基于變速磨削的磨削顫振抑振措施研究

蘇和堂滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于變速磨削的磨削顫振抑振措施研究

蘇和堂
滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

摘要：磨削加工過程中產(chǎn)生振動(dòng)將會(huì)降低工件加工質(zhì)量，它不僅影響工件的正常磨削加工，振動(dòng)情況嚴(yán)重的還可能造成工件加工表面的質(zhì)量降低，同時(shí)還會(huì)使磨床及磨具的使用壽命降低，因此在磨削生產(chǎn)加工中對(duì)加工過程中對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，通過生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)，在磨削過程中可以實(shí)行改變磨削速度及工藝條件適配法等措施來減少磨削中振動(dòng)，這樣可以大大提高磨削質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：磨削加工；顫振；變速磨削

磨削加工是機(jī)械制造中重要的一種精加工方法，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(jī)分布的磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行滑擦、刻劃和切削三種作用。在磨削加工過程中將產(chǎn)生振動(dòng)不僅影響磨削加工正常進(jìn)行，還將嚴(yán)重降低工件加工表面的質(zhì)量，降低機(jī)床和砂輪的使用壽命，同時(shí)加工過程會(huì)有振動(dòng)產(chǎn)生，甚至?xí)a(chǎn)生較大的噪聲，噪聲的產(chǎn)生會(huì)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(xiàn)象，一旦發(fā)生輕則工件報(bào)廢、刀具損壞；重則導(dǎo)致設(shè)備損壞，其發(fā)生過程分為平穩(wěn)磨削階段，顫振蘊(yùn)育階段和顫振爆發(fā)階段，它將影響產(chǎn)品加工質(zhì)量和機(jī)床切削效率。通常為了減小振動(dòng)都采用減小加工的進(jìn)給量的措施，但這降低了生產(chǎn)效率，因此在磨削加工過程中要分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，采用相應(yīng)消振措施，以保證磨削的加工質(zhì)量提高。

1、磨削加工過程中的顫振產(chǎn)生及特點(diǎn)

磨削加工過程在沒有受到外力的作用下，由于系統(tǒng)自身原因產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng)，這種振動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，其振動(dòng)是內(nèi)部激發(fā)及反饋相互作用產(chǎn)生的，振動(dòng)是穩(wěn)定、周期的進(jìn)行，因此稱為自激振動(dòng)（顫振）。一般認(rèn)為屬于再生自振，在磨削過程中磨削力變化較大，磨削時(shí)當(dāng)工件和砂輪開始產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磨削力，將引起再生激振。對(duì)于磨削加工過程中顫振的主要特點(diǎn)有：

（1）顫振是由于系統(tǒng)振動(dòng)過程中自身引起某種力周期性地變化，，這種力的變化給振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充能量，這樣振動(dòng)能夠維持和繼續(xù)進(jìn)行，顫振相當(dāng)于具有負(fù)阻尼的穩(wěn)定的自由振動(dòng)，它是一種由于自身產(chǎn)生能量不衰的振動(dòng)。

（2）顫振頻率是有磨削系統(tǒng)自身參數(shù)所決定的，與磨削系統(tǒng)外界干擾沒有關(guān)系，它的頻率和振幅與磨削系統(tǒng)固有頻率基本相同。

（3）顫振的振幅大小及振動(dòng)本身能否產(chǎn)生，主要決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量的相對(duì)狀況。

（4）顫振是在沒有外界周期性激振力的條件下產(chǎn)生的，它的產(chǎn)生和繼續(xù)都是由于磨削系統(tǒng)在磨削過程中自身產(chǎn)生的激振及反饋所引起的，因此如果要停止磨削加工，其內(nèi)部激振力消失，顫振也隨之消失。

