蜗杆砂轮磨齿机磨齿齿面粗糙度问题的研究

赵艳杰， 屈飞虎， 杜淑媛， 沈禾凯， 孟万博

（秦川机床工具集团股份公司，陕西 宝鸡721009）

0 引 言

齿轮的表面形貌（表面粗糙度、波纹度、纹理等）在接触机制中起着至关重要的作用，对啮合表面的摩擦、疲劳、磨损、润滑、噪声、振动等性能都有极大的影响[1-2]。1971年，Mitchell[3]的实验结果表明齿面粗糙度和运行速度的加大使得齿轮噪声也增大。1992年，William D.Mark[4]经过一系列的理论研究表明，齿面形状误差与静态和动态传动误差密切相关，齿面形状误差增大，则齿轮噪声的强度也增大。1993年，本田汽车公司的芳贺文雄[5]指出齿轮的齿面波纹度影响齿轮的噪声大小，本田汽车公司通过大量的实验证明齿形形状的精度控制在2 μm 内能够明显地减小齿轮噪声。综上所述，齿轮噪声与齿轮齿面粗糙度、齿面形状精度、齿面纹理密切相关，因而理想表面形貌的齿面设计和制造至关重要。

引发齿轮表面形貌差的因素很多，如机床的刚性、电气参数的匹配特性、齿轮的材料与砂轮参数匹配情况、砂轮线速度、磨削液的选择、磨削工艺参数的制定等等，本文重点讲述的是磨削过程中产生的颤振引起的齿轮表面纹理不理想的问题。

1 传动链与振动、噪声测试流程

编制的磨削工艺分为三部分：四刀粗磨、一刀半精磨和一刀精磨。异常噪声现象通常发生在粗磨的第三刀，或者在粗磨第二刀，具有很好的重复性，齿轮噪声可以看作由激励源到传递路径最后到接收体的问题[6]。为此我们按照表1测试流程表进行了以下几方面的分析测试。

2 传动链数据分析

2.1 概述

对空运转以及实际加工的传动链数据都进行了分析，分析粗加工过程各轴的运动曲线与累计传动误差曲线。结果表明，无论Y轴是否连续进给，整个粗加工过程的累计传动误差极小，对X轴也进行了类似测试，未发现异常，累计传动误差计算结果表明并无明显的累计趋势量，说明加工程序以及电子齿轮箱的运动过程较为精确，未出现明显异常。同时，一个非常重要的信息是噪声异常现象在传动轴瞬时运动信息中有非常明显的反映，这表明可以通过传动轴的编码器信息对噪声异常现象进行分析。

2.2 振源分析

观察出现异常噪声前后各运动轴的动态信息，进而锁定首先发生颤振的运动轴，是进行传动链测试一项很重要的意图。为此，仅分析出现异常噪声的2-2测试过程B、C、Y、Z轴数据，根据2-2第一刀、第四刀的C轴瞬时传动误差及频谱图，对比各轴噪声异常前后的波动信息，发现以下规律：1）导致噪声异常的主导频率为200～600 Hz成分的转速波动或者直线运动轴振动；2）与噪声异常相关的动态信息集中体现在Y、Z、C轴中，在B轴中无明显体现，然而异常频率成分为B轴转频的倍频（如400 Hz为6倍频，466.6 Hz为7倍频），说明颤振与B轴仍然存在某种内在联系；3）对比颤振前后的瞬时传动误差可以发现，主导频率为200～600 Hz的成分在瞬时传动误差上有明显反映。

确认引起200～600 Hz频率成分的来源对于后续处理至关重要。该频率成分在Y、Z、C轴上都有反映，依据振动分类，在Y、Z轴上为横向振动，而在C轴上则体现为扭转振动。不妨假设C轴上的扭转振动是振源，那么根据连续展成加工原理，由于本次加工对象为直齿轮，Z轴与C轴之间并不存在联动关系，因而在Z轴上不应出现相应频率的振动，因此假设并不成立，横向振动方是振源。

Y轴出现振动后，受砂轮与齿轮接触力作用，C轴的转速波动也必然受Y轴振动的影响。值得关注的问题是C轴是否主动地跟踪了Y轴中200～600 Hz频率成分的横向振动。如果电子齿轮箱的频响足够高，则电子齿轮箱在检测到Y轴的波动信息后必然给C轴发出相应的跟踪指令，而让C轴跟踪如此高频率成分的振动可能会适得其反，即诱发C轴的失稳而恶化颤振。

3 振动、噪声数据分析

本次测试过程在砂轮主轴上配置了一套三向加速度传感器，同时采集了一路噪声信号。将振动数据与传动链数据进行了比较，变化趋势基本一致。

1）通过2-1加工过程的振动、噪声测试数据可以发现：a.加工过程中，振动、噪声谱图的主要成分皆为B轴转频及其倍频；b.X方向振动量＞Y方向振动量＞Z方向振动量；c. 在加工的第三刀末和第四刀出现振动幅值突然增大，通过时频分析可知，此时，幅值的主要贡献者为600 Hz（转频的9倍频），并且600 Hz是在第三刀末突然出现。

2）根据2-2振动测试数据可以发现：a.加工过程中，主要是转频和转频的各个倍频出现；b.X方向振动量＞Y方向振动量＞Z方向振动量；c. 在加工的第三刀末和第四刀出现振动幅值突然增大，通过时频分析可知，此时，幅值的主要贡献者为933 Hz（转频的14倍频），并且933 Hz是在第三刀末突然出现，第四刀幅值达到最大。

