磨削加工砂轮振动分析和防治

研磨者 · 发表于 2007-12-6 10:51:24

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用砂轮进行磨削加工是制造机械零件的常用方法，也是比较复杂的受力过程和振动过程。振动是磨削加工过程中不可避免和十分有害的现象，它能够降低工件的精度和表面质量，严重情况下可导致砂轮的破裂和加工系统的破坏，所以减轻和防止振动是提高磨削质量的重要措施，振动产生的主要原因是：

磨削加工零件时，砂轮工作表面上的每颗磨粒相当一把具有负前角的微型刀刃，但由于每颗磨粒的形状不规则，导致磨削力的变化；
砂轮的偏心、不平衡、高速旋转和系统的弹性变形引起砂轮和加工系统的振动；
磨削加工系统内部振动(如动力部分的振动、传动部分的振动、支承部分的振动)和外部振动(外部振动源传给磨削加工系统引起的振动);
被磨削件的振动。

1 振动分析砂轮的不平衡是引起强迫振动的主要原因，也是比较容易检测的，故下面主要分析砂轮的不平衡引起强迫振动。如图1，设被加工件(零件)刚度非常大，显然砂轮在被磨削表面法向(x轴向)上的振动对工件的精度和表面质量影响最大，故主要研究x轴向的振动。如图2，砂轮由于不对称而产生不平衡，设不平衡部分集中于一点，其质量为m, m的旋转半径为r，则产生离心力为

F0=mrw2=mr(2pn/60)2 [td=1,1,10](1)

式中：w为砂轮的角速度(rad/s) ; n为砂轮的转速(r/min)。离心力F在x轴上的投影为Fx=sin(wt+b), b为初相位角。设系统静刚度为K，振动系统的运动方程为

[td=1,1,10](2)

方程解得

[td=1,1,10](3)

式中：wn为系统固有频率，wn=(K/m)剑琣=C/(2m)，C为阻尼系数；wd=(w2-a2)剑蛔枘岜葄=a/wn；频率比l=w/wn；q=arctan 2xl/(1-l2) ；v0为质点m初速度；x0为质点m初始位置在X轴上的投影

静变形d= [td]F0 [td=1,3]= [td]F0
	[td]
	k [td]mw2

[td=1,1,10](4)

稳态振动响应H= [td]d

	[(1-l2)2+(2xl)2]�

[td=1,1,10](5)

稳态振动响应H表明了磨削系统固有的振动特性，降低稳态振动响应，是减轻振动的十分有效措施。 2 振动的防治措施

图3 内圆磨削接杆图

[td=1,1,201]

图4 接杆悬伸长度L与砂轮稳态振动响应H之间的关系

提高磨削系统的动态特性
提高磨削系统的刚度由式(4)、式(5)可知，提高磨削系统的刚度K , 可显著降低稳态振动响应H。由于受空间位置和几何尺寸的限制，内圆磨床接杆一般是细而长(如图3) ，降低了接杆的刚度，是引起振动的主要原因。在M2110A 内圆磨床上磨削一零件内孔，零件是淬火钢，孔径是50.4Omm ，选用内外径分别是6mm 、30mm陶瓷结合剂平行砂轮，砂轮转速14,400r/min , 工件转速20Or/min ，图4表明了内圆磨床接杆悬伸长度L与砂轮稳态振动响应H之间的关系，显然，L愈大，磨削系统的刚度K愈小，砂轮稳态振动响应H愈大。
增加磨削系统的阻尼和避开共振区由式(5)可知，提高磨削系统的阻尼，可显著降低稳态振动响应H 。磨床上大部分阻尼产生于导轨面和连接面，在其导轨面上建立油膜，主轴采用滑动轴承支承，可显著提高磨削系统的阻尼。当振动频率w接近系统固有频率w0时，l≈1 , 系统发生共振，砂轮振幅剧增，应尽量避免。
采用减振装置 5 k9 d) Z! H' D& K4 W
, x9 s' t! b9 B$ A
图5 砂轮上装减振器
[td] ; _3 C, v, g7 M$ Q3 ?) Z, {图6 装减振器前后的幅频特性曲线
在M1040无心磨床上磨削直径为20mm 圆柱滚子零件时，其表面产生棱形波纹，经测试发现当振动频率为160～18OHz 时，磨头振幅最大，发生共振现象。对磨头进行激振试验时发现，系统固有频率为17lHz ，为降低系统固有频率，在无心磨床砂轮主轴外端安装阻尼减振器(如图5) ，减振器的外壳与砂轮主轴刚性连接，附加质量滑套在减振器的轴上，外壳与附加质量之间充满具有一定阻尼的液压油。装上减振器后，经测试，发现系统固有频率降为105Hz ，系统稳定性显著改善，零件质量也大为改善(如图6)。* g% f" _/ ^! ~2 d6 ?9 j8 a
5 a6 N4 `+ J) K& ~, Z* h8 h2 S 图7 对砂轮进行修整前后的振幅
及时清理砂轮磨削表面某厂在磨削一台阶长轴时，开始时磨削效果较好，一段时间后产生较强振动现象，经仔细检查，发现砂轮表面阻塞，用金刚笔修整后，振动明显减轻(如图7)。总之，振动是磨削加工中常见现象，也是一个复杂的物理过程，它严重影响了零件质量。特别是随着技术的发展，磨削加工朝高速高质量方向发展，磨削加工中防振更显重要。

hmily2008 · 发表于 2008-8-28 11:04:34

图呢？怎么没有啊呵呵

huajun · 发表于 2008-9-27 06:19:47

能不能把图补上？

wg7188 · 发表于 2008-10-23 09:25:54

是呀！为什么没图

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