2、磨削加工中的顫振形成原因分析

機(jī)械加工中振動(dòng)有三種類型，即自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)（顫振），其主要是強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振，一般強(qiáng)迫振動(dòng)約占30%，顫振約占65%，自激振動(dòng)所占比例很小。在磨削加工過程中強(qiáng)迫振動(dòng)可以通過多次砂輪平衡和修整外形來消除砂輪不平衡和偏心，這樣可以消除強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)磨削加工質(zhì)量的影響。另外對(duì)磨削加工質(zhì)量影響最大振動(dòng)就是顫振中的再生型顫振。在切削過程中由于偶然的擾動(dòng)（材料硬點(diǎn)、加工余量不均勻等）使工藝系統(tǒng)開始振動(dòng)，工件表面出現(xiàn)振紋，當(dāng)工件在下一工序磨削時(shí)在該處切下厚度不一的磨屑，這樣磨削過程中磨削力變化將發(fā)生周期性的，它的頻率等于磨削過程中振動(dòng)形成的頻率，當(dāng)磨削系統(tǒng)產(chǎn)生諧振時(shí)，發(fā)生變化的磨削力將激發(fā)又產(chǎn)生新的振動(dòng)，這樣加工表面將產(chǎn)生再生顫振。[1]

（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容易脫落稱為軟砂輪，不容易脫落為硬砂輪，磨削加工過程根據(jù)加工工件材料及工藝要求進(jìn)行選擇砂輪，由于選用軟砂輪時(shí)磨削加工過程中砂輪表面容易脫落，砂輪磨耗小，選用硬砂輪在磨削加工中砂輪外表面不易脫落，砂輪外表面會(huì)生成阻塞的條紋。這些現(xiàn)象在磨削加工過程中都會(huì)引起磨削顫振產(chǎn)生；同時(shí)在磨削過程中由于存在砂輪的動(dòng)態(tài)不平衡；磨削過程中砂輪表面磨耗不能及時(shí)修整；磨削加工的條件不完善；磨床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，這些都可能會(huì)引起顫振的產(chǎn)生造成振幅的加大，在磨削外圓過程中工件外表面產(chǎn)生波紋，如果砂輪不修整繼續(xù)磨削，其外表面將形成不均勻磨耗，造成磨削振幅增大，加工表面質(zhì)量降低，甚至?xí)a(chǎn)生磨削噪聲。

（2）工件表面再生型顫振

在磨削加工一個(gè)工件時(shí)，在上道工序由于振動(dòng)的幅值不同工件表面殘留的加工波紋在工件表面，在下一道工序中磨削時(shí)振動(dòng)幅值將發(fā)生改變，這就叫“工件再生效應(yīng)”。一般外圓磨削時(shí)工件產(chǎn)生再生效應(yīng)可能性比較小，因此磨削系統(tǒng)產(chǎn)生的工件再生型振動(dòng)可能性也就小了，一般工件再生顫振主要發(fā)生在磨削加工開始階段。

（3）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)磨削顫振的影響

由于驅(qū)動(dòng)軋輥時(shí)不能形成力偶矩；軋輥旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡；輥肩與磨床托架托瓦表面接觸不太好及軋輥偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，這一些都會(huì)造成磨削系統(tǒng)產(chǎn)生顫振，隨著磨削顫振產(chǎn)生，磨削系統(tǒng)出現(xiàn)了一個(gè)變動(dòng)的力，這樣使磨削系統(tǒng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)同時(shí)又產(chǎn)生一個(gè)變動(dòng)力矩，在磨削過程中的這個(gè)力矩將隨著工件砂輪轉(zhuǎn)速的改變?cè)诓粩嗟淖兓?/p>

3、磨削加工中顫振的抑制

影響磨削加工中顫振發(fā)生及延續(xù)的主要因素有：機(jī)床的剛度，磨具砂輪的特性，工件的材料及形狀，磨削用量的選擇等。在磨削加工過程中只有抑制磨削加工顫振的發(fā)生，才可以提高工件加工質(zhì)量，使砂輪修整周期延長(zhǎng)。其消振主要采取工藝條件適當(dāng)配置，改變磨削過程中砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速及磨削進(jìn)給速度等措施。

（1）改變磨削速度抑制磨削加工中顫振的產(chǎn)生 就是在磨削加工全過程或在磨削加工過程中某一工序中，我們有意識(shí)的改變加工工件與磨具砂輪的即時(shí)旋轉(zhuǎn)速度或進(jìn)給速度，這樣來抑制磨削加工中顫振的產(chǎn)生。[2]

