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摘要：以MM52125 導軌磨床加工過程中的振動為對象．對其振動機理和相關的因素進行了理論分析，結合實驗找出了砂輪頭架主軸回轉剛度存在的問題，提出了消除振動的方法。

本文研究對象為一臺MM52125導軌磨床，該機床用砂輪圓周磨削時出現振動。磨削后的工件(C6120車床床身)的表面和溜板對研后出現明顯黑白相間的波紋。如圖1所示，波距t=26～32mm，工件斜導軌上比較明顯，波紋波距有時成倍增加。

1 磨削加工中的振動

機械加工是機床、刀具和工件在加工時相互作用、相對運動和相互影響的復雜過程。從被加工零件的形成過程知道，如果機床切削時，刀具與工件之間存在著振動，致使刀具與工件之間產生相對位移，改變了它們之間的正確關系，就會在加工表面留下波紋。

圖1 工件表面波紋示意圖

磨削過程中的振動，和一般的機械加工一樣，可以分為強迫振動、自激振動和混合顫振。強迫振動的特點是機床工藝系統中存在一激振源，其振動頻率和激振源頻率相等，和磨削量的大小無關。

自激振動的振幅和磨削用量相關，振幅隨磨削時間加長而增長，其頻率決定于機床—砂輪—工件系統的某些固有頻率(砂輪和工件不接觸情況下的頻率)。混合顫振的特征為振動頻率和強迫振動頻率一致，但振動幅度隨磨削用量的增加而增長比。

由于磨削加工的特殊之處，磨削顫振也比一般切削顫振復雜。實踐中，多數采用試湊法，即改變磨削參數，如砂輪品質或增加機床剛性來消除磨削顫振。

2 實驗內容、方法及結果

由前面分析可知，不同種類的振動起因和表現形式是不一樣的。強迫振動的特點是和切削用量無關，振動頻率和外激振動頻率一致。自激振動和切削用量密切相關，磨削深度越增大，它越易被激發，并隨磨削時間增加，振幅增大，頻率下降，最后穩定在系統某一固有頻率附近。混合振動是強迫振動和自激振動的藕合，它具有自激振動的特征，但振動頻率和強迫振動頻率一致。

1) 實驗內容

·工件表面波紋分析 目的是確定工件表面波紋的頻率分布和幅值大小，為其它測試工作提供依據，并用來評價最后效果。

·磨削試驗 由前面分析可知，砂輪連續磨削的時間、深度對各種振動的影響是不一樣的。所以，在不同條件下進行磨削試驗并測定振幅和頻率，以確定振動的類別。

·空運轉試驗 其目的是研究刀具和工件之間在空運轉時產生的相對振動頻率與磨削實驗中測得的振動頻率是否相關。

·激振試驗 該試驗是為了研究振動是和系統中那一階固有頻率相關而進行的。找出與磨削實驗中出現顯著的振動頻率相近的固有頻率，測定在這一固有頻率下的振型，可為機床結構改進提供依據。

2) 實驗方法和條件

工件表面波紋分析是針對已加工過的工件表面分析波紋出現的頻率。

磨削試驗是在工作現場對特制的試樣磨削，然后將試樣帶到實驗室經TALYSURF-6輪廓分析儀測量，經采樣作頻譜分析。
空運轉試驗是在機床空運轉的情況下采用壓力傳感器、動態電阻應變儀和光線記錄儀對機床靜壓導軌液壓系統的壓力脈動進行測量的。

電動機—砂輪系統的振動是由加速度計、磁帶記錄儀及信號分析儀組成的測量系統進行測量的。激振試驗是采用激振器、超低頻功率放大器和超低頻頻率特性測試儀組成的系統完成的。

