变速磨削的磨削颤振抑振措施

张鉴

(黄冈职业技术学院，湖北黄冈438002)



变速磨削的磨削颤振抑振措施

张鉴

(黄冈职业技术学院，湖北黄冈438002)

摘要:磨削加工过程中产生振动将降低工件加工质量，它不仅影响磨削加工进行正常，还使加工工件表面质量严重降低，砂轮和机床的使用寿命也会减少，通过分析磨削中振动产生原因，提出磨削中可采用变速磨削及工艺条件适配法等措施减少磨削中振动。

关键词:磨削加工;颤振;变速磨削

磨削加工是机械制造中一种重要的加工方法，工件加工工艺主要是安排在半精加工和精加工阶段，在工件加工过程中砂轮是磨削的切削工具，切削加工过程由砂轮表面大量随机分布的磨粒对工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用。在磨削加工过程中产生的振动不仅影响磨削加工正常进行，还将严重降低工件加工表面的质量，降低机床和砂轮的使用寿命，同时加工过程会有振动而产生较大的噪声，噪声的产生会影响工人的工作情绪。磨削加工中的颤振是一种非常有害的现象，一旦发生轻则工件报废、刀具损坏;重则导致设备损坏，其发生过程分为平稳磨削阶段，颤振蕴育阶段和颤振爆发阶段，它将影响产品加工质量和机床切削效率。通常为了减小振动都采用减小加工的进给量的措施，但这降低了生产效率，因此在磨削加工过程中要分析振动产生的原因，采用相应消振措施，以保证磨削的加工质量提高生产率。

1　磨削加工过程中的颤振产生及特点

磨削加工过程在无外力周期的作用下，系统内部相互作用反馈及激发而生成稳定的振动周期即自激振动，简称“颤振”。一般认为属于再生自振，因磨削力在通常磨削时有随机性，则它的成分中具有此薄弱环节的固有频率，砂轮和工件相对振动开始发生时，此振动使动态磨削力产生，二次激振被引起，即称再生激振。此种激振力相对于薄弱系统环节而言，基本上频率接近固有频率的强迫振动，故振幅将会于一定条件下扩大且原波纹与此波纹相位差接近于π/2。颤振的特点主要有:

(1)颤振是不衰振动，能引起振动本身某种力变化呈周期性，通过此种力的变化振动系统获得补充能量，这样振动能够维持和继续，颤振相当于具有负阻尼的稳定的自由振动。

(2)颤振频率接近于或等于系统固有频率，其振幅和频率都不受外界干扰，取决得于系统本身参数。

(3)颤振的振幅大小，以及振动本身能否产生决定于每一振动周期内，对比系统获得的与消耗的能量。如果所获能量大于所消耗能量，则振幅将不断增大;反之将不断减小，当获得的能量与消耗的能量相等时，系统状态稳定。当任何数值时振幅获得能量都比消耗的能量小于，则颤振就不可能产生。

(4)颤振是在没有外界周期性激振力的条件下产生的，其持续和形成是因本身过程产生的反馈和激振作用，因此若切削停止，其内部激振力消失，颤振也随之消失。因此，可以认为颤振相当于有系统内部激振力而引起的强迫振动。

2　磨削加工中的颤振形成原因分析

磨削加工过程中影响工件加工质量的主要振动形式有两种，即强迫振动和颤振，强迫振动是因砂轮偏心和不平衡所造成，加工磨削过程中要消除偏心和不平衡，通过整形和平衡多次可以避免振动影响。另一种振动是颤振，机械加工按颤振形成机理分摩擦型、振型耦合型和再生型三种形式，磨削加工主要是再生型颤振。在切削过程中由于偶然的扰动(材料硬点、加工余量不均匀等)使工艺系统开始振动，工件表面出现振纹，当工件在下一转或下一次切削时在该处切下厚度不一的切屑，使切削力变化呈周期性，其频率为此前生成的振动频率，当谐振发生时切削力变化将新的振动激发，波形表面形成从而产生再生颤振［1］。

2.1砂轮表面再生型颤振

按照砂轮表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度分，容易脱落称为软砂轮，不容易脱落为硬砂轮，磨削加工过程根据加工工件材料及工艺要求进行选择，在加工过程中若选用软砂轮，多角形磨耗会出现在砂轮外圆上，若磨削加工时用硬砂轮，砂轮外圆上会有等间隔的阻塞条纹生成。发展下去，两种现象都会导致颤振，因砂轮的修整条件、磨耗及动态不平衡，机床结构动态特性及磨削条件都给颤振的振幅加大及发生带来影响，对外圆磨削时会于工件表面有密集的直线型条纹形成，若继续使用砂轮时，不均匀的间隔磨耗会逐渐在表面形成，同时加工表面恶化，振幅增大，颤振噪声将发生。

2.2工件表面再生型颤振

在磨削前工件上道工序残留在表面的加工波纹及在磨削加工中不同程度有振动幅值残留在工件表面，前一转在表面上所映的起伏波纹，幅值于下一次的磨削中改变，称此种改变为工件再生效应。外圆磨削时在一般磨削条件下工件再生效应较小，则工件再生型振动由此效应产生的也发生很少，一般工件再生颤振在磨削开始阶段发生。

2.3扭转振动对磨削颤振的影响

轧辊驱动装置驱动时力偶矩未形成，轧辊旋转单点拨动造成不平衡的轧辊转动，轧辊辊肩与磨床托架托瓦表面没有接触好，轧辊偏心转动会使颤振形成，出现颤振时存在一变动的力，它让砂轮或工件的扭转振动的存在形成变动力矩，随工件砂轮速度变化磨削中的磨削力矩也变化。

