王丹　董應(yīng)明　羅慶豐　王瓊

摘要：根據(jù)平面磨床的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，分析磨削波紋的特征。用試驗(yàn)的方法對(duì)砂輪——工件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和分析，尋找產(chǎn)生磨削波紋的主要原因并提出解決方案。

關(guān)鍵詞：磨削波紋；主軸回轉(zhuǎn)誤差；振動(dòng)位移；直線度

1.概述

作為機(jī)械加工方法之一的磨削加工，能提高零件的尺寸精度以及得到較小的表面粗糙度。但在磨削過(guò)程中常常會(huì)在工件表面留下磨削波紋，這些波紋的出現(xiàn)，往往是切削顫振作用的結(jié)果——在砂輪和工件間產(chǎn)生振動(dòng)位移所致。

磨削表面波紋度的定義：磨削加工過(guò)程中主要由于機(jī)床—工件—砂輪系統(tǒng)的振動(dòng)而在零件表面上形成的具有一定周期性的高低起伏[1]。

本文針對(duì)某磨床企業(yè)生產(chǎn)的平面磨床磨削試件后，在試件表面留下黑白相間的條狀波紋。對(duì)此，在機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)及加工狀態(tài)下，以磨削系統(tǒng)（磨床—砂輪—工件系統(tǒng)）為對(duì)象，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.波紋的特征

該波紋均為黑白相間的條狀暗波紋，與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向垂直，并貫穿整個(gè)切削試件的表面，分布均勻。逆光觀看，波紋尤為明顯。改變主軸轉(zhuǎn)速或工作臺(tái)進(jìn)給速度，波紋間距也隨之改變。圖1為該磨床磨削試件后在其表面產(chǎn)生的波紋。

3.原因分析（試驗(yàn)）

波紋產(chǎn)生的原因多而復(fù)雜，例如砂輪不平衡、砂輪修整不正確、工作臺(tái)進(jìn)給不穩(wěn)地（時(shí)走時(shí)?；蛩俣葧r(shí)快時(shí)慢）、主軸振動(dòng)過(guò)大、主軸回轉(zhuǎn)誤差過(guò)大、主軸剛度不足等，但最終反映在砂輪與工件之間的相對(duì)振動(dòng)上。

針對(duì)上述均可能造成試件表面波紋的因素，通過(guò)磨削系統(tǒng)（磨床—砂輪—工件系統(tǒng)）的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而找出產(chǎn)生波紋的原因。

3.1 動(dòng)平衡

在試驗(yàn)前，對(duì)磨頭——砂輪系統(tǒng)進(jìn)行多次動(dòng)平衡，平衡內(nèi)容包括磨頭電動(dòng)機(jī)、帶輪、主軸及所有回轉(zhuǎn)件，并校正。平衡后剩余不平衡量所引起的振動(dòng)位移峰峰值為0.0012mm。該值小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求值0.004mm。在每次磨削前，均由磨削加工經(jīng)驗(yàn)豐富的師傅修整砂輪。因此，砂輪的不平衡和修整問(wèn)題在本文中不是主要問(wèn)題，不做進(jìn)一步的分析。

3.2 工作臺(tái)進(jìn)給穩(wěn)定測(cè)試

該磨床床身導(dǎo)軌為雙V型導(dǎo)軌，采用傳統(tǒng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)，在液壓缸兩端有緩沖裝置，換向過(guò)程平穩(wěn)。用Renishaw激光干涉儀測(cè)量工作臺(tái)空運(yùn)轉(zhuǎn)及磨削工件的運(yùn)動(dòng)特性。測(cè)量結(jié)果圖2及圖3所示：

圖2 為工作臺(tái)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的位移—時(shí)間圖，圖3為磨削工件（切削寬度80mm、切削深度0.05mm）時(shí)工作臺(tái)的位移—時(shí)間圖

從圖2和圖3可以看出，工作臺(tái)移動(dòng)位移與時(shí)間成線性關(guān)系，無(wú)爬行產(chǎn)生，這表明工作臺(tái)在空運(yùn)轉(zhuǎn)及工作狀況下運(yùn)行平穩(wěn)。因此可以排除工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致砂輪和工件之間產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)的因素。

3.3 主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)量[2]

該磨頭主軸軸承使用的是高精度的滾動(dòng)軸承。主軸靜止時(shí)，用手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，測(cè)量主軸前端的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，實(shí)測(cè)值分別為0.003mm和0.004mm。

為了驗(yàn)證磨頭及砂輪系統(tǒng)是否是產(chǎn)生磨削波紋的原因，測(cè)量了不同工況下主軸的回轉(zhuǎn)誤差。

測(cè)量設(shè)備和方法簡(jiǎn)介：

在圖4中，測(cè)量芯棒通過(guò)專用夾具安裝在磨床主軸上，調(diào)整高精度測(cè)量球，使其徑向跳動(dòng)小于0.005mm。S1、S2和S3均為非接觸式電容傳感器，分辨率為0.0001mm，測(cè)量精度為0.0005mm。S1和S2互為90°且與主軸回轉(zhuǎn)軸線在徑向上垂直，負(fù)責(zé)主軸徑向數(shù)據(jù)的采集；S3與主軸回轉(zhuǎn)軸線一致垂直于軸線方向，負(fù)責(zé)軸向數(shù)據(jù)的采集。S1左邊的傳感器為非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)量范圍1～100000r/min。如圖5所示。

