摘要：以MM52125 導(dǎo)軌磨床加工過程中的振動(dòng)為對(duì)象．對(duì)其振動(dòng)機(jī)理和相關(guān)的因素進(jìn)行了理論分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)找出了砂輪頭架主軸回轉(zhuǎn)剛度存在的問題，提出了消除振動(dòng)的方法。
本文研究對(duì)象為一臺(tái)MM52125導(dǎo)軌磨床，該機(jī)床用砂輪圓周磨削時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)。磨削后的工件(C6120車床床身)的表面和溜板對(duì)研后出現(xiàn)明顯黑白相間的波紋。如圖1所示，波距t=26～32mm，工件斜導(dǎo)軌上比較明顯，波紋波距有時(shí)成倍增加。
1 磨削加工中的振動(dòng)
機(jī)械加工是機(jī)床、刀具和工件在加工時(shí)相互作用、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互影響的復(fù)雜過程。從被加工零件的形成過程知道，如果機(jī)床切削時(shí)，刀具與工件之間存在著振動(dòng)，致使刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變了它們之間的正確關(guān)系，就會(huì)在加工表面留下波紋。
圖1 工件表面波紋示意圖
磨削過程中的振動(dòng)，和一般的機(jī)械加工一樣，可以分為強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)和混合顫振。強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)是機(jī)床工藝系統(tǒng)中存在一激振源，其振動(dòng)頻率和激振源頻率相等，和磨削量的大小無關(guān)。
自激振動(dòng)的振幅和磨削用量相關(guān)，振幅隨磨削時(shí)間加長而增長，其頻率決定于機(jī)床—砂輪—工件系統(tǒng)的某些固有頻率(砂輪和工件不接觸情況下的頻率)。混合顫振的特征為振動(dòng)頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率一致，但振動(dòng)幅度隨磨削用量的增加而增長比。
由于磨削加工的特殊之處，磨削顫振也比一般切削顫振復(fù)雜。實(shí)踐中，多數(shù)采用試湊法，即改變磨削參數(shù)，如砂輪品質(zhì)或增加機(jī)床剛性來消除磨削顫振。
2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及結(jié)果
由前面分析可知，不同種類的振動(dòng)起因和表現(xiàn)形式是不一樣的。強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)是和切削用量無關(guān)，振動(dòng)頻率和外激振動(dòng)頻率一致。自激振動(dòng)和切削用量密切相關(guān)，磨削深度越增大，它越易被激發(fā)，并隨磨削時(shí)間增加，振幅增大，頻率下降，最后穩(wěn)定在系統(tǒng)某一固有頻率附近。混合振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的藕合，它具有自激振動(dòng)的特征，但振動(dòng)頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率一致。
1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
·工件表面波紋分析 目的是確定工件表面波紋的頻率分布和幅值大小，為其它測(cè)試工作提供依據(jù)，并用來評(píng)價(jià)最后效果。
·磨削試驗(yàn) 由前面分析可知，砂輪連續(xù)磨削的時(shí)間、深度對(duì)各種振動(dòng)的影響是不一樣的。所以，在不同條件下進(jìn)行磨削試驗(yàn)并測(cè)定振幅和頻率，以確定振動(dòng)的類別。
·空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn) 其目的是研究刀具和工件之間在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)振動(dòng)頻率與磨削實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的振動(dòng)頻率是否相關(guān)。
·激振試驗(yàn) 該試驗(yàn)是為了研究振動(dòng)是和系統(tǒng)中那一階固有頻率相關(guān)而進(jìn)行的。找出與磨削實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)顯著的振動(dòng)頻率相近的固有頻率，測(cè)定在這一固有頻率下的振型，可為機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。
2) 實(shí)驗(yàn)方法和條件
工件表面波紋分析是針對(duì)已加工過的工件表面分析波紋出現(xiàn)的頻率。
磨削試驗(yàn)是在工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)特制的試樣磨削，然后將試樣帶到實(shí)驗(yàn)室經(jīng)TALYSURF-6輪廓分析儀測(cè)量，經(jīng)采樣作頻譜分析。
空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)是在機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下采用壓力傳感器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和光線記錄儀對(duì)機(jī)床靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的。
電動(dòng)機(jī)—砂輪系統(tǒng)的振動(dòng)是由加速度計(jì)、磁帶記錄儀及信號(hào)分析儀組成的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的。激振試驗(yàn)是采用激振器、超低頻功率放大器和超低頻頻率特性測(cè)試儀組成的系統(tǒng)完成的。
