消除平面磨床磨削波紋的方法與措施

王丹　董應明　羅慶豐　王瓊

摘要：根據(jù)平面磨床的結(jié)構(gòu)和加工特點，分析磨削波紋的特征。用試驗的方法對砂輪——工件系統(tǒng)進行測量和分析，尋找產(chǎn)生磨削波紋的主要原因并提出解決方案。

關(guān)鍵詞：磨削波紋；主軸回轉(zhuǎn)誤差；振動位移；直線度

1.概述

作為機械加工方法之一的磨削加工，能提高零件的尺寸精度以及得到較小的表面粗糙度。但在磨削過程中常常會在工件表面留下磨削波紋，這些波紋的出現(xiàn)，往往是切削顫振作用的結(jié)果——在砂輪和工件間產(chǎn)生振動位移所致。

磨削表面波紋度的定義：磨削加工過程中主要由于機床—工件—砂輪系統(tǒng)的振動而在零件表面上形成的具有一定周期性的高低起伏[1]。

本文針對某磨床企業(yè)生產(chǎn)的平面磨床磨削試件后，在試件表面留下黑白相間的條狀波紋。對此，在機床空運轉(zhuǎn)及加工狀態(tài)下，以磨削系統(tǒng)（磨床—砂輪—工件系統(tǒng)）為對象，對整個系統(tǒng)進行試驗分析。

2.波紋的特征

該波紋均為黑白相間的條狀暗波紋，與工作臺的運動方向垂直，并貫穿整個切削試件的表面，分布均勻。逆光觀看，波紋尤為明顯。改變主軸轉(zhuǎn)速或工作臺進給速度，波紋間距也隨之改變。圖1為該磨床磨削試件后在其表面產(chǎn)生的波紋。

3.原因分析（試驗）

波紋產(chǎn)生的原因多而復雜，例如砂輪不平衡、砂輪修整不正確、工作臺進給不穩(wěn)地（時走時?；蛩俣葧r快時慢）、主軸振動過大、主軸回轉(zhuǎn)誤差過大、主軸剛度不足等，但最終反映在砂輪與工件之間的相對振動上。

針對上述均可能造成試件表面波紋的因素，通過磨削系統(tǒng)（磨床—砂輪—工件系統(tǒng)）的各個環(huán)節(jié)進行試驗分析，從而找出產(chǎn)生波紋的原因。

3.1 動平衡

在試驗前，對磨頭——砂輪系統(tǒng)進行多次動平衡，平衡內(nèi)容包括磨頭電動機、帶輪、主軸及所有回轉(zhuǎn)件，并校正。平衡后剩余不平衡量所引起的振動位移峰峰值為0.0012mm。該值小于相關(guān)標準的要求值0.004mm。在每次磨削前，均由磨削加工經(jīng)驗豐富的師傅修整砂輪。因此，砂輪的不平衡和修整問題在本文中不是主要問題，不做進一步的分析。

3.2 工作臺進給穩(wěn)定測試

該磨床床身導軌為雙V型導軌，采用傳統(tǒng)的液壓缸驅(qū)動，在液壓缸兩端有緩沖裝置，換向過程平穩(wěn)。用Renishaw激光干涉儀測量工作臺空運轉(zhuǎn)及磨削工件的運動特性。測量結(jié)果圖2及圖3所示：

圖2 為工作臺空運轉(zhuǎn)時的位移—時間圖，圖3為磨削工件（切削寬度80mm、切削深度0.05mm）時工作臺的位移—時間圖

從圖2和圖3可以看出，工作臺移動位移與時間成線性關(guān)系，無爬行產(chǎn)生，這表明工作臺在空運轉(zhuǎn)及工作狀況下運行平穩(wěn)。因此可以排除工作臺驅(qū)動系統(tǒng)導致砂輪和工件之間產(chǎn)生相對振動的因素。

3.3 主軸回轉(zhuǎn)誤差測量[2]

該磨頭主軸軸承使用的是高精度的滾動軸承。主軸靜止時，用手轉(zhuǎn)動主軸，測量主軸前端的徑向跳動和軸向竄動，實測值分別為0.003mm和0.004mm。

為了驗證磨頭及砂輪系統(tǒng)是否是產(chǎn)生磨削波紋的原因，測量了不同工況下主軸的回轉(zhuǎn)誤差。

測量設(shè)備和方法簡介：

在圖4中，測量芯棒通過專用夾具安裝在磨床主軸上，調(diào)整高精度測量球，使其徑向跳動小于0.005mm。S1、S2和S3均為非接觸式電容傳感器，分辨率為0.0001mm，測量精度為0.0005mm。S1和S2互為90°且與主軸回轉(zhuǎn)軸線在徑向上垂直，負責主軸徑向數(shù)據(jù)的采集；S3與主軸回轉(zhuǎn)軸線一致垂直于軸線方向，負責軸向數(shù)據(jù)的采集。S1左邊的傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器，測量范圍1～100000r/min。如圖5所示。

