基于精密磨削的振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

柯曉龍，黃海濱，劉建春

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024)

精密磨削是系統(tǒng)工程。磨床要實(shí)現(xiàn)精密加工與一系列要素相關(guān)。影響磨床加工精度的因素，即磨床的加工誤差源主要包括:磨床整機(jī)性能(如磨床剛度、各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)定位精度、主軸回轉(zhuǎn)精度、數(shù)控系統(tǒng)性能)，磨削加工條件(如砂輪精度、磨削工藝及工件特性)以及磨削環(huán)境(如振動(dòng)、溫度、濕度、壓力)等［1－2］。

磨削加工過程中的振動(dòng)容易使砂輪在加工過程中產(chǎn)生工件表面的振動(dòng)波紋和形狀誤差，從而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降，并加劇砂輪的磨損［3－4］。即使是細(xì)微的振動(dòng)，對精密磨削加工的表面質(zhì)量的影響也是非常大的［5－6］。因此，在磨削過程中應(yīng)盡量避免振動(dòng)的產(chǎn)生，并對加工環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測，以便發(fā)現(xiàn)振源，進(jìn)而消除或降低振動(dòng)的干擾。

本文出于對磨削加工過程進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測的考慮，尋找磨削過程的振動(dòng)根源，分析其振動(dòng)特性和影響機(jī)理，并提出相應(yīng)可行的減振措施，以提高和改善磨削表面質(zhì)量。

1 磨削振動(dòng)來源

要進(jìn)行磨削振動(dòng)監(jiān)測，首先判斷振動(dòng)的來源。以下以自主開發(fā)的MGK7160平面磨床為例來進(jìn)行磨削振源分析。

圖1、2分別為MGK7160磨床的主機(jī)和外圍輔件實(shí)物。該磨床主要用于大尺寸光學(xué)非球面元件的精密磨削加工，整機(jī)采用立柱移動(dòng)式臥軸矩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，床身工作臺(tái)與立柱的連接為T字形布局，X軸采用液態(tài)靜壓導(dǎo)軌技術(shù)。磨床外圍采用“液壓油/冷卻水恒溫系統(tǒng)”的溫度控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對磨削加工環(huán)境的恒溫控制。其中，液壓油恒溫系統(tǒng)利用油冷卻機(jī)對液壓油實(shí)行循環(huán)冷卻，避免靜壓導(dǎo)軌的液壓油因高壓高速摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱;冷卻水恒溫系統(tǒng)通過水冷卻機(jī)對磨削液進(jìn)行恒溫冷卻。

圖1 MGK7160磨床實(shí)物

總的來說，磨削加工的振源包括內(nèi)部振源和外部振源。其中，內(nèi)部振源是由加工系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)干擾源，主要包括:① 主軸、砂輪等回轉(zhuǎn)零部件旋轉(zhuǎn)工作引起的振動(dòng)，如主軸制造和安裝誤差引起的偏心及跳動(dòng)，砂輪制造、安裝誤差以及磨損引入的不平衡振動(dòng);②機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng)，如電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)軸和主軸安裝偏心，聯(lián)軸器質(zhì)量偏心等。而外部振源則通常是指機(jī)床外部引入的振動(dòng)干擾源。其主要由2部分組成:①外部設(shè)備工作產(chǎn)生的振動(dòng)，如液壓站、油冷卻機(jī)、水冷卻機(jī)等外圍輔件的振動(dòng)傳遞給磨床主機(jī);②周圍環(huán)境的振動(dòng)干擾。

圖2 MGK7160磨床外圍輔件

綜合分析內(nèi)外部振源的實(shí)際情況，對MGK7160磨床影響較大的振源主要是砂輪主軸的偏心振動(dòng)、主軸電機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)和液壓站的液壓泵工作引入的振動(dòng)等。當(dāng)磨削加工環(huán)境存在振動(dòng)干擾時(shí)，振動(dòng)波紋就會(huì)被映射到加工件上，從而對加工質(zhì)量造成影響(圖3)。

