基于变速磨削的磨削颤振抑振措施研究

苏和堂滁州职业技术学院

基于变速磨削的磨削颤振抑振措施研究

苏和堂
滁州职业技术学院

摘要：磨削加工过程中产生振动将会降低工件加工质量，它不仅影响工件的正常磨削加工，振动情况严重的还可能造成工件加工表面的质量降低，同时还会使磨床及磨具的使用寿命降低，因此在磨削生产加工中对加工过程中对振动产生原因进行分析，通过生产实践中不断总结，在磨削过程中可以实行改变磨削速度及工艺条件适配法等措施来减少磨削中振动，这样可以大大提高磨削质量。

关键词：磨削加工；颤振；变速磨削

磨削加工是机械制造中重要的一种精加工方法，工件加工工艺主要是安排在半精加工和精加工阶段，在工件加工过程中砂轮是磨削的切削工具，切削加工过程由砂轮表面大量随机分布的磨粒对工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用。在磨削加工过程中将产生振动不仅影响磨削加工正常进行，还将严重降低工件加工表面的质量，降低机床和砂轮的使用寿命，同时加工过程会有振动产生，甚至会产生较大的噪声，噪声的产生会影响工人的工作情绪。磨削加工中的颤振是一种非常有害的现象，一旦发生轻则工件报废、刀具损坏；重则导致设备损坏，其发生过程分为平稳磨削阶段，颤振蕴育阶段和颤振爆发阶段，它将影响产品加工质量和机床切削效率。通常为了减小振动都采用减小加工的进给量的措施，但这降低了生产效率，因此在磨削加工过程中要分析振动产生的原因，采用相应消振措施，以保证磨削的加工质量提高。

1、磨削加工过程中的颤振产生及特点

磨削加工过程在没有受到外力的作用下，由于系统自身原因产生的激励而引起的振动，这种振动产生在系统的内部，其振动是内部激发及反馈相互作用产生的，振动是稳定、周期的进行，因此称为自激振动（颤振）。一般认为属于再生自振，在磨削过程中磨削力变化较大，磨削时当工件和砂轮开始产生相对振动时，振动将会产生动态磨削力，将引起再生激振。对于磨削加工过程中颤振的主要特点有：

（1）颤振是由于系统振动过程中自身引起某种力周期性地变化，，这种力的变化给振动系统补充能量，这样振动能够维持和继续进行，颤振相当于具有负阻尼的稳定的自由振动，它是一种由于自身产生能量不衰的振动。

（2）颤振频率是有磨削系统自身参数所决定的，与磨削系统外界干扰没有关系，它的频率和振幅与磨削系统固有频率基本相同。

（3）颤振的振幅大小及振动本身能否产生，主要决定于每一振动周期内系统所获得的能量与所消耗的能量的相对状况。

（4）颤振是在没有外界周期性激振力的条件下产生的，它的产生和继续都是由于磨削系统在磨削过程中自身产生的激振及反馈所引起的，因此如果要停止磨削加工，其内部激振力消失，颤振也随之消失。

2、磨削加工中的颤振形成原因分析

机械加工中振动有三种类型，即自由振动、强迫振动和自激振动（颤振），其主要是强迫振动和颤振，一般强迫振动约占30%，颤振约占65%，自激振动所占比例很小。在磨削加工过程中强迫振动可以通过多次砂轮平衡和修整外形来消除砂轮不平衡和偏心，这样可以消除强迫振动对磨削加工质量的影响。另外对磨削加工质量影响最大振动就是颤振中的再生型颤振。在切削过程中由于偶然的扰动（材料硬点、加工余量不均匀等）使工艺系统开始振动，工件表面出现振纹，当工件在下一工序磨削时在该处切下厚度不一的磨屑，这样磨削过程中磨削力变化将发生周期性的，它的频率等于磨削过程中振动形成的频率，当磨削系统产生谐振时，发生变化的磨削力将激发又产生新的振动，这样加工表面将产生再生颤振。[1]

（1）砂轮表面再生型颤振

按照砂轮表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度分容易脱落称为软砂轮，不容易脱落为硬砂轮，磨削加工过程根据加工工件材料及工艺要求进行选择砂轮，由于选用软砂轮时磨削加工过程中砂轮表面容易脱落，砂轮磨耗小，选用硬砂轮在磨削加工中砂轮外表面不易脱落，砂轮外表面会生成阻塞的条纹。这些现象在磨削加工过程中都会引起磨削颤振产生；同时在磨削过程中由于存在砂轮的动态不平衡；磨削过程中砂轮表面磨耗不能及时修整；磨削加工的条件不完善；磨床结构的动态特性，这些都可能会引起颤振的产生造成振幅的加大，在磨削外圆过程中工件外表面产生波纹，如果砂轮不修整继续磨削，其外表面将形成不均匀磨耗，造成磨削振幅增大，加工表面质量降低，甚至会产生磨削噪声。

