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磨削加工砂轮振动分析和防治

时间:2011-05-26 08:09:48 来源:未知
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图1 磨削振动模型

图2 砂轮的不平衡
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:
  1. 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;
  2. 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;
  3. 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);
  4. 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 (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   (2)
方程解得   (3)
式中:wn为系统固有频率,wn=(K/m)½a=C/(2m),C为阻尼系数;wd=(w2-a2)½;阻尼比z=a/wn;频率比l=w/wnq=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= F0 = F0#p#分页标题#e# k mw2
(4) 稳态振动响应H= d [(1-l2)2+(2xl)2]½
(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

    图4 接杆悬伸长度L与砂轮稳态振动响应H之间的关系
  1. 提高磨削系统的动态特性
    1. 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。
    2. 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。
  2. 采用减振装置

    图5 砂轮上装减振器

    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)。

    图7 对砂轮进行修整前后的振幅