圖3 磨削加工的振動(dòng)示意圖

2 振動(dòng)監(jiān)測裝置的搭建

為了進(jìn)行磨削加工的振動(dòng)監(jiān)測，同時(shí)考慮到測量的便攜性和靈活性，本文采用“數(shù)據(jù)采集儀+加速度傳感器”的測量方式，利用PC機(jī)、USB數(shù)據(jù)采集儀、電荷放大器、加速度傳感器等搭建了振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。其工作原理圖如圖4所示，振動(dòng)加速度傳感器放置在需要測量的位置上，采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過電荷放大器放大之后由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行初步處理，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而完成振動(dòng)特性分析與評價(jià)。

圖4 磨床的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

圖5為利用該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在MGK7160磨床上進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)物。數(shù)據(jù)采集儀選用成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司開發(fā)的IDTS4516數(shù)據(jù)采集儀。該采集儀集成16通道并行同步采集，并采用USB接口的數(shù)據(jù)通訊方式，可以滿足振動(dòng)監(jiān)測需要。

由于精密磨床在加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)一般比較微弱，而且所受外界干擾振源的頻率通常較低，因此要選擇低頻、高靈敏度的傳感器。本系統(tǒng)選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司開發(fā)的CA-YD-109A壓電加速度傳感器，并選用YE5853A電荷放大器作為壓電加速度傳感器的前置放大器。

圖5 磨床的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物

3 振動(dòng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)前面對振源的分析，MGK7160磨床的振動(dòng)來源相對較復(fù)雜，既有內(nèi)部振源(如主軸回轉(zhuǎn)偏心、各進(jìn)給軸電機(jī)振動(dòng)等)，也包含外部振動(dòng)干擾(如液壓站振動(dòng)、油冷卻機(jī)振動(dòng)、恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)等)。為了便于研究各個(gè)振動(dòng)因素對磨床加工造成的影響，以下選取幾個(gè)有代表性的振源做進(jìn)一步的分析。

3.1 砂輪主軸振動(dòng)

砂輪主軸的振動(dòng)是磨削加工最大的誤差源之一。主軸的質(zhì)量偏心、主軸與聯(lián)軸器的同軸度誤差、砂輪的安裝與磨損造成的偏心等都是引起砂輪主軸振動(dòng)的關(guān)鍵因素［7］。砂輪主軸振動(dòng)通?？梢杂檬?1)的微分方程來表示。

其中:c為砂輪主軸與支持系統(tǒng)之間的阻尼;k為砂輪主軸支撐剛度;m為砂輪主軸質(zhì)量;F為砂輪不平衡造成的離心力;x為砂輪主軸位移;ω為砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由式(1)可得方程的特解:

由式(2)可知:砂輪主軸振動(dòng)的頻率與砂輪旋轉(zhuǎn)頻率相同，而振幅大小則與離心力F、阻尼c、質(zhì)量m、砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω等都有關(guān)。

為了反映砂輪主軸的綜合振動(dòng)影響，測量了砂輪外罩的振動(dòng)并加以分析，得出圖6所示的振動(dòng)結(jié)果。從圖6(b)的幅值譜可知:振動(dòng)信號(hào)中含有頻率約為201.77 Hz和220.22 Hz的振動(dòng)形式?？紤]到實(shí)際的磨削環(huán)境沒有這么高的振動(dòng)頻率，因此有可能是實(shí)際振動(dòng)頻率被系統(tǒng)的固有頻率載波到高頻處。對原始信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析，如圖6(c)所示，最高譜峰約等于18.3 Hz。該頻率與磨床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率18.33 Hz(1100 r/min)很接近，因此判斷該振動(dòng)是由砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的。

3.2 主軸電機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)

將砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)停止，單獨(dú)將主軸電機(jī)風(fēng)扇打開，并關(guān)閉其他振動(dòng)干擾源，以測量主軸電機(jī)風(fēng)扇的振動(dòng)干擾。圖7所示為主軸電機(jī)風(fēng)扇的振動(dòng)情況。由圖中的幅值譜可以看出:振動(dòng)能量主要表現(xiàn)為80～160 Hz頻段內(nèi)的噪聲信號(hào)，且振動(dòng)幅值很小。因此判斷主軸電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)對加工表面光潔度有一定的干擾，但對磨削振紋的影響不大。

