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磨削加工砂輪振動分析和防治

時間:2011-05-26 08:09:48 來源:未知
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圖1 磨削振動模型
圖2 砂輪的不平衡
用砂輪進行磨削加工是制造機械零件的常用方法，也是比較復雜的受力過程和振動過程。振動是磨削加工過程中不可避免和十分有害的現象，它能夠降低工件的精度和表面質量，嚴重情況下可導致砂輪的破裂和加工系統的破壞，所以減輕和防止振動是提高磨削質量的重要措施，振動產生的主要原因是：
  1. 磨削加工零件時，砂輪工作表面上的每顆磨粒相當一把具有負前角的微型刀刃，但由于每顆磨粒的形狀不規則，導致磨削力的變化；
  2. 砂輪的偏心、不平衡、高速旋轉和系統的彈性變形引起砂輪和加工系統的振動；
  3. 磨削加工系統內部振動(如動力部分的振動、傳動部分的振動、支承部分的振動)和外部振動(外部振動源傳給磨削加工系統引起的振動);
  4. 被磨削件的振動。

1 振動分析

砂輪的不平衡是引起強迫振動的主要原因，也是比較容易檢測的，故下面主要分析砂輪的不平衡引起強迫振動。如圖1，設被加工件(零件)剛度非常大，顯然砂輪在被磨削表面法向(x軸向)上的振動對工件的精度和表面質量影響最大，故主要研究x軸向的振動。
如圖2，砂輪由于不對稱而產生不平衡，設不平衡部分集中于一點，其質量為m, m的旋轉半徑為r，則產生離心力為 F0=mrw2=mr(2pn/60)2 (1)
式中：w為砂輪的角速度(rad/s) ; n為砂輪的轉速(r/min)。
離心力F在x軸上的投影為Fx=sin(wt+b), b為初相位角。設系統靜剛度為K，振動系統的運動方程為   (2)
方程解得   (3)
式中：wn為系統固有頻率，wn=(K/m)½，a=C/(2m)，C為阻尼系數；wd=(w2-a2)½；阻尼比z=a/wn；頻率比l=w/wn；q=arctan 2xl/(1-l2) ；v0為質點m初速度；x0為質點m初始位置在X軸上的投影
靜變形d= F0 = F0#p#分頁標題#e# k mw2
(4) 穩態振動響應H= d [(1-l2)2+(2xl)2]½
(5)
穩態振動響應H表明了磨削系統固有的振動特性，降低穩態振動響應，是減輕振動的十分有效措施。

2 振動的防治措施


    圖3 內圓磨削接桿圖
    圖4 接桿懸伸長度L與砂輪穩態振動響應H之間的關系
  1. 提高磨削系統的動態特性
    1. 提高磨削系統的剛度
      由式(4)、式(5)可知，提高磨削系統的剛度K , 可顯著降低穩態振動響應H。由于受空間位置和幾何尺寸的限制，內圓磨床接桿一般是細而長(如圖3) ，降低了接桿的剛度，是引起振動的主要原因。在M2110A 內圓磨床上磨削一零件內孔，零件是淬火鋼，孔徑是50.4Omm ，選用內外徑分別是6mm 、30mm陶瓷結合劑平行砂輪，砂輪轉速14,400r/min , 工件轉速20Or/min ，圖4表明了內圓磨床接桿懸伸長度L與砂輪穩態振動響應H之間的關系，顯然，L愈大，磨削系統的剛度K愈小，砂輪穩態振動響應H愈大。
    2. 增加磨削系統的阻尼和避開共振區
      由式(5)可知，提高磨削系統的阻尼，可顯著降低穩態振動響應H 。磨床上大部分阻尼產生于導軌面和連接面，在其導軌面上建立油膜，主軸采用滑動軸承支承，可顯著提高磨削系統的阻尼。
      當振動頻率w接近系統固有頻率w0時，l≈1 , 系統發生共振，砂輪振幅劇增，應盡量避免。
  2. 采用減振裝置

    圖5 砂輪上裝減振器
    圖6 裝減振器前后的幅頻特性曲線
    在M1040無心磨床上磨削直徑為20mm 圓柱滾子零件時，其表面產生棱形波紋，經測試發現當振動頻率為160～18OHz 時，磨頭振幅最大，發生共振現象。對磨頭進行激振試驗時發現，系統固有頻率為17lHz ，為降低系統固有頻率，在無心磨床砂輪主軸外端安裝阻尼減振器(如圖5) ，減振器的外殼與砂輪主軸剛性連接，附加質量滑套在減振器的軸上，外殼與附加質量之間充滿具有一定阻尼的液壓油。裝上減振器后，經測試，發現系統固有頻率降為105Hz ，系統穩定性顯著改善，零件質量也大為改善(如圖6)。

    圖7 對砂輪進行修整前后的振幅