3　颤振的抑振措施

影响颤振发展和产生的因素在磨削过程中主要有:砂轮及特性，磨床系统刚度，磨削工艺参数，工件的结构及材质等。延缓和抑制磨削颤振发展能使工件表面磨削质量提高，使砂轮的修整周期延长。其消振主要采取工艺条件适当配置，改变磨削过程中砂轮转速、工件转速及磨削进给速度等措施。

早在隆庆四年(1570)，徐渭在给好友、礼部右侍郎诸大绶(1523-1573，字端甫，号南明，绍兴山阴人)的《书启》中就说过：“……每及诸公，相与举手加额曰：‘亏却礼部工部’。或添寸烛，不觉屈指再陈云：‘莫忘老张新张。’……盖明公之拨不肖，如圣众取经于西极，历百艰而务了一心；不肖之答明公，如贫僧拜忏于荒庵，有赞叹而无供养。兹念罔极，何以为情！”[1]1295文中的礼部即礼部侍郎诸大绶，工部即时任工部营缮司主事的陶幼学(1521-1611，字子行，明绍兴会稽人)，老张即张天复、新张即张元忭。“不肖之答明公，如贫僧拜忏于荒庵，有赞叹而无供养”，徐渭在文中表达对这四位同乡官员救援自己的感激之情。

3.1变速磨削抑制磨削颤振

变速磨削就是在磨削过程的某段时间内或整个过程，人为地改变砂轮与工件的进给速度或瞬时转速比［2］。

1)变砂轮转速

砂轮和磨床组成系统有一定的振动固有周期，颤振频率不同对应不同大小的颤振增长率，在磨削过程中由于再生颤振的作用为闭环反馈，因此变速磨削就是让砂轮转速改变使磨削颤振不在最大颤振增长率对应的频率下振动，使最大颤振增长率会大于变速磨削期间颤振增长率，从而对颤振增长延缓或抑制。

2)变进给速度

磨削过程中发生颤振的频率在所对应敏感模态的固有频率附近。不同的进给速度使颤振发生也有不同临界频率，对进给速度不断改变，使变化时间间隔小于形成颤振时间，让颤振得以抑制。

3)变工件转速

磨削中工件切削时前一转出现波纹，砂轮将在有波纹的表面后一转时切削且工件表面产生新波纹。以前后两次波纹的情况将对振动产生不同的作用，具体情况见表1。

表1　前后两次波纹对振动产生的作用

颤振频率在正常磨削过程中变化不断，而颤振波形中会含有多个频率分量，因此颤振激发和抑制区于实际磨削中非一成不变。同一工件速度下，颤振频率的变化一会在抑制区，一会又在激发区。不同频率分量的颤振激发区和抑制区间在多种频率分量下交叉存在。则变速磨削的频率、幅度在某一时间内适当使磨削系统避开颤振激发区，达到比恒速磨削好的确效果。

3.2采取工艺条件适配法

一方面变速磨削要附加调速装置，变速磨削时另一方面通过驱动电动机电流很大，这就对电动机、功率放大器、电路的热载能力要求较高，因此我们加强适配工艺条件。根据工件的材质和结构磨削加工要合理确定所用磨削参数及砂轮的特性，可在一定生产率的重要任务下保证和防止产生磨削颤振，同时磨削表面质量得以提高。砂轮特性对磨削过程稳定性影响的主要是砂轮硬度，工件材质性能对磨削过程稳定性影响主要是工件的硬度和强度，实践证明砂轮硬度和工件材质硬度越高，相应越容易发生颤振，因此磨削较硬工件时选择较软砂轮;磨削较软工件时选择较硬砂轮，这样可以减少磨削加工的颤振［3］。

4　结论

通过对磨削过程产生振动原因的分析，磨削过程中主要有强迫振动和颤振，强迫振动砂轮偏心和不平衡是主要原因，所以可通过整形交替和多次平衡方法来对振动消除。磨削加工主要体现在再生型颤振，其产生振动主要有砂轮表面再生型颤振、工件表面再生型颤振及扭转振动对颤振产生影响，因此磨削过程中可以采取变速磨削及工艺条件适配法等措施，可以明显减少磨削中振动使磨削加工劳动生产率及加工质量提高，同时使砂轮延长了的使用寿命。

参考文献:

［1］王海珍，李玉平.机械加工中振动分析及控制措施［J］.机械制造与研究，2008，(12).

［2］黄志坚，高立新，廖一凡，等.机械设备振动故障监测与诊断［M］.北京:化工工业出版社，2010.

［3］候静强，李震杰，梁瑞容，等.浅谈磨削加工中的振动［J］.中国科技信息，2008，(22).

［编校:杨琴］

Vibration Suppression Measures of Grinding Chatter based on Variable Speed Grinding

ZHANG Jian
(Huanggang Polytechnic College Huanggang Hubei 438002)

Abstract:In the process of grinding，vibration will be reduced.It will not only affect the grinding process，but also reduce the service life of the machined surface and reduce the vibration.

Key words:grinding; chatter; speed grinding

作者简介:张鉴(1971－)，男，湖北黄冈人，讲师，工学硕士，研究方向为应用电子。

收稿日期:2016－01－12

中图分类号:TG580.6

文献标识码:A

文章编号:1671－9654(2016)01－040－03