圖6 砂輪主軸振動(dòng)分析

圖7 軸電機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)分析

3.3 液壓站振動(dòng)

將液壓站打開，讓液壓泵電機(jī)處于工作狀態(tài)，并關(guān)閉砂輪主軸和其它振動(dòng)干擾源，測量液壓站振動(dòng)情況下的主軸振動(dòng)。由圖8所示的振動(dòng)監(jiān)測可知:由于隔振地基的存在，作為輔助設(shè)備的液壓站對加工的影響就減弱到很小的數(shù)量級(jí)，且其噪聲表現(xiàn)為寬頻噪聲，因此可以忽略不計(jì)。

圖8 液壓站振動(dòng)分析

綜合以上情況分析，可以判斷:

1)磨床的振動(dòng)干擾主要集中在砂輪主軸部分。為了保證砂輪主軸在加工狀態(tài)下的不平衡量最小，需要提高主軸、砂輪的制造精度及裝配精度，降低回轉(zhuǎn)偏心引起的振動(dòng)。砂輪安裝前的靜平衡調(diào)整、砂輪磨損時(shí)的精密修整、砂輪工作時(shí)的砂輪動(dòng)平衡實(shí)時(shí)測量與校正也都是控制砂輪振動(dòng)的有效途徑。

2)主軸電機(jī)風(fēng)扇、液壓站振動(dòng)等對磨削加工雖然有一定的干擾，但影響相對較小。采用具有油冷系統(tǒng)的主軸電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸風(fēng)扇電機(jī)，可進(jìn)一步抑制主軸電機(jī)振動(dòng)。在外部振源的控制上，則可以通過遠(yuǎn)離來消除振動(dòng)源，采用隔振地基或隔振元器件來減弱外部振動(dòng)(如液壓站振動(dòng)、恒溫冷卻系統(tǒng)振動(dòng)等)傳入磨床加工系統(tǒng)。圖9為MGK7160磨床采用的隔振地基設(shè)計(jì)。

圖9 MGK7160磨床的隔振地基

4 結(jié)束語

對加工環(huán)境的振動(dòng)監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)和預(yù)防內(nèi)外部振源對磨削加工的影響，從而控制并提高加工精度。本文通過采用“數(shù)據(jù)采集儀+加速度傳感器”的振動(dòng)測量手段，搭建了精密磨削的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，并對MGK7160磨床關(guān)鍵振動(dòng)源的振動(dòng)特性及其影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。從振動(dòng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)磨床加工環(huán)境的振動(dòng)監(jiān)控，以便進(jìn)一步消除其振動(dòng)干擾，從而為精密磨削創(chuàng)造有利的加工環(huán)境。

［1］Hassui A，Diniz A E.Correlating surface roughness and vibration on plunge cylindrical grinding of steel［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture.2003，43(8):855 －862.

［2］畢果，郭隱彪，楊峰.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的精密光學(xué)表面中頻誤差識(shí)別方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2013，49(1):164－170.

［3］Trmal G J，Holesovsky F.Wave-shift and its effect on surface quality in super-abrasive grinding［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2001，41(7):979－989.

［4］柯曉龍，郭隱彪，張世漢，等.高精度光學(xué)元件磨床的加工與檢測系統(tǒng)的開發(fā)［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，50(3):559 －562.

［5］張翊，郭隱彪，莊司克雄.微小振動(dòng)影響超精密非球面加工精度的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2003(3):17－20.

［6］吳琦，閔睿，胡德金，等.超硬陶瓷涂層精密磨削振動(dòng)的試驗(yàn)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6):2501－2503.

［7］黃沿江.精密數(shù)控磨床振動(dòng)測試與減振技術(shù)研究［D］.廈門:廈門大學(xué)，2008.