砂轮振动的分析和防治

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。

图1 磨削振动模型

图2 砂轮的不平衡

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=mrω2=mr(2πn/60)2 (1)

式中：ω为砂轮的角速度(rad/s) ; n为砂轮的转速(r/min)。

心力F在x轴上的投影为Fx=sin(ωt+β)，β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

式中：wn为系统固有频率，wn=(K/m)½，a=C/(2m)，C为阻尼系数；wd=(w2-a2)½；阻尼比z=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= F0 = F0 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

1）提高磨削系统的动态特性

a. 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。

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

b. 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ω接近系统固有频率ω0时，λ≈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

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5 砂轮上装减振器

图6 装减振器前后的幅频特性曲线

3) 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)。

图7 对砂轮进行修整前后的振幅

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。 (end)