3) 實驗結果和分析

·測量出工件運動速度為V工=42～46m/min，波距t=32～36mm，所以工件表面波紋頻率f為

f=V工/t=(42～46)×1000/(32～36)=19.4～24Hz

·試樣分析 試樣的磨削條件與磨削床身一樣。工作臺運動速度為45m/min，TALYSUBF-6輪廓分析儀測出的工件表面輪廓曲線如圖2。圖3為對試樣表面進行四次平均后計算出的頻譜。從圖2可以看到，試樣表面平面度小于12.7μm，對應頻率為20Hz的振紋幅值最大，為40Hz、60Hz處的兩倍。和前面用直接觀察工件表面得出的結論一致。

·由于是采用圓周磨削，磨削過程中用加速度計在砂輪主軸箱徑向拾振得到的功率譜圖如圖4。可以看到，在磨削深度不同的時候，都測到了一個19.52Hz的振動信號。在磨削深度為0.03mm和0.05mm時，圖4b、c出現了39.55Hz和59.048Hz的峰值。它們分別對應19.52Hz的二倍和三倍頻率。圖4c中的100.004Hz是由工頻電流引起的。

·靜壓導軌液壓系統的壓力脈動測試記錄如圖5。可以看到，除啟動時有一壓力沖擊外，系統壓力脈動很小，可以忽略。圖6是電動機一砂輪系統空運轉時，在砂輪徑向拾振所得的功率譜圖。可以看到，在頻率19.52Hz處有一峰值。

·圖7是工件—床身系統的激振頻譜圖。圖8是砂輪頭架和支承系統的激振頻譜圖。從圖可以看到，兩者的固有頻率遠遠高于工件的振動頻率。顯然，可以排除自激振動和混合振動的可能性。

3 結論和采取的措施

1) 診斷結論

圖3表明工件表面輪廓的頻譜在20Hz時有一峰值，這一點和對工件表面直接觀察得到的結論一致。從磨削過程中測得的砂輪振動功率譜圖4可以看到19.52Hz存在峰值，這一點和前面的結果相同，由圖6知，由于砂輪一電動機系統中的轉動不平衡對磨削工藝系統所產生的激振力的頻率也為19.52Hz。圖7表明工件及其支承系統的固有頻率為249.9Hz，圖8表明砂輪—電動機以及支承系統的徑向固有頻率為271Hz，它們和磨削中的振動頻率19.52Hz相差甚遠，即可以排除自激振動的可能性。由圖4可以看到，隨著磨削用量的增加，對應于19.52Hz的振動幅值沒有明顯變化，也可以排除混合顫振的可能。

由以上分析可知，導軌磨削的振動是由強迫振動引起的。強迫振動的振源是砂輪一電動機系統中不平衡的旋轉體高速轉動時產生的。經計算，電動機的轉動頻率為19.52Hz。這一點剛好和工件上的波紋頻率及前面的實驗結果相吻合。

2) 采取的措施

對砂輪做動平衡。由于磨削時砂輪的轉速很高，很小的偏心量就會產生較大的激振力。砂輪的不平衡是產生強迫振動的主要根源。這一點在機床行業里引起普遍重視。

提高砂輪軸的支承剛度。砂輪軸的支承剛度過低，會使得振動加劇，所以，支承砂輪軸的軸承間隙應在一定的范圍內。經檢查，由于磨損，砂輪軸前軸承的間隙量為0.04mm，遠遠超過了合適的間隙量。

圖9為對砂輪進行了平衡和將砂輪軸承間隙量調整為0.015mm后磨削過的工件表面。從圖可以看到波紋峰值下降了大約1/2，肉眼已看不到黑白相間的痕跡，產品達到出廠要求。

圖9 砂輪間隙調整后磨出的工件表面輪廓

本文根據磨削振動產生的機理，運用了現代設備故障診斷技術和理論分析相結合特點，深入地分析了強迫振動、自激振動和混合顫振對波紋度的影響。同時，專門制作了試樣對磨床進行了磨削加工試驗，空運轉和激振試驗。在考慮了液壓系統的壓力脈動對磨削過程的影響后，最后確定了砂輪一電動機系統的旋轉不平穩是磨削產生波紋的主要原因，指出了改進的途徑，解決了導軌磨削振動的問題。