3）2-3加工数据分析。用相同的方法分析了在加工过程X、Y、Z方向振动。根据2-3振动测试数据可以发现：a.加工过程中，主要是转频和转频的各个倍频出现；b.X方向振动量＞Y方向振动量＞Z方向振动量；c. 在加工的第三刀末和第四刀出现振动幅值突然增大，通过时频分析可知，此时，幅值的主要贡献者为400 Hz（转频的6倍频）、799 Hz（转频的12倍频）和1200 Hz（转频的18倍频），并且在第四刀末这3个频率都出现了边频。

4）2-4加工数据分析。用相同的方法分析了加工过程X、Y、Z方向振动和噪声信号。根据2-4振动测试数据可以发现：a.加工过程中，主要是转频和转频的各个倍频出现；b.X方向振动量＞Y方向振动量＞Z方向振动量；c.在加工过程中未发现明显的振动。

综合2-1、2-2、2-3、2-4的振动、噪声数据分析可知：a.加工过程中的振动、噪声以B轴转频及其倍频为主；b. X方向振动量＞Y方向振动量＞Z方向振动量；c. 从时域图可以看出，随着参数Y轴连续位移的逐渐增大，振动加速度幅值逐渐增大；d. 异常振动主要发生在齿轮磨削量较大时。

4 故障推理

磨削加工过程中的振动可分成自激振动与强迫振动两类，其中强迫振动指的是机械结构在外来激励持续作用下的振动，而自激振动则是结构系统在没有受到周期性激振力的作用时，由系统自身激发反馈而产生的周期性振动，简称颤振。

磨削颤振是齿轮磨削加工的一类常见振动形式，在已开展的大量研究工作中，再生效应被认为是磨削过程自激振动的主要原因。再生型颤振是20世纪50年代由美国学者R.S.Hahn首先提出的，该理论认为磨削自激振动是存在表面波纹的工件或者砂轮进行磨削加工时，波纹再生引起的。相对于切削颤振，自激磨削颤振更为复杂[7]，已有研究表明大多加工过程的颤振问题都与机床结合面有关。

在出现振动异常后，确定振动类别，对后续处理至关重要。结合图1可以较好地区分强迫振动、工件表明再生效应颤振与砂轮表面再生效应颤振，其机理如下：对于强迫振动而言，由于加工过程中砂轮的不平衡质量及系统的支撑刚度不会发生太大改变，因此在加工过程中将会保持稳定。对于磨削颤振而言，由于再生效应很可能同时对工件和砂轮表面施加影响[8]，因此如何区分这两种类型的颤振是难点。由于颤振在工件表面与砂轮表面的演变过程存在很大差异，因此可以利用该项特性来区分这两种颤振：1）作用于加工工件表面再生效应的加速度过程极快，这类自激振动受所设定的加工参数约束；2）由于砂轮表面的高耐磨阻抗性能，砂轮表面的波纹演变过程要慢得多，进一步地，相应的自激振动可用于砂轮的使用状态评估，以决定是否需要重新修形。

通过之前传动链和振动信息的分析，可以确认导致噪声异常的自激振动主要频率成分集中在200～600 Hz，强迫振动主要源于砂轮主轴的转频及低阶倍频，结合图1可以对加工过程传动链数据中各轴运动信息进行滤波处理，分别提炼出强迫振动与自激振动成分并观察其演变趋势。从图2可以发现，在粗加工过程中，Y轴与Z轴方向的强迫振动基本保持稳定（图中的3个突跳为X轴进刀信号），反之，图3则显示200～600 Hz的演变趋势与现场噪声的演变规律一致，说明自激振动是导致异常噪声的主要原因，进一步地，即使使用新砂轮，自激振动的演变时间特点也与此一致，因此怀疑加工工件表面振纹是导致再生效应的主导因素。

图1 三种颤振形式

图2 2-1全过程各轴强迫振动（10～200 Hz）趋势

图3 2-1全过程各轴自激振动（200～600 Hz）趋势

对颤振的形成机理解释如下：对于新加工的齿轮工件，诱发表面振纹的先决条件是工件表面须有振纹，这个过程应该发生在粗磨的第一刀和第二刀工序中，影响因素则可能是砂轮主轴的强迫振动或者结构共振，这一点可从2-1测试数据中第一刀加工过程Y轴的位置波动中（图4、图5）得到验证，尽管此时还未有异常噪声，但是仍然可以发现较为明显的400 Hz及466.7 Hz振荡。工件表面形成振纹，意味着具备再生型颤振的诱发条件，这也是在第三刀或者第四刀程序而非第一刀程序出现此类颤振的原因。

图4 2-1第一刀Y轴速度波动频谱

图5 2-4第一刀Y轴速度波动频谱

上述机理的推导过程同样可以很好地解释2-4加工过程中为何没有出现异常噪声，图5是2-4加工第一刀过程中的Y轴运动速度和波动谱图，相比图4400 Hz以及466.7 Hz成分要小得多，因而无法在工件表面形成明显的振纹，故而并未激发后续颤振。对比2-1和2-4可发现，X轴的进刀量是影响颤振的一个重要因素，其根本原因在于磨削作用力与进刀量之间存在正比关系。

5 结论与处理方案

5.1 诊断结论

1）工件表面的再生效应引起的颤振，是导致粗磨时出现异常噪声的主导因素；2）可以排除B轴的转速波动对异常噪声的影响。

5.2 处理方案

1）重新编制磨削工艺参数，四刀粗磨将X轴单次进给量由0.1 mm改为0.06 mm，半精磨和精磨进刀量保持0.06 mm、0.05 mm不变，砂轮转速为4000 r/min。2）测试C轴加工过程的电流信号，分析C轴在磨削加工过程中是否主动跟踪颤振频率，如确认跟踪则可通过电气控制参数的调整，取消C轴的跟踪动作，提高系统稳定性。