（2）工件表面再生型颤振

在磨削加工一个工件时，在上道工序由于振动的幅值不同工件表面残留的加工波纹在工件表面，在下一道工序中磨削时振动幅值将发生改变，这就叫“工件再生效应”。一般外圆磨削时工件产生再生效应可能性比较小，因此磨削系统产生的工件再生型振动可能性也就小了，一般工件再生颤振主要发生在磨削加工开始阶段。

（3）扭转振动对磨削颤振的影响

由于驱动轧辊时不能形成力偶矩；轧辊旋转时转动不平衡；辊肩与磨床托架托瓦表面接触不太好及轧辊偏心转动，这一些都会造成磨削系统产生颤振，随着磨削颤振产生，磨削系统出现了一个变动的力，这样使磨削系统产生扭转振动时同时又产生一个变动力矩，在磨削过程中的这个力矩将随着工件砂轮转速的改变在不断的变化。

3、磨削加工中颤振的抑制

影响磨削加工中颤振发生及延续的主要因素有：机床的刚度，磨具砂轮的特性，工件的材料及形状，磨削用量的选择等。在磨削加工过程中只有抑制磨削加工颤振的发生，才可以提高工件加工质量，使砂轮修整周期延长。其消振主要采取工艺条件适当配置，改变磨削过程中砂轮转速、工件转速及磨削进给速度等措施。

（1）改变磨削速度抑制磨削加工中颤振的产生 就是在磨削加工全过程或在磨削加工过程中某一工序中，我们有意识的改变加工工件与磨具砂轮的即时旋转速度或进给速度，这样来抑制磨削加工中颤振的产生。[2]

①改变磨具砂轮旋转速度：在磨削加工过程中砂轮和机床构成一个磨削系统，该磨削系统的固定振动周期是不变的，磨削过程中发生颤振不同的频率对应的颤振增长率也不一样，所以改变磨具砂轮的旋转速度使磨削颤振处于最大颤振增长率对应的频率下振动，因此在改变磨削速度期间颤振增长率小于最大颤振增长率，这样就可以抑制磨削颤振增长。

②改变进给速度：磨削加工过程中产生颤振的频率一般都在其磨削系统所对应的固有频率周围。

③改变工件转速：磨削加工过程中工件在前一工序磨削加工时产生波纹，后一工序砂轮将在原波纹的表面继续磨削且在工件表面形成新的波纹。根据前后两工序波纹的情况将对振动产生不同的作用，具体情况见下表一

表一

磨削加工过程中颤振频率的变化使工件同一速度下，一会在颤振抑制区，一会又在颤振激发区。因此我们可以适当改变磨削速度，使磨削系统振动频率在某一时间内避开磨削颤振激发区，使磨削加工系统处于颤振抑制区，这样可以抑制颤振产生，提高磨削加工质量。

（2）根据磨削加工工件合理选配砂轮

在磨削过程中不管改变砂轮的转速还是改变工件转速或改变进给速度都需要增加一些调速装置，同时改变磨削速度时主要的电流是通过磨床的电动机，这样增加了电动机及机床电路负荷，因此磨削加工过程中可以根据磨削加工的工件的材料及形状进行合理选择磨削工具砂轮的特性及磨削用量，这样可以使磨削工件正常工作的情况下又不产生颤振，同时磨削工件质量又能够得到提高。砂轮硬度是对磨削过程稳定性影响的主要是特性，对磨削过程稳定性影响工件材质性能主要是工件的硬度和强度，实践证明砂轮硬度和工件材质硬度越高，相应越容易发生颤振，因此磨削较硬工件时选择较软砂轮；磨削较软工件时选择较硬砂轮，这样可以减少磨削加工的颤振。[3]

4、结论

通过对磨削过程产生振动原因的分析，磨削过程中主要有强迫振动和自激振动（颤振），磨削过程中砂轮不平衡及偏心是产生强迫振动的主要原因，因此在磨削过程中可以采取多次砂轮平衡及不断修整砂轮外形交替的方法来消除振动。磨削加工主要体现在再生型颤振，其产生振动主要有砂轮表面再生型颤振、工件表面再生型颤振及扭转振动对振动产生影响，因此磨削过程中可以采取改变磨削速度及根据磨削加工工件材料形状合理选配砂轮特性等措施，这样可以使磨削加工过程中的振动明显减少，磨削加工的质量及劳动生产率都得到提高，同时磨削工具砂轮的使用寿命又可以延长。

参考文献：

[1]王海珍，李玉平.机械加工中振动分析及控制措施[J].机械制造与研究,2008（12）:32

[2]黄志坚，高立新，廖一凡等编著.机械设备振动故障监测与诊断[M].北京：化工工业出版社 2010:315-316

[3]候静强，李震杰，梁瑞容，李志勇.浅谈磨削加工中的振动[J].中国科技信息,2008（22）:156