邱 波

（無(wú)錫機(jī)床股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 無(wú)錫 214061）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于磨床零件和部件制造加工精度不符合設(shè)計(jì)要求、回轉(zhuǎn)體本身的不平衡、液壓系統(tǒng)中油液的波動(dòng)、周期切削力等引起磨床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，其激起的磨床部件之間的相對(duì)振動(dòng)幅值將影響加工工件的精度，如圓度、表面粗糙度等。磨床系統(tǒng)的絕對(duì)振動(dòng)幅值通常是大于砂輪和工件之間的相對(duì)振幅的，雖然這不會(huì)嚴(yán)重影響加工精度，但是當(dāng)絕對(duì)振幅較大時(shí)，會(huì)引起用戶的不安，產(chǎn)生不安全感，從而影響磨床的銷售。因此，磨床振動(dòng)的研究應(yīng)該建立在對(duì)實(shí)際磨床進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)量的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)其中的振動(dòng)特征，找出規(guī)律，為機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本公司進(jìn)行磨床振動(dòng)試驗(yàn)主要有兩方面的目的：①拾取振動(dòng)幅頻譜圖，以便于進(jìn)行頻譜分析；②獲取機(jī)床振動(dòng)瀑布圖，分析磨頭主軸最佳磨削轉(zhuǎn)速。

1 試驗(yàn)設(shè)備的選用

本公司使用的振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備是比利時(shí)LMS公司生產(chǎn)的Test．Lab振動(dòng)噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)，其中，Spectral Testing是專門設(shè)計(jì)用來(lái)進(jìn)行振動(dòng)譜分析的軟件模塊，Signature Testing信號(hào)特征測(cè)試分析模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集所有轉(zhuǎn)速下的頻譜曲線，配上丹麥BK公司的速度傳感器及轉(zhuǎn)速信號(hào)傳感器，使得試驗(yàn)效率大幅提高。

2 試驗(yàn)方法及譜分析

磨床振動(dòng)試驗(yàn)主要有兩項(xiàng)內(nèi)容：①空運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)；②機(jī)床磨削狀態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)。普通機(jī)床的主軸、電動(dòng)機(jī)等主要回轉(zhuǎn)體經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡后，其絕對(duì)振動(dòng)的幅值會(huì)很小而不足以影響精度，可以不必考慮空運(yùn)轉(zhuǎn)的絕對(duì)振動(dòng)。但由于磨床的精密性，其刀具為磨削砂輪，而砂輪存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題，該因素對(duì)磨床振動(dòng)是非常敏感的。此外，空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)的頻譜分析有助于分析引起振動(dòng)的原因。

2．1 整機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

整機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱伺鍣C(jī)床內(nèi)部存在的強(qiáng)迫振動(dòng)振源的狀況，即強(qiáng)迫振動(dòng)的振源可能在哪些環(huán)節(jié)，它們對(duì)加工表面振紋的影響是怎樣的。首先，分別開動(dòng)機(jī)床上各電機(jī)，測(cè)量工件與砂輪之間的相對(duì)振動(dòng)和各部件的絕對(duì)振動(dòng)的振動(dòng)幅值，拾取幅頻曲線。

如圖1所示，當(dāng)機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)在一倍頻64Hz處出現(xiàn)最大振動(dòng)峰值68．6×10－6m／s時(shí)，一定是由于磨床砂輪旋轉(zhuǎn)不平衡的慣性力和機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中的干擾力所引起。在早期的機(jī)床振動(dòng)研究中，振幅值一般選取位移值，單位為μm，這樣雖然比較直觀，但不能正確反映機(jī)床振動(dòng)的激烈程度。通常在做試驗(yàn)時(shí)，我們更關(guān)心機(jī)床振動(dòng)的激烈程度，即機(jī)床振動(dòng)烈度，該參數(shù)能夠完全反映出機(jī)床振動(dòng)的狀態(tài)。振動(dòng)烈度的單位為m／s，是一個(gè)速度單位。雖然通過(guò)數(shù)學(xué)微積分，用軟件的方法可以在各單位之間轉(zhuǎn)換，但經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，軟件計(jì)算方法產(chǎn)生的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件計(jì)算方法，因此，現(xiàn)代振動(dòng)試驗(yàn)中通常選用速度傳感器就是這個(gè)原因。

2．2 切削試驗(yàn)

切削試驗(yàn)是檢查機(jī)床實(shí)際工作的性能，此時(shí)強(qiáng)迫振動(dòng)與自激振動(dòng)同時(shí)存在，因此，要從這兩個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)分析：①對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)，可以根據(jù)加工表面的振痕頻率分析機(jī)床中的振源，也可以采用不同的切削條件來(lái)改變激振力大小以測(cè)定機(jī)床的抗振能力；②對(duì)于自激振動(dòng)，可以測(cè)出自激振動(dòng)的頻率，并可以求出開始起振時(shí)的臨界磨削參數(shù)。

