精密磨削中振纹抑制方法的研究

郑曙光 尹德臻

(威海华东数控股份有限公司，威海 264200)

随着科技的不断发展，人们对各类零件的精度要求越来越高，而磨削作为产品加工的最后一道工序，是产品精度的最终体现。所以，人们对磨削的关注也不断提高，我们不但希望得到理想的尺寸，同时对磨削后零件表面是否有振纹也提出了更高要求。本文对磨削振纹的产生机理及如何抑制振纹出现做一些分析探讨。

1 磨削中的振动

机械加工就是刀具和工件在加工时相互作用、相对运动和相互影响的复杂过程。从被加工零件的形成过程来看，如果机床切削时，刀具与工件之间存在振动，致使刀具与工件之间产生相对位移，改变了它们之间的正确关系，就会在加工表面留下波纹。磨削过程和一般机械加工一样，存在以下几种改变砂轮和工件之间相对位置的振动：强迫振动、自激振动和混合颤振，自激振动也就是我们平时说的颤振，可分为工件表面自激颤振与砂轮表面自激颤振。图1是外圆磨床中各振动的示意图。

图1 外圆磨床中各振动的示意图

强迫振动主要来自于砂轮主轴的不平衡，附近设备的振动通过地面传播到机床上、机床自身的液压脉动，等等。一般来说，其振动频率和激振源频率相等，和磨削量大小无关，强迫振动一直存在，且比较稳定，在空运转设备时就能测得该振动。工件表面自激颤振在加工开始就会出现，并且振动幅值很大，即使使用的是刚刚修整的砂轮，也会出现。砂轮表面自激颤振振动幅值随着时间的延长缓慢增长。这两种自激振动的振幅和磨削用量相关，振幅随磨削时间加长而增长。而混合颤振的为振动频率和强迫振动频率一致，但振动幅度会随磨削量的增加而增大。图2是这几种振动的特点示意图。

2 影响振动的因素

通过对机床激振源的分析研究，我们认为影响机床振动发生的主要因素有以下三点：工件的转速、砂轮的弹性变形、砂轮与工件表面的几何干涉。

图2 振动的特点示意图

2.1 工件转速

工件转速对振动的发生起着非常重要的作用，尤其是在大工件旋转磨削过程中，工件不平衡量会激起设备的颤振，必然使砂轮和工件之间的正确位置关系发生改变，导致在工件表面留下磨削振纹。

2.2 砂轮的弹性变形

由于砂轮存在弹性变形，在砂轮磨削过程中，特别是在砂轮切入和退出工件的过程中，振动会随之发生。同样的道理工件也存在弹性变形问题，这也就是我们常说的砂轮再生型颤振和工件再生型颤振。这两种颤振只有在砂轮和工件接触时才会出现。图3是外圆磨切入磨削的示意图。

图3 外圆磨切入磨削的示意图

2.3 砂轮与工件几何干涉规律

即使是外圆床磨削加工时，工件和砂轮之间也存在一段几何接触弧长。而砂轮和工件都有各自的再生型颤振，当他们接触时就会叠加出新的振动，我们定义该振动的振幅ycr，则有：

式中，Vw为工件的转速；ω为机床固有频率；dw为工件直径；ds为砂轮直径，分子中的加号用于外圆磨削，减号用于内圆磨削，平面磨削时，dw看作无限大。我们将ycr与机床在固有频率下的振幅y做对比，通过反复试验可得出如下结论：

如果ycr＞y，砂轮表面再生效应发展很慢；此时，工件再生型效应完全影响着磨削稳定性，机床的颤动基本上是工件的再生型颤振引起的。

如果ycr＜y，工件表面再生效应小于砂轮表面再生效应，此时，可只考虑砂轮表面再生型颤振。

通过对振动因素的分析，可以发现，当机床的磨削刚度增加，磨削系统会变得不稳定，容易引起磨削振纹。当机床磨削阻尼增加，磨削系统变得趋于稳定。

3 抑制振纹的措施

3.1 通过调整砂轮与工件转速比来抑制振纹产生

我们在一台M1432外圆磨床上做试验，使用φ500mm直径的铬刚玉砂轮，磨削一直径为φ125mm硬度为50HRC的钢件，在各磨削参数相同的情况下，使用不同的砂轮转速，进行磨削加工，然后将工件带到实验室经轮廓分析仪测量作频谱分析，得出工件的外径轮廓如图4。通过该示意图明显看出砂轮与工件转速比改变后，工件表面振纹的变化非常明显。

图4 工件的外径轮廓

3.2 抑制振动

随着科技的进步，现在砂轮在线动平衡系统已经广泛应有，这种系统能显示机床的固有频率、振幅等相关参数，还能显示砂轮主轴系统的不平衡值，并可按照预先设定的数值对砂轮主轴系统进行在线平衡，确保砂轮主轴系统的不平衡量控制在一个极低范围内。由于砂轮需要经常修整，加之砂轮在铸造时受气孔结合剂等参数的影响，砂轮修整后往往会出现质心偏移，导致主轴振动加剧，因此，配置砂轮动平衡系统对控制砂轮表面再生型振动是很有必要的。

对于机床的自激振动，首先是在机床的设计阶段，在经济前提下尽可能增加系统的动刚性，并可运用三维软件进行仿真模拟，对机床进行动态特性分析，分析机床在动态切削力和其他外力干扰下的抗振性能，找出容易被激发的模态和对结构动态性能影响较大的频率、振型和振幅，从而提高机床低阶固有频率、提高切削稳定性、避开共振、抑制振幅，提高加工精度。

3.3 增加阻尼

我们同样在一台M1432外圆磨床上进行磨削试验，在砂轮主轴前端安装振动传感器，运用sBs动平衡系统的柔量（单位载荷下的伸长或变形）分析功能，对主轴的柔量在增加阻尼和无阻尼状态下进行对比，结果如图5所示。通过对比，可明显看出在增加砂轮主轴阻尼后，主轴系统的柔量值明细降低。这也就意味着在增加阻尼后，主轴的振动降低了。所以对已有机床改造时，增加阻尼对抑制磨削振纹是个不错的选择。

图5 主轴柔量在增加阻尼和无阻尼状态下的对比结果

3.4 其他方法

通过不断研究，现在我们对磨床的各个振动、振源有了更全面的认识，这有利于抑制振动发生。试验发现减少工件和砂轮的接触刚度，也能降低机床振动，可以在砂轮上均布一些孔槽来实现。干扰砂轮与工件间相位也是一种很实用的方法。

在设计机床时，要采取“上轻下重、动轻静重”的原则，采用吸振性好的床身、底座。建立模型，提高机床刚度、增大阻尼、改进约束、降低重心并尽可能实现重心驱动。

这些都是降低机床振动很实用、很有效的措施。

4 结语

工件表面有磨削后的波纹，也就意味着机床有振动，这些振动无非来自机床内部振源或外部振源，只要我们运用科学的方法找出这些振源，通过各种手段消除或抑制这些振源，就一定能获得理想的加工表面质量。