3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
·測(cè)量出工件運(yùn)動(dòng)速度為V工=42～46m/min，波距t=32～36mm，所以工件表面波紋頻率f為
f=V工/t=(42～46)×1000/(32～36)=19.4～24Hz
·試樣分析 試樣的磨削條件與磨削床身一樣。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為45m/min，TALYSUBF-6輪廓分析儀測(cè)出的工件表面輪廓曲線如圖2。圖3為對(duì)試樣表面進(jìn)行四次平均后計(jì)算出的頻譜。從圖2可以看到，試樣表面平面度小于12.7μm，對(duì)應(yīng)頻率為20Hz的振紋幅值最大，為40Hz、60Hz處的兩倍。和前面用直接觀察工件表面得出的結(jié)論一致。
·由于是采用圓周磨削，磨削過程中用加速度計(jì)在砂輪主軸箱徑向拾振得到的功率譜圖如圖4。可以看到，在磨削深度不同的時(shí)候，都測(cè)到了一個(gè)19.52Hz的振動(dòng)信號(hào)。在磨削深度為0.03mm和0.05mm時(shí)，圖4b、c出現(xiàn)了39.55Hz和59.048Hz的峰值。它們分別對(duì)應(yīng)19.52Hz的二倍和三倍頻率。圖4c中的100.004Hz是由工頻電流引起的。
·靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)測(cè)試記錄如圖5。可以看到，除啟動(dòng)時(shí)有一壓力沖擊外，系統(tǒng)壓力脈動(dòng)很小，可以忽略。圖6是電動(dòng)機(jī)一砂輪系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在砂輪徑向拾振所得的功率譜圖。可以看到，在頻率19.52Hz處有一峰值。
·圖7是工件—床身系統(tǒng)的激振頻譜圖。圖8是砂輪頭架和支承系統(tǒng)的激振頻譜圖。從圖可以看到，兩者的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工件的振動(dòng)頻率。顯然，可以排除自激振動(dòng)和混合振動(dòng)的可能性。
3 結(jié)論和采取的措施
1) 診斷結(jié)論
圖3表明工件表面輪廓的頻譜在20Hz時(shí)有一峰值，這一點(diǎn)和對(duì)工件表面直接觀察得到的結(jié)論一致。從磨削過程中測(cè)得的砂輪振動(dòng)功率譜圖4可以看到19.52Hz存在峰值，這一點(diǎn)和前面的結(jié)果相同，由圖6知，由于砂輪一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡對(duì)磨削工藝系統(tǒng)所產(chǎn)生的激振力的頻率也為19.52Hz。圖7表明工件及其支承系統(tǒng)的固有頻率為249.9Hz，圖8表明砂輪—電動(dòng)機(jī)以及支承系統(tǒng)的徑向固有頻率為271Hz，它們和磨削中的振動(dòng)頻率19.52Hz相差甚遠(yuǎn)，即可以排除自激振動(dòng)的可能性。由圖4可以看到，隨著磨削用量的增加，對(duì)應(yīng)于19.52Hz的振動(dòng)幅值沒有明顯變化，也可以排除混合顫振的可能。
由以上分析可知，導(dǎo)軌磨削的振動(dòng)是由強(qiáng)迫振動(dòng)引起的。強(qiáng)迫振動(dòng)的振源是砂輪一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中不平衡的旋轉(zhuǎn)體高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為19.52Hz。這一點(diǎn)剛好和工件上的波紋頻率及前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。
2) 采取的措施
對(duì)砂輪做動(dòng)平衡。由于磨削時(shí)砂輪的轉(zhuǎn)速很高，很小的偏心量就會(huì)產(chǎn)生較大的激振力。砂輪的不平衡是產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的主要根源。這一點(diǎn)在機(jī)床行業(yè)里引起普遍重視。
提高砂輪軸的支承剛度。砂輪軸的支承剛度過低，會(huì)使得振動(dòng)加劇，所以，支承砂輪軸的軸承間隙應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。經(jīng)檢查，由于磨損，砂輪軸前軸承的間隙量為0.04mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了合適的間隙量。
圖9為對(duì)砂輪進(jìn)行了平衡和將砂輪軸承間隙量調(diào)整為0.015mm后磨削過的工件表面。從圖可以看到波紋峰值下降了大約1/2，肉眼已看不到黑白相間的痕跡，產(chǎn)品達(dá)到出廠要求。
圖9 砂輪間隙調(diào)整后磨出的工件表面輪廓
本文根據(jù)磨削振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，運(yùn)用了現(xiàn)代設(shè)備故障診斷技術(shù)和理論分析相結(jié)合特點(diǎn)，深入地分析了強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)和混合顫振對(duì)波紋度的影響。同時(shí)，專門制作了試樣對(duì)磨床進(jìn)行了磨削加工試驗(yàn)，空運(yùn)轉(zhuǎn)和激振試驗(yàn)。在考慮了液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)對(duì)磨削過程的影響后，最后確定了砂輪一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)是磨削產(chǎn)生波紋的主要原因，指出了改進(jìn)的途徑，解決了導(dǎo)軌磨削振動(dòng)的問題。
