受迫振動與花鍵軸側(cè)面磨削加工

劉松林

（湖南省機械工業(yè)設計研究院,湖南長沙410009）

受迫振動與花鍵軸側(cè)面磨削加工

劉松林

（湖南省機械工業(yè)設計研究院,湖南長沙410009）

分析精密加工機床受迫振動及磨削花鍵軸側(cè)面加工中的受迫振動現(xiàn)象

受迫振動；花鍵軸側(cè)面磨削

受迫振動在精密機床加工中，往往是影響加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率的關鍵因素。

受迫振動的頻率與干擾力的頻率相同，或是它的倍數(shù)；受迫振動的幅值(Y)既與干擾力的幅值(P)有關，又與工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性 W(w)有關，Y=P·W(w)。

一、機械加工過程的受迫振源

受迫振動的振源有來自加工機床內(nèi)部的機內(nèi)振源，也有來自加工機床外部的機外振源。機外振源甚多，但它們都是通過地基傳給機床的，可以通過隔振地基隔除。如圖1所示

機床1用地腳螺釘安裝在地基塊2上，地基塊2通過隔振墊3支撐在地基4上，機外振源可被隔振墊隔離。

圖1 隔振地基

機內(nèi)振源主要有

1、機床高速旋轉(zhuǎn)件得不平衡引起的振動

例如電動機的轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪（尤其是輪轂和輪緣內(nèi)表面不加工時）、砂輪以及被加工毛坯等旋轉(zhuǎn)不平衡，由此因素引起的受迫振動的頻率，大致就是這些元件每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，即fr=n/60(Hz),n為不平衡元件的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。有關資料記載，中心高為200～300mm的車床主軸未經(jīng)平衡時，其不平衡度P=70～160g·cm；重量為120～150N的機床齒輪，其不平衡度P=8～70g·cm；直徑為240～320mm的卡盤，其不平衡度為250～500g·cm。長度與直徑之比為4的毛坯，當被裝夾在三爪卡盤中加工時，其不平衡度可用下述關系式近似表示：鑄鋼件P≈9d?,鑄鋼件 P≈7d?；模鍛件 P≈0.45d；棒料 P≈0.1d；d為毛坯直徑（cm），p的單位是 g·cm。

表1 1級砂輪的不平衡度

砂輪的不平衡度取決于材料的不均勻性、幾何形狀誤差等等。砂輪的原始不平衡度可達200（小砂輪）到6000（大砂輪）g·cm，經(jīng)過靜平衡后，砂輪的不平衡度可大大減少。例如，對于1級砂輪（按不平衡度評定），其不平衡度如表1所示，2級砂輪的最大不平衡度為1級砂輪的1.5～2倍；3級砂輪則為1級砂輪的2.5～3倍。應特別注意，砂輪在磨削過程中由于磨損不均勻，其幾何形狀的變化亦將影響砂輪的不平衡度。

在磨床上除了砂輪和電動機轉(zhuǎn)子不平衡會引起振動外，還有由于電動機定子與轉(zhuǎn)子間空氣間隙不均勻以及定子繞組不對稱形成電磁力波動等原因引起的振動，其振動頻率為動力電源頻率的一倍（100Hz）。此外，由于轉(zhuǎn)子繞組不對稱也會引起振動，其頻率為：f=2fr=2·n/60=n/30(Hz)，n為電動機轉(zhuǎn)速(r/min)。當用回轉(zhuǎn)刀具工作時，例如在坐標鏜床或金剛鏜床上，刀具系統(tǒng)主軸部件的不平衡度，常常是重要的振源。金剛鏜床主軸部件在裝配時經(jīng)過動平衡，其不平衡度雖然只有3～5g·cm，但當主軸轉(zhuǎn)速n=3000r/min時，就將明顯地影響加工質(zhì)量。