①改變磨具砂輪旋轉(zhuǎn)速度：在磨削加工過程中砂輪和機(jī)床構(gòu)成一個(gè)磨削系統(tǒng)，該磨削系統(tǒng)的固定振動(dòng)周期是不變的，磨削過程中發(fā)生顫振不同的頻率對(duì)應(yīng)的顫振增長(zhǎng)率也不一樣，所以改變磨具砂輪的旋轉(zhuǎn)速度使磨削顫振處于最大顫振增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的頻率下振動(dòng)，因此在改變磨削速度期間顫振增長(zhǎng)率小于最大顫振增長(zhǎng)率，這樣就可以抑制磨削顫振增長(zhǎng)。

②改變進(jìn)給速度：磨削加工過程中產(chǎn)生顫振的頻率一般都在其磨削系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的固有頻率周圍。

③改變工件轉(zhuǎn)速：磨削加工過程中工件在前一工序磨削加工時(shí)產(chǎn)生波紋，后一工序砂輪將在原波紋的表面繼續(xù)磨削且在工件表面形成新的波紋。根據(jù)前后兩工序波紋的情況將對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生不同的作用，具體情況見下表一

表一

磨削加工過程中顫振頻率的變化使工件同一速度下，一會(huì)在顫振抑制區(qū)，一會(huì)又在顫振激發(fā)區(qū)。因此我們可以適當(dāng)改變磨削速度，使磨削系統(tǒng)振動(dòng)頻率在某一時(shí)間內(nèi)避開磨削顫振激發(fā)區(qū)，使磨削加工系統(tǒng)處于顫振抑制區(qū)，這樣可以抑制顫振產(chǎn)生，提高磨削加工質(zhì)量。

（2）根據(jù)磨削加工工件合理選配砂輪

在磨削過程中不管改變砂輪的轉(zhuǎn)速還是改變工件轉(zhuǎn)速或改變進(jìn)給速度都需要增加一些調(diào)速裝置，同時(shí)改變磨削速度時(shí)主要的電流是通過磨床的電動(dòng)機(jī)，這樣增加了電動(dòng)機(jī)及機(jī)床電路負(fù)荷，因此磨削加工過程中可以根據(jù)磨削加工的工件的材料及形狀進(jìn)行合理選擇磨削工具砂輪的特性及磨削用量，這樣可以使磨削工件正常工作的情況下又不產(chǎn)生顫振，同時(shí)磨削工件質(zhì)量又能夠得到提高。砂輪硬度是對(duì)磨削過程穩(wěn)定性影響的主要是特性，對(duì)磨削過程穩(wěn)定性影響工件材質(zhì)性能主要是工件的硬度和強(qiáng)度，實(shí)踐證明砂輪硬度和工件材質(zhì)硬度越高，相應(yīng)越容易發(fā)生顫振，因此磨削較硬工件時(shí)選擇較軟砂輪；磨削較軟工件時(shí)選擇較硬砂輪，這樣可以減少磨削加工的顫振。[3]

4、結(jié)論

通過對(duì)磨削過程產(chǎn)生振動(dòng)原因的分析，磨削過程中主要有強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)（顫振），磨削過程中砂輪不平衡及偏心是產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因，因此在磨削過程中可以采取多次砂輪平衡及不斷修整砂輪外形交替的方法來消除振動(dòng)。磨削加工主要體現(xiàn)在再生型顫振，其產(chǎn)生振動(dòng)主要有砂輪表面再生型顫振、工件表面再生型顫振及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生影響，因此磨削過程中可以采取改變磨削速度及根據(jù)磨削加工工件材料形狀合理選配砂輪特性等措施，這樣可以使磨削加工過程中的振動(dòng)明顯減少，磨削加工的質(zhì)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率都得到提高，同時(shí)磨削工具砂輪的使用壽命又可以延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王海珍，李玉平.機(jī)械加工中振動(dòng)分析及控制措施[J].機(jī)械制造與研究,2008（12）:32

[2]黃志堅(jiān)，高立新，廖一凡等編著.機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷[M].北京：化工工業(yè)出版社 2010:315-316

[3]候靜強(qiáng)，李震杰，梁瑞容，李志勇.淺談磨削加工中的振動(dòng)[J].中國(guó)科技信息,2008（22）:156