測量球跟隨主軸同步轉(zhuǎn)動，S1、S2和S3分別把測量到的徑向和軸向數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)采集裝置中，轉(zhuǎn)速傳感器同時把轉(zhuǎn)速信號也輸入到數(shù)據(jù)采集裝置。由相應軟件計算出誤差值并繪制回轉(zhuǎn)誤差圖。如圖6、圖7所示。

測量方法和測量設(shè)備符合ASME B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers的相關(guān)要求。

徑向和軸向數(shù)據(jù)見表1、表2和表3。

采集表1數(shù)據(jù)時的工作狀況描述如下：傳感器支座置于主軸箱體上，與主軸形成相對位置關(guān)系。測量主軸空運轉(zhuǎn)、主軸空運轉(zhuǎn)及工作臺移動（未磨削工件）、主軸磨削工件時的徑向誤差和軸向誤差。

傳感器支座置于安裝床身的地基上，形成主軸相對與地的位置關(guān)系。測量主軸空運轉(zhuǎn)、主軸空運轉(zhuǎn)及工作臺移動（未磨削工件）、主軸磨削工件時的徑向誤差和軸向誤差。

分析圖6和圖7得知：主軸空運轉(zhuǎn)和磨削工件時，主軸軸心線的運動軌跡基本相同，主軸軸心線運動軌跡沒有因為磨削而發(fā)生改變。

分析表1中的數(shù)據(jù)，磨頭——砂輪系統(tǒng)在不同的工況下，徑向回轉(zhuǎn)誤差和軸向誤差均為0.007mm，沒有因為磨削而改變其誤差值。表明該系統(tǒng)不存在問題。

分析表2數(shù)據(jù)并對比表1數(shù)據(jù)，主軸徑向誤差增加了0.002mm，而軸向誤差增加了0.006mm，說明磨頭和工件之間產(chǎn)生了相對位移，在軸向增加的位移較大。改變了它們之間的正確磨削關(guān)系，是導致工件加工表面產(chǎn)生波紋的重要因素。

分析表3數(shù)據(jù)，和表2數(shù)據(jù)基本接近，說明工作臺相對于磨頭產(chǎn)生的位移量貢獻不大。

再分析機床結(jié)構(gòu)，磨頭通過螺紋緊固在機床的小拖板上，小拖板通過導軌付與機床橫梁連接，橫梁緊固在機床立柱上。

測量結(jié)論：

綜上所述，磨頭（小拖板）相對于工作臺發(fā)生了相對振動位移。而產(chǎn)生位移的原因還需作進一步的分析。

3.4 磨頭在主軸軸線方向的絕對振動

把壓電加速度計在主軸箱體沿主軸軸線方向固定，測量其在軸線方向的絕對振動位移值，并做幅值譜分析，見圖8。

圖8中，測量得到的磨頭在主軸軸線方向的絕對振動位移值為6.8μm，與在主軸轉(zhuǎn)誤差測量中得到的軸向誤差值較為接近，該振動頻率為6.9Hz。表明磨頭（小拖板）存在沿主軸軸線方向低頻搖晃。

3.5 小拖板沿橫梁導軌移動的直線度[3]

用自準直儀測量小拖板沿橫梁移動在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的直線度[3]，測量結(jié)果如下：

水平方向直線度為：0.007mm.任意300mm上為0.003mm；

垂直方向上的軸直線度為：0.053m， 任意300mm上為0.024mm；中凸。

小拖板移動方向與主軸軸線方向平行，由于導軌在垂直面內(nèi)向上凸起，使得小拖板與橫梁導軌付的接觸，在理論上為點接觸，導致小拖板沿移動方向不停的搖晃，形成了磨頭與工件之間的相對振動位移，使得磨削工件時在工件表面產(chǎn)生磨削波紋。

4.解決方案

對橫梁導軌重新磨削，使得小拖板移動的直線度由中凸變?yōu)橹邪?。磨削時工件上明暗相間的條紋消失了，提高了工件的表面質(zhì)量，解決了磨削波紋。

5.總結(jié)

抓住機床、刀具和工件在加工過程中的相互作用這個關(guān)鍵點，針對出現(xiàn)的問題，通過理論和試驗認真分析，逐一排除非主要因素，問題迎刃而解。

參考文獻：

[1]中華人民共和國進行行業(yè)標準 JB/T 9924-1999 磨削表面波紋度

[2]AN AMERICAN NATIONAL STANDARD ASME B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers

[3]中華人民共和國進行行業(yè)標準GB/T17421.1-1998 機床檢驗通則第1部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度

基金項目：云南省科技計劃項目（2011FB127）。