基于變速磨削的磨削顫振抑振措施

劉明玉

摘要：磨削過(guò)程中主要有強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振，強(qiáng)迫振動(dòng)主要原因是砂輪不平衡和偏心，因此可以通過(guò)多次平衡和整形交替方法來(lái)消除振動(dòng)。 磨削加工主要體現(xiàn)在顫振，文章總結(jié)了顫振產(chǎn)生的特點(diǎn)，分析了顫振產(chǎn)生的原因，提出了克服顫振的幾點(diǎn)措施，這些措施可以明顯減少磨削中振動(dòng)，提高了磨削加工質(zhì)量及加工勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)延長(zhǎng)了砂輪的使用壽命

關(guān)鍵詞：磨削加工；顫振；變速磨削

中圖分類號(hào)：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

磨削加工是機(jī)械制造中重要的一種加工方法，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(guò)程中砂輪是磨削的切削工具，切削加工過(guò)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(guò)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(guò)程會(huì)有振動(dòng)而產(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(guò)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(guò)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)量提高生產(chǎn)率。

1 磨削加工過(guò)程中的顫振產(chǎn)生及特點(diǎn)

磨削加工過(guò)程在沒(méi)有周期外力的作用下，有系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)及反饋的相互作用而產(chǎn)生穩(wěn)定的周期振動(dòng)成為自激振動(dòng)，簡(jiǎn)稱“顫振”。一般認(rèn)為屬于再生自振，通常磨削時(shí)由于磨削力帶有隨機(jī)性，因此它總會(huì)有該薄弱環(huán)節(jié)的固有頻率成分，當(dāng)工件和砂輪開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)，該振動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磨削力，引起二次激振，稱為再生激振。對(duì)于系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)這顯然是一種激振力，頻率基本接近于系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)固有頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，故在一定條件下振幅將會(huì)擴(kuò)大且波紋與原波紋的相位差接近于π/2.。顫振的特點(diǎn)主要有：

1.1顫振是一種不衰振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程本身能引起某種力周期性地變化，振動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)這種力的變化獲得補(bǔ)充能量，這樣振動(dòng)能夠維持和繼續(xù)，顫振相當(dāng)于具有負(fù)阻尼的穩(wěn)定的自由振動(dòng)。

1.2顫振頻率等于或接近于系統(tǒng)固有頻率，其頻率和振幅都與外界干擾無(wú)關(guān)，而是系統(tǒng)本身參數(shù)決定的。

1.3顫振的振幅大小，以及振動(dòng)本身能否產(chǎn)生決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)，系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量的對(duì)比情況。若所獲得的能量大于所消耗的能量，則振幅將不斷增大；反之將不斷減小，直到獲得的能量等于消耗的能量時(shí)，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)振幅在任何數(shù)值時(shí)獲得的能量都小于消耗的能量時(shí)，則顫振就不可能產(chǎn)生。

1.4顫振是在沒(méi)有外界周期性激振力的條件下產(chǎn)生的，其形成和持續(xù)是基于過(guò)程本身產(chǎn)生的激振和反饋?zhàn)饔茫匀敉Ｖ骨邢?，其?nèi)部激振力消失，顫振也隨之消失。因此，可以認(rèn)為顫振相當(dāng)于有系統(tǒng)內(nèi)部激振力而引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。

2 磨削加工中顫振形成原因分析

磨削加工過(guò)程中影響工件加工質(zhì)量的主要有兩種形式的振動(dòng)，一是強(qiáng)迫振動(dòng)另一是顫振，強(qiáng)迫振動(dòng)主要是由于砂輪不平衡和偏心造成的，因此磨削加工過(guò)程中消除砂輪不平衡和偏心，通過(guò)多次平衡和整形可以避免振動(dòng)影響。另一種振動(dòng)是顫振，機(jī)械加工按顫振形成機(jī)理分再生型、振型耦合型和摩擦型三種形式，對(duì)磨削加工而言主要表現(xiàn)為再生型顫振。在切削過(guò)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(kāi)始振動(dòng)，工件表面出現(xiàn)振紋，當(dāng)工件在下一轉(zhuǎn)或下一次切削時(shí)在該處切下厚度不一的切屑，使切削力產(chǎn)生周期性的變化，其頻率等于此前形成的振動(dòng)頻率，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)變化的切削力將激發(fā)新的振動(dòng)，因而形成波形表面產(chǎn)生再生顫振。

2.1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為軟砂輪和硬砂輪，容易脫落的稱為軟砂輪，不容易脫落為硬砂輪。磨削加工過(guò)程根據(jù)加工工件材料及工藝要求進(jìn)行選擇，如果選用軟砂輪在加工過(guò)程中砂輪在外圓上會(huì)出現(xiàn)多角形磨耗，若用硬砂輪進(jìn)行磨削加工會(huì)出現(xiàn)砂輪外圓上生成大體上等間隔的阻塞條紋。這兩種現(xiàn)象發(fā)展下去都會(huì)導(dǎo)致顫振，由于砂輪的動(dòng)態(tài)不平衡及砂輪磨耗與修整條件，磨削的條件及機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性都給顫振的發(fā)生及振幅的加大造成影響，磨削外圓時(shí)會(huì)在工件表面形成密集的直線型條紋，若砂輪繼續(xù)使用表面逐漸形成間隔相當(dāng)?shù)牟痪鶆蚰ズ模瑫r(shí)振幅增大，加工表面惡化，將發(fā)生顫振噪聲。