測(cè)量球跟隨主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，S1、S2和S3分別把測(cè)量到的徑向和軸向數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)采集裝置中，轉(zhuǎn)速傳感器同時(shí)把轉(zhuǎn)速信號(hào)也輸入到數(shù)據(jù)采集裝置。由相應(yīng)軟件計(jì)算出誤差值并繪制回轉(zhuǎn)誤差圖。如圖6、圖7所示。

測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備符合ASME B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers的相關(guān)要求。

徑向和軸向數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2和表3。

采集表1數(shù)據(jù)時(shí)的工作狀況描述如下：傳感器支座置于主軸箱體上，與主軸形成相對(duì)位置關(guān)系。測(cè)量主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)、主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)及工作臺(tái)移動(dòng)（未磨削工件）、主軸磨削工件時(shí)的徑向誤差和軸向誤差。

傳感器支座置于安裝床身的地基上，形成主軸相對(duì)與地的位置關(guān)系。測(cè)量主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)、主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)及工作臺(tái)移動(dòng)（未磨削工件）、主軸磨削工件時(shí)的徑向誤差和軸向誤差。

分析圖6和圖7得知：主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)和磨削工件時(shí)，主軸軸心線的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相同，主軸軸心線運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有因?yàn)槟ハ鞫l(fā)生改變。

分析表1中的數(shù)據(jù)，磨頭——砂輪系統(tǒng)在不同的工況下，徑向回轉(zhuǎn)誤差和軸向誤差均為0.007mm，沒(méi)有因?yàn)槟ハ鞫淖兤湔`差值。表明該系統(tǒng)不存在問(wèn)題。

分析表2數(shù)據(jù)并對(duì)比表1數(shù)據(jù)，主軸徑向誤差增加了0.002mm，而軸向誤差增加了0.006mm，說(shuō)明磨頭和工件之間產(chǎn)生了相對(duì)位移，在軸向增加的位移較大。改變了它們之間的正確磨削關(guān)系，是導(dǎo)致工件加工表面產(chǎn)生波紋的重要因素。

分析表3數(shù)據(jù)，和表2數(shù)據(jù)基本接近，說(shuō)明工作臺(tái)相對(duì)于磨頭產(chǎn)生的位移量貢獻(xiàn)不大。

再分析機(jī)床結(jié)構(gòu)，磨頭通過(guò)螺紋緊固在機(jī)床的小拖板上，小拖板通過(guò)導(dǎo)軌付與機(jī)床橫梁連接，橫梁緊固在機(jī)床立柱上。

測(cè)量結(jié)論：

綜上所述，磨頭（小拖板）相對(duì)于工作臺(tái)發(fā)生了相對(duì)振動(dòng)位移。而產(chǎn)生位移的原因還需作進(jìn)一步的分析。

3.4 磨頭在主軸軸線方向的絕對(duì)振動(dòng)

把壓電加速度計(jì)在主軸箱體沿主軸軸線方向固定，測(cè)量其在軸線方向的絕對(duì)振動(dòng)位移值，并做幅值譜分析，見(jiàn)圖8。

圖8中，測(cè)量得到的磨頭在主軸軸線方向的絕對(duì)振動(dòng)位移值為6.8μm，與在主軸轉(zhuǎn)誤差測(cè)量中得到的軸向誤差值較為接近，該振動(dòng)頻率為6.9Hz。表明磨頭（小拖板）存在沿主軸軸線方向低頻搖晃。

3.5 小拖板沿橫梁導(dǎo)軌移動(dòng)的直線度[3]

用自準(zhǔn)直儀測(cè)量小拖板沿橫梁移動(dòng)在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的直線度[3]，測(cè)量結(jié)果如下：

水平方向直線度為：0.007mm.任意300mm上為0.003mm；

垂直方向上的軸直線度為：0.053m， 任意300mm上為0.024mm；中凸。

小拖板移動(dòng)方向與主軸軸線方向平行，由于導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)向上凸起，使得小拖板與橫梁導(dǎo)軌付的接觸，在理論上為點(diǎn)接觸，導(dǎo)致小拖板沿移動(dòng)方向不停的搖晃，形成了磨頭與工件之間的相對(duì)振動(dòng)位移，使得磨削工件時(shí)在工件表面產(chǎn)生磨削波紋。

4.解決方案

對(duì)橫梁導(dǎo)軌重新磨削，使得小拖板移動(dòng)的直線度由中凸變?yōu)橹邪?。磨削時(shí)工件上明暗相間的條紋消失了，提高了工件的表面質(zhì)量，解決了磨削波紋。

5.總結(jié)

抓住機(jī)床、刀具和工件在加工過(guò)程中的相互作用這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)理論和試驗(yàn)認(rèn)真分析，逐一排除非主要因素，問(wèn)題迎刃而解。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB/T 9924-1999 磨削表面波紋度

[2]AN AMERICAN NATIONAL STANDARD ASME B5.54-2005 Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers

[3]中華人民共和國(guó)進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.1-1998 機(jī)床檢驗(yàn)通則第1部分：在無(wú)負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度

基金項(xiàng)目：云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011FB127）。