出新的振動，我們定義該振動的振幅ycr，則有：

式中，Vw為工件的轉速；ω為機床固有頻率；dw為工件直徑；ds為砂輪直徑，分子中的加號用于外圓磨削，減號用于內圓磨削，平面磨削時，dw看作無限大。我們將ycr與機床在固有頻率下的振幅y做對比，通過反復試驗可得出如下結論：

如果ycr＞y，砂輪表面再生效應發展很慢；此時，工件再生型效應完全影響著磨削穩定性，機床的顫動基本上是工件的再生型顫振引起的。

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

通過對振動因素的分析，可以發現，當機床的磨削剛度增加，磨削系統會變得不穩定，容易引起磨削振紋。當機床磨削阻尼增加，磨削系統變得趨于穩定。

3 抑制振紋的措施

3.1 通過調整砂輪與工件轉速比來抑制振紋產生

我們在一臺M1432外圓磨床上做試驗，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，在各磨削參數相同的情況下，使用不同的砂輪轉速，進行磨削加工，然后將工件帶到實驗室經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

隨著科技的進步，現在砂輪在線動平衡系統已經廣泛應有，這種系統能顯示機床的固有頻率、振幅等相關參數，還能顯示砂輪主軸系統的不平衡值，并可按照預先設定的數值對砂輪主軸系統進行在線平衡，確保砂輪主軸系統的不平衡量控制在一個極低范圍內。由于砂輪需要經常修整，加之砂輪在鑄造時受氣孔結合劑等參數的影響，砂輪修整后往往會出現質心偏移，導致主軸振動加劇，因此，配置砂輪動平衡系統對控制砂輪表面再生型振動是很有必要的。

對于機床的自激振動，首先是在機床的設計階段，在經濟前提下盡可能增加系統的動剛性，并可運用三維軟件進行仿真模擬，對機床進行動態特性分析，分析機床在動態切削力和其他外力干擾下的抗振性能，找出容易被激發的模態和對結構動態性能影響較大的頻率、振型和振幅，從而提高機床低階固有頻率、提高切削穩定性、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M1432外圓磨床上進行磨削試驗，在砂輪主軸前端安裝振動傳感器，運用sBs動平衡系統的柔量（單位載荷下的伸長或變形）分析功能，對主軸的柔量在增加阻尼和無阻尼狀態下進行對比，結果如圖5所示。通過對比，可明顯看出在增加砂輪主軸阻尼后，主軸系統的柔量值明細降低。這也就意味著在增加阻尼后，主軸的振動降低了。所以對已有機床改造時，增加阻尼對抑制磨削振紋是個不錯的選擇。

圖5 主軸柔量在增加阻尼和無阻尼狀態下的對比結果

3.4 其他方法

通過不斷研究，現在我們對磨床的各個振動、振源有了更全面的認識，這有利于抑制振動發生。試驗發現減少工件和砂輪的接觸剛度，也能降低機床振動，可以在砂輪上均布一些孔槽來實現。干擾砂輪與工件間相位也是一種很實用的方法。

在設計機床時，要采取“上輕下重、動輕靜重”的原則，采用吸振性好的床身、底座。建立模型，提高機床剛度、增大阻尼、改進約束、降低重心并盡可能實現重心驅動。

這些都是降低機床振動很實用、很有效的措施。

4 結語

工件表面有磨削后的波紋，也就意味著機床有振動，這些振動無非來自機床內部振源或外部振源，只要我們運用科學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量。