2.2工件表面再生型顫振

工件在磨削前上道工序表面殘留的加工波紋及在磨削加工中振動(dòng)的幅值不同程度殘留在工件表面，在表面上前一轉(zhuǎn)所復(fù)映的起伏波紋，在下一次磨削中幅值地改變，這種變化稱為工件再生效應(yīng)。在一般磨削條件下外圓磨削時(shí)工件再生效應(yīng)較小，由此效應(yīng)產(chǎn)生的工件再生型振動(dòng)也很少發(fā)生，工件再生顫振一般發(fā)生在磨削開(kāi)始階段。

2.3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)磨削顫振的影響

軋輥驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)時(shí)沒(méi)有形成力偶矩，單點(diǎn)撥動(dòng)軋輥旋轉(zhuǎn)造成軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，軋輥輥肩沒(méi)有與磨床托架托瓦表面接觸好，軋輥偏心轉(zhuǎn)動(dòng)這些都會(huì)形成顫振，顫振出現(xiàn)時(shí)存在一個(gè)變動(dòng)的力，它使工件或砂輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在形成一個(gè)變動(dòng)力矩，磨削中的磨削力矩隨著工件砂輪速度變化而變化。

3 顫振的抑振措施

磨削過(guò)程中影響顫振產(chǎn)生和發(fā)展的因素主要有：磨床系統(tǒng)的剛度，砂輪及其特性，工件的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)，磨削工藝參數(shù)等。抑制和延緩磨削顫振的發(fā)展可以提高工件磨削表面質(zhì)量，延長(zhǎng)砂輪的修整周期。其消振主要采取工藝條件適當(dāng)配置，改變磨削過(guò)程中砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速及磨削進(jìn)給速度等措施。

3.1變速磨削抑制磨削顫振 變速磨削就是在磨削整個(gè)過(guò)程或某段時(shí)間內(nèi)，人為地改變工件與砂輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速比或進(jìn)給速度。

3.1.1變砂輪轉(zhuǎn)速：磨床和砂輪組成系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期是一定的，不同的顫振頻率對(duì)應(yīng)的顫振增長(zhǎng)率大小不同，由于在磨削過(guò)程中再生顫振的閉環(huán)反饋?zhàn)饔茫宰兯倌ハ骶褪峭ㄟ^(guò)改變砂輪轉(zhuǎn)速不讓磨削顫振始終處于最大顫振增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的頻率下振動(dòng)，這樣保證變速磨削期間顫振增長(zhǎng)率小于最大顫振增長(zhǎng)率，以此抑制或延緩顫振增長(zhǎng)。

3.1.2變進(jìn)給速度：磨削過(guò)程中發(fā)生顫振的頻率在敏感模態(tài)所對(duì)應(yīng)的固有頻率附近。進(jìn)給速度不同發(fā)生顫振臨界頻率也不同，通過(guò)不斷改變進(jìn)給速度，同時(shí)使變化時(shí)間間隔小于顫振形成時(shí)間，這樣可以抑制顫振。

3.1.3變工件轉(zhuǎn)速：在磨削工件過(guò)程中前一轉(zhuǎn)切削時(shí)產(chǎn)生波紋，后一轉(zhuǎn)時(shí)砂輪將在有波紋的表面進(jìn)行切削并且工件表面形成新的波紋。根據(jù)前后兩次波紋的情況將對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生不同的作用，具體情況見(jiàn)下表1

在正常磨削過(guò)程中顫振頻率是在不斷變化的，而顫振波形中會(huì)含有多個(gè)頻率分量，所以實(shí)際磨削過(guò)程中顫振激發(fā)區(qū)和抑制區(qū)不是一成不變的。顫振頻率的變化使得在同一工件速度下，一會(huì)在顫振抑制區(qū)，過(guò)了片刻又在顫振激發(fā)區(qū)。多種頻率分量使得不同頻率分量的顫振激發(fā)區(qū)和抑制區(qū)之間交叉存在。因此變速磨削的幅度、頻率適當(dāng)使磨削系統(tǒng)在某一時(shí)間內(nèi)避開(kāi)顫振激發(fā)區(qū)，這樣比恒速磨削效果好。

3.2采取工藝條件適配法

由于變速磨削一方面要附加一些調(diào)速裝置另一方面變速磨削時(shí)有很大的電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，這樣對(duì)電路、功率放大器、電動(dòng)機(jī)的熱載能力都有較高要求，因此我們加強(qiáng)對(duì)工藝條件的適配。磨削加工要根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)合理確定所用砂輪的特性及磨削參數(shù)，這樣保證在一定生產(chǎn)率的情況下防止磨削顫振產(chǎn)生，同時(shí)提高磨削表面質(zhì)量。砂輪特性對(duì)磨削過(guò)程穩(wěn)定性影響的主要是砂輪硬度，工件材質(zhì)性能對(duì)磨削過(guò)程穩(wěn)定性影響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。

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