圖1 磨頭X方向振動(dòng)譜圖

2．2．1 受迫振動(dòng)振源分析

工件表面的振紋頻率f（Hz）為：

其中：z為振紋數(shù)目；n為工件轉(zhuǎn)速。

根據(jù)圓度儀測(cè)得的振紋數(shù)目可以計(jì)算出振紋頻率，該振紋頻率與實(shí)際磨削時(shí)測(cè)得的最大振幅值所對(duì)應(yīng)的頻率是一致的。此頻率也出現(xiàn)在空運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的幅頻譜圖上。

2．2．2 自激振動(dòng)頻率的判斷

磨削時(shí)兩類振動(dòng)同時(shí)存在，為求自振頻率，應(yīng)減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)的干擾。自激振動(dòng)的產(chǎn)生一般是根據(jù)特有的噪聲、振幅的劇烈上升和工件表面出現(xiàn)的振痕來(lái)判斷的。自激振動(dòng)的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)某一階的固有頻率接近，與外界振源無(wú)關(guān)，如果改變磨削量，其振動(dòng)頻率不會(huì)發(fā)生變化。

通過(guò)分析機(jī)床振動(dòng)頻譜圖，了解了機(jī)床在某一轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)狀態(tài)。為了了解砂輪主軸的振動(dòng)情況，我們?cè)谠蓄l譜圖的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)新的維度，即速度軸。這樣，就形成了振動(dòng)瀑布圖，如圖2所示。通過(guò)提取一階頻率下轉(zhuǎn)速與振幅的關(guān)系曲線，得到圖3。經(jīng)分析可知，砂輪主軸在1 462r／min具有較小的振動(dòng)烈度，有良好的磨削效果。

瀑布圖為我們提供了一個(gè)印證頻譜圖的手段。通過(guò)對(duì)瀑布圖橫切，獲得了這一轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，這與譜分析得到的結(jié)果互相印證，增加了數(shù)據(jù)分析的可靠性。

3 減小振動(dòng)的方法

3．1 振動(dòng)的隔離

隔振有兩種方法，主動(dòng)隔振是防止機(jī)床的振動(dòng)傳給地基；被動(dòng)隔振是防止振動(dòng)由地基傳給機(jī)床。主動(dòng)隔振其力學(xué)模型相當(dāng)于直接激振。

設(shè)振動(dòng)產(chǎn)生的位移為：

x＝Acos（ωt－φ）。

圖2 磨頭X方向振動(dòng)瀑布圖

圖3 磨頭一階轉(zhuǎn)速振幅關(guān)系圖

運(yùn)動(dòng)微分方程為：

mx″＋cx′＋kx＝Fcosωt。

作用在彈性基礎(chǔ)上的力是彈性力和阻尼力之和，即：

被動(dòng)隔振是干擾力作用在地基上，相當(dāng)于基點(diǎn)激

當(dāng)頻率比振。為使機(jī)床啟動(dòng)時(shí)共振峰不至過(guò)高，一般設(shè)置較大的阻尼比ζ＝0．5～0．8。

3．2 用減振器減少振動(dòng)

在機(jī)床上通過(guò)加裝彈簧阻尼吸振器，可使運(yùn)動(dòng)部件振幅減小50%。

3．3 改善機(jī)床部件的制造和裝配質(zhì)量以提高阻尼系數(shù)

材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的阻尼是很小的，內(nèi)圓磨床裝上滑板、車頭、磨頭后與單獨(dú)床身比，阻尼一般會(huì)增加7倍～8倍；適當(dāng)減小主軸間隙也可以提高系統(tǒng)剛性，因此，砂輪主軸裝配時(shí)要采用合適的間隙值，砂輪主軸軸承間隙減小0．03mm，振幅將相應(yīng)降低70%，系統(tǒng)阻尼則會(huì)增加70%。

4 小結(jié)

通過(guò)深入了解機(jī)床的振動(dòng)特性，掌握各轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)振動(dòng)的細(xì)節(jié)，使用多種手段獲得振動(dòng)頻譜圖，增加數(shù)據(jù)可靠性，從而使我們能夠更好地控制機(jī)床振動(dòng)，減小振動(dòng)對(duì)工件加工質(zhì)量的影響，提升磨床品質(zhì)，為國(guó)產(chǎn)磨床進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)磨床行列提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

［1］ 李舜酩，李香蓮．振動(dòng)信號(hào)的現(xiàn)代分析技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．

［2］ 聞邦椿，劉樹英，陳照波．機(jī)械振動(dòng)理論及應(yīng)用［M］．北京：高等教育出版社，2009．

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