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。

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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。

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·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。

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3 結論和采取的
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