柯曉龍,黃海濱,劉建春
(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,福建廈門(mén) 361024)
精密磨削是系統(tǒng)工程。磨床要實(shí)現(xiàn)精密加工與一系列要素相關(guān)。影響磨床加工精度的因素,即磨床的加工誤差源主要包括:磨床整機(jī)性能(如磨床剛度、各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)定位精度、主軸回轉(zhuǎn)精度、數(shù)控系統(tǒng)性能),磨削加工條件(如砂輪精度、磨削工藝及工件特性)以及磨削環(huán)境(如振動(dòng)、溫度、濕度、壓力)等[1-2]。
磨削加工過(guò)程中的振動(dòng)容易使砂輪在加工過(guò)程中產(chǎn)生工件表面的振動(dòng)波紋和形狀誤差,從而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降,并加劇砂輪的磨損[3-4]。即使是細(xì)微的振動(dòng),對(duì)精密磨削加工的表面質(zhì)量的影響也是非常大的[5-6]。因此,在磨削過(guò)程中應(yīng)盡量避免振動(dòng)的產(chǎn)生,并對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè),以便發(fā)現(xiàn)振源,進(jìn)而消除或降低振動(dòng)的干擾。
本文出于對(duì)磨削加工過(guò)程進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)的考慮,尋找磨削過(guò)程的振動(dòng)根源,分析其振動(dòng)特性和影響機(jī)理,并提出相應(yīng)可行的減振措施,以提高和改善磨削表面質(zhì)量。
要進(jìn)行磨削振動(dòng)監(jiān)測(cè),首先判斷振動(dòng)的來(lái)源。以下以自主開(kāi)發(fā)的MGK7160平面磨床為例來(lái)進(jìn)行磨削振源分析。
圖1、2分別為MGK7160磨床的主機(jī)和外圍輔件實(shí)物。該磨床主要用于大尺寸光學(xué)非球面元件的精密磨削加工,整機(jī)采用立柱移動(dòng)式臥軸矩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,床身工作臺(tái)與立柱的連接為T(mén)字形布局,X軸采用液態(tài)靜壓導(dǎo)軌技術(shù)。磨床外圍采用“液壓油/冷卻水恒溫系統(tǒng)”的溫度控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削加工環(huán)境的恒溫控制。其中,液壓油恒溫系統(tǒng)利用油冷卻機(jī)對(duì)液壓油實(shí)行循環(huán)冷卻,避免靜壓導(dǎo)軌的液壓油因高壓高速摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱;冷卻水恒溫系統(tǒng)通過(guò)水冷卻機(jī)對(duì)磨削液進(jìn)行恒溫冷卻。
圖1 MGK7160磨床實(shí)物
總的來(lái)說(shuō),磨削加工的振源包括內(nèi)部振源和外部振源。其中,內(nèi)部振源是由加工系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)干擾源,主要包括:① 主軸、砂輪等回轉(zhuǎn)零部件旋轉(zhuǎn)工作引起的振動(dòng),如主軸制造和安裝誤差引起的偏心及跳動(dòng),砂輪制造、安裝誤差以及磨損引入的不平衡振動(dòng);②機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng),如電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn),電機(jī)軸和主軸安裝偏心,聯(lián)軸器質(zhì)量偏心等。而外部振源則通常是指機(jī)床外部引入的振動(dòng)干擾源。其主要由2部分組成:①外部設(shè)備工作產(chǎn)生的振動(dòng),如液壓站、油冷卻機(jī)、水冷卻機(jī)等外圍輔件的振動(dòng)傳遞給磨床主機(jī);②周?chē)h(huán)境的振動(dòng)干擾。
圖2 MGK7160磨床外圍輔件
綜合分析內(nèi)外部振源的實(shí)際情況,對(duì)MGK7160磨床影響較大的振源主要是砂輪主軸的偏心振動(dòng)、主軸電機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)和液壓站的液壓泵工作引入的振動(dòng)等。當(dāng)磨削加工環(huán)境存在振動(dòng)干擾時(shí),振動(dòng)波紋就會(huì)被映射到加工件上,從而對(duì)加工質(zhì)量造成影響(圖3)。
圖3 磨削加工的振動(dòng)示意圖
為了進(jìn)行磨削加工的振動(dòng)監(jiān)測(cè),同時(shí)考慮到測(cè)量的便攜性和靈活性,本文采用“數(shù)據(jù)采集儀+加速度傳感器”的測(cè)量方式,利用PC機(jī)、USB數(shù)據(jù)采集儀、電荷放大器、加速度傳感器等搭建了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其工作原理圖如圖4所示,振動(dòng)加速度傳感器放置在需要測(cè)量的位置上,采集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器放大之后由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行初步處理,并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào),然后將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而完成振動(dòng)特性分析與評(píng)價(jià)。
圖4 磨床的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖
圖5為利用該振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在MGK7160磨床上進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)物。數(shù)據(jù)采集儀選用成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司開(kāi)發(fā)的IDTS4516數(shù)據(jù)采集儀。該采集儀集成16通道并行同步采集,并采用USB接口的數(shù)據(jù)通訊方式,可以滿足振動(dòng)監(jiān)測(cè)需要。