2.機床傳動機構(gòu)的缺陷所引起的振動

制造不精確或安裝不良的齒輪，會產(chǎn)生周期性的波動力，傳到機床部件上，有可能成為受迫振動的振源。

皮帶傳動中平皮帶的接頭、三角皮帶的厚度不均勻、軸承滾動體不均勻、液壓傳動中由于油泵工作所造成的油路中油壓的脈動都會引起受迫振動。

淬硬的機床齒輪，在傳動中因周節(jié)誤差引起的最大動載荷約為最大靜載荷的1.3～1.5倍。

鏈傳動中由于鏈條運動的不均勻性所產(chǎn)生的動載荷，約為靜載荷的1.7～2倍。由于鏈傳動的質(zhì)量小于齒輪，受迫振動的幅值常小于齒輪傳動。

3.切削過程中的沖擊引起的振動

在銑削、拉削加工中，刀齒在切入工件或從工件中切出時，都會有很大的沖擊發(fā)生。此外，加工斷續(xù)表面也會發(fā)生由于周期沖擊而引起的受迫振動。

4.往復運動部件的慣性力引起的振動

具有往復運動部件的機床中，最劇烈的振源往往就是部件改變運動方向時所產(chǎn)生的慣性沖擊。

二、查找受迫振動振源的方法

如果確認機械加工過程中發(fā)生的振動屬于受迫振動，就要設法查找振源，以便采取措施，去除振源或是減少它的影響，從而達到減小振動的目的。

機械振動的原理告訴我們，受迫振動的頻率總是與干擾力的頻率相等或是它的整數(shù)倍。我們可以根據(jù)受迫振動的這個規(guī)律查找振源。首先可通過對加工現(xiàn)場中所拾取的振動信號（圖2-a）作頻譜分析（圖2-b），確定受迫振動的頻率成分，如圖2-b所列f1、f2、f3、f4等，然后對機床加工所有可能的受迫振源頻率進行估算，列表備查，凡是與通過頻譜分析確定的受迫振動頻率成分相近的可能振源都要反復查找，必要時尚須進一步通過試驗核準。做空運轉(zhuǎn)振動試驗時，首先使機床處于空運行狀態(tài)，但并不進行切削，然后分別啟動機床運動件，同時測量機床各有關部件的振動。

圖2 (a)振動信號的時間歷程 (b)振動信號的頻譜圖

三、花鍵軸側(cè)面磨削加工的受迫振動分析

實際加工現(xiàn)場，我們有時會發(fā)現(xiàn)在磨花鍵軸側(cè)面時產(chǎn)生振動，有明顯振痕，如圖3所示?；ㄦI加工分粗、精兩道工序，粗加工在臥式銑床上用成型銑刀銑出鍵槽；精加工在花鍵磨床上磨削側(cè)面?；ㄦI磨床（圖4）的工作臺往復運動由液壓傳動；在橫梁上安裝著砂輪主軸和帶動砂輪主軸旋轉(zhuǎn)的電動機；工件安裝在自動分度頭4和尾架頂尖上，工作臺往復一次，工件自動分度一個齒。

通過對在加工現(xiàn)場拾取的振動信號進行頻譜分析，假如已知花鍵磨加工中有頻率f=41Hz的受迫振動成分，要求查出振源。首先根據(jù)實際加工情況分析機床加工中有可能產(chǎn)生的受迫振動的振源。這些振源是：1、砂輪不平衡；2、電機不平衡；3、銑削時殘留振痕的影響。

查找真正產(chǎn)生頻率f=41Hz受迫振動成分的振源。工件在銑削后，鍵槽側(cè)面確有明顯振痕，這有可能引起磨花鍵側(cè)面時磨削力的波動，從而激起受迫振動。如果這真是引起受迫振動的振源，那么磨削振動的頻率應和銑削時相同，表面上應有相同數(shù)目的振痕數(shù)；觀測到與事實不符（實際觀測中，花鍵側(cè)面上銑削痕數(shù)為174個，而磨削振痕數(shù)只有81個），說明銑削時的殘留振痕不是磨花鍵工序產(chǎn)生受迫振動的振源。

砂輪不平衡引起的受迫振動，其頻率應等于砂輪每秒轉(zhuǎn)數(shù)，磨床砂輪轉(zhuǎn)速為62r/s，與受迫振動頻率f=41Hz不符，這說明砂輪不平衡也不是振源。

砂輪架電動機不平衡引起的受迫振動，其頻率應為電動機每秒轉(zhuǎn)數(shù)，電動機額定轉(zhuǎn)速為2880r/min(48r/s)，在有負載條件下工作，電動機的轉(zhuǎn)速將略有降低，再考慮到譜分析頻率分辨率的影響，可以認為砂輪電動機的不平衡是引起磨花鍵側(cè)面工序受迫振動的振源。實踐表明，在設法消除或減少此干擾力后，花鍵側(cè)面的明顯振痕消失。

四、結(jié)語

機械加工過程中的受迫振動是影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一，危害性大，振動形成機理隱蔽，振源不易查找。認真研究機械加工過程中的受迫振動，弄清其產(chǎn)生的原因，掌握其發(fā)生發(fā)展的規(guī)律對提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)率具有十分重要的意義。

[1]機械加工顫振的分析與對策[M]上海科學技術出版社.

[2]機床的振動及其防治[M]科學出版社.

[3]精密加工工藝學[M]哈爾濱工業(yè)大學出版.

Forced Vibration With the Spline Side Grinding

LIU Song-lin
(Hunan Machinery Industry Design And Research Institute,Changsha 410009,Hunan)

Theforced vibration of precision machinetoolsand grindingsplineshaft sideprocessingof theforced vibration areanalyzed

forced vibration;splinesidegrinding

TG58

A

1671-5004（2011） 04-0021-02

2011-6-22

劉松林（1964-），男，湖南省機械工業(yè)設計研究院工程師，研究方向：機械設計。