由于精密磨床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)一般比較微弱,而且所受外界干擾振源的頻率通常較低,因此要選擇低頻、高靈敏度的傳感器。本系統(tǒng)選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的CA-YD-109A壓電加速度傳感器,并選用YE5853A電荷放大器作為壓電加速度傳感器的前置放大器。
圖5 磨床的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物
根據(jù)前面對(duì)振源的分析,MGK7160磨床的振動(dòng)來(lái)源相對(duì)較復(fù)雜,既有內(nèi)部振源(如主軸回轉(zhuǎn)偏心、各進(jìn)給軸電機(jī)振動(dòng)等),也包含外部振動(dòng)干擾(如液壓站振動(dòng)、油冷卻機(jī)振動(dòng)、恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)等)。為了便于研究各個(gè)振動(dòng)因素對(duì)磨床加工造成的影響,以下選取幾個(gè)有代表性的振源做進(jìn)一步的分析。
砂輪主軸的振動(dòng)是磨削加工最大的誤差源之一。主軸的質(zhì)量偏心、主軸與聯(lián)軸器的同軸度誤差、砂輪的安裝與磨損造成的偏心等都是引起砂輪主軸振動(dòng)的關(guān)鍵因素[7]。砂輪主軸振動(dòng)通??梢杂檬?1)的微分方程來(lái)表示。
其中:c為砂輪主軸與支持系統(tǒng)之間的阻尼;k為砂輪主軸支撐剛度;m為砂輪主軸質(zhì)量;F為砂輪不平衡造成的離心力;x為砂輪主軸位移;ω為砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由式(1)可得方程的特解:
由式(2)可知:砂輪主軸振動(dòng)的頻率與砂輪旋轉(zhuǎn)頻率相同,而振幅大小則與離心力F、阻尼c、質(zhì)量m、砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω等都有關(guān)。
為了反映砂輪主軸的綜合振動(dòng)影響,測(cè)量了砂輪外罩的振動(dòng)并加以分析,得出圖6所示的振動(dòng)結(jié)果。從圖6(b)的幅值譜可知:振動(dòng)信號(hào)中含有頻率約為201.77 Hz和220.22 Hz的振動(dòng)形式??紤]到實(shí)際的磨削環(huán)境沒(méi)有這么高的振動(dòng)頻率,因此有可能是實(shí)際振動(dòng)頻率被系統(tǒng)的固有頻率載波到高頻處。對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析,如圖6(c)所示,最高譜峰約等于18.3 Hz。該頻率與磨床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率18.33 Hz(1100 r/min)很接近,因此判斷該振動(dòng)是由砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的。
將砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)停止,單獨(dú)將主軸電機(jī)風(fēng)扇打開(kāi),并關(guān)閉其他振動(dòng)干擾源,以測(cè)量主軸電機(jī)風(fēng)扇的振動(dòng)干擾。圖7所示為主軸電機(jī)風(fēng)扇的振動(dòng)情況。由圖中的幅值譜可以看出:振動(dòng)能量主要表現(xiàn)為80~160 Hz頻段內(nèi)的噪聲信號(hào),且振動(dòng)幅值很小。因此判斷主軸電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)加工表面光潔度有一定的干擾,但對(duì)磨削振紋的影響不大。
圖6 砂輪主軸振動(dòng)分析
圖7 軸電機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)分析
將液壓站打開(kāi),讓液壓泵電機(jī)處于工作狀態(tài),并關(guān)閉砂輪主軸和其它振動(dòng)干擾源,測(cè)量液壓站振動(dòng)情況下的主軸振動(dòng)。由圖8所示的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可知:由于隔振地基的存在,作為輔助設(shè)備的液壓站對(duì)加工的影響就減弱到很小的數(shù)量級(jí),且其噪聲表現(xiàn)為寬頻噪聲,因此可以忽略不計(jì)。
圖8 液壓站振動(dòng)分析
綜合以上情況分析,可以判斷:
1)磨床的振動(dòng)干擾主要集中在砂輪主軸部分。為了保證砂輪主軸在加工狀態(tài)下的不平衡量最小,需要提高主軸、砂輪的制造精度及裝配精度,降低回轉(zhuǎn)偏心引起的振動(dòng)。砂輪安裝前的靜平衡調(diào)整、砂輪磨損時(shí)的精密修整、砂輪工作時(shí)的砂輪動(dòng)平衡實(shí)時(shí)測(cè)量與校正也都是控制砂輪振動(dòng)的有效途徑。
2)主軸電機(jī)風(fēng)扇、液壓站振動(dòng)等對(duì)磨削加工雖然有一定的干擾,但影響相對(duì)較小。采用具有油冷系統(tǒng)的主軸電機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主軸風(fēng)扇電機(jī),可進(jìn)一步抑制主軸電機(jī)振動(dòng)。在外部振源的控制上,則可以通過(guò)遠(yuǎn)離來(lái)消除振動(dòng)源,采用隔振地基或隔振元器件來(lái)減弱外部振動(dòng)(如液壓站振動(dòng)、恒溫冷卻系統(tǒng)振動(dòng)等)傳入磨床加工系統(tǒng)。圖9為MGK7160磨床采用的隔振地基設(shè)計(jì)。
圖9 MGK7160磨床的隔振地基
對(duì)加工環(huán)境的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)和預(yù)防內(nèi)外部振源對(duì)磨削加工的影響,從而控制并提高加工精度。本文通過(guò)采用“數(shù)據(jù)采集儀+加速度傳感器”的振動(dòng)測(cè)量手段,搭建了精密磨削的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)MGK7160磨床關(guān)鍵振動(dòng)源的振動(dòng)特性及其影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。從振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,該系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)磨床加工環(huán)境的振動(dòng)監(jiān)控,以便進(jìn)一步消除其振動(dòng)干擾,從而為精密磨削創(chuàng)造有利的加工環(huán)境。
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