潘賜鈺

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

DITTEL動(dòng)平衡系統(tǒng)在磨床中的應(yīng)用

潘賜鈺

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

使用砂輪磨削是機(jī)械加工的重要組成部分，砂輪主軸的動(dòng)平衡對(duì)保證磨削精度和磨削表面質(zhì)量以及主軸零件的壽命至關(guān)重要，而砂輪的制作工藝及裝配精度問題，存在各種各樣的不平衡，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量產(chǎn)生各種問題。通過分析砂輪不平衡的不同原因及危害，重點(diǎn)介紹了D itte l內(nèi)置式動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理、構(gòu)成以及在JU NK E R曲軸雙砂輪磨床上的應(yīng)用。

D itte l；不平衡；動(dòng)平衡；磨床

砂輪是磨削加工的必要工具，而砂輪是由大量形狀規(guī)則不均勻的顆粒粘結(jié)組成，因此制造工藝會(huì)引起砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一些無法避免的偏心振動(dòng)。在砂輪裝配過程中的砂輪偏心、砂輪與夾具的間隙、非同心的夾緊裝置、主軸的不平衡及加工中砂輪對(duì)冷卻液的吸附等，會(huì)使磨削中出現(xiàn)更大振動(dòng)。這些由砂輪制造或裝配不平衡引起的振動(dòng)將對(duì)高速磨削加工產(chǎn)生很大影響，會(huì)引起加工表面產(chǎn)生震紋及粗糙度不合格等質(zhì)量問題，同時(shí)還會(huì)使磨床主軸軸承壽命異常，增加砂輪的修整頻次及加速金剛修整輪的損耗等。

在目前的精密磨削加工過程中，為了提高效率和穩(wěn)定性常常采用CBN砂輪，其具有壽命長、膨脹系數(shù)小、表面質(zhì)量穩(wěn)定及磨削轉(zhuǎn)速快（>2 000 r/min）等在優(yōu)點(diǎn)[1]。而在高速磨削中砂輪本身及主軸產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)會(huì)制約高精密磨削的技術(shù)發(fā)展，因此砂輪的平衡在生產(chǎn)中有著重要的意義和廣泛的前景，如在汽車制造行業(yè)中的曲軸和凸輪軸磨削，表面粗糙度需要達(dá)到Ra 0.6以下，砂輪平衡精度（砂輪系統(tǒng)的偏心量）需要控制在0.4~0.6μm以下。所以砂輪保持動(dòng)態(tài)的在線動(dòng)平衡是高精密磨削加工中一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

目前的在線動(dòng)平衡系統(tǒng)主要有聲納動(dòng)平衡系統(tǒng)[2-3]及流體補(bǔ)償質(zhì)量自動(dòng)平衡系統(tǒng)。Dittel是市場上常用的動(dòng)平衡控制系統(tǒng)，應(yīng)用于各種磨床的在線平衡，對(duì)于提高機(jī)床的磨削效率及安全性具有重大意義，目前研究主要有其方法、理論，及其它方面應(yīng)用的一些介紹，本文主要結(jié)合上汽通用五菱發(fā)動(dòng)機(jī)工廠內(nèi)使用的JUNKER雙砂輪磨床上應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 砂輪不平衡原因及危害

砂輪不平衡產(chǎn)生的原因主要分為兩大類：一類是砂輪自身形狀或磨粒分布的不平衡；另一類是砂輪與其他部件裝配不平衡。如圖1~5所示，砂輪非圓、中心孔非球面、孔不對(duì)中心、表面平行、磨粒粘合不均勻等原因均會(huì)引起砂輪不平衡。

圖1 砂輪非圓

圖2 中心孔非球面

圖3 孔不對(duì)中心

圖4 表面不平行

圖5 磨粒粘合不均勻

砂輪在制造過程中可能形成形狀不規(guī)則或者磨粒分布不均勻的不平衡。此外，由于砂輪是由大量規(guī)則顆粒通過特殊工藝粘合而成，故表面顆粒的脫落和不定時(shí)的砂輪修銳過程也會(huì)形成新的不平衡。砂輪不平衡會(huì)造成對(duì)磨削的影響，常常出現(xiàn)工件的圓度、直線度和跳動(dòng)的超差。

砂輪在安裝的過程中，可能會(huì)因?yàn)樯拜喖皧A具間存在間隙、非同心或平面夾緊裝置、非同心錐體、不平衡的夾具、不平衡的主軸、不平衡的皮帶輪等多種原因?qū)е律拜喲b配不平衡，如圖6所示。

圖6 裝配不平衡

砂輪裝配不平衡，輕則導(dǎo)致砂輪在運(yùn)轉(zhuǎn)后出現(xiàn)振動(dòng)，磨削出來的工件表面有振紋；重則導(dǎo)致局部磨削量過大，造成砂輪崩角及工件斷裂等砂輪表面微粒及微孔在加工過程中對(duì)切削液吸附的不均勻，進(jìn)而引起砂輪的附加不平衡，這種附加的不平衡也無法用靜平衡消除，但該現(xiàn)象卻影響工件的圓度和粗糙度。

砂輪主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)也會(huì)造成砂輪不平衡的出現(xiàn)，如轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸承磨損，靜壓油膜異常，端部砂輪固定凸緣盤生銹或附著異物等。這些微小的變化在高精密磨床中如不加以考慮和控制，最后都會(huì)反映到磨削的工件上，造成批量的不合格工件。

2 自動(dòng)平衡原理

通常砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力為F=meω2，其中，F(xiàn)的大小與角速度ω的平方成正比，且v=ωr，當(dāng)砂輪直徑不變時(shí)，轉(zhuǎn)速v越快，則F越大；砂輪質(zhì)量m與偏心距e的乘積稱為砂輪的不平衡量，若要F的值最小，就需要增加額外配重平衡Σme=0，則F=0，另外如果想要精確地進(jìn)行砂輪平衡，除了出廠時(shí)要做靜平衡外，還要額外進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。砂輪先以低速啟動(dòng)，在小于700 r/min的轉(zhuǎn)速下達(dá)到平衡后，緩慢提高轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到工作速度時(shí)進(jìn)行外輪廓的修整，在多次輪廓形狀修整后達(dá)到平衡狀態(tài)，但此時(shí)加工中的振動(dòng)仍然存在，所以必須增加動(dòng)態(tài)平衡調(diào)整以提高加工過程中的平衡。

上汽通用五菱發(fā)動(dòng)機(jī)工廠曲軸線使用了德國的勇克（JUNKER）磨床，采用CBN砂輪，且在每一側(cè)砂輪主軸頭內(nèi)部都安裝有迪特爾（Dittel）動(dòng)平衡系統(tǒng)，用于在砂輪啟動(dòng)、磨削過程中動(dòng)態(tài)的監(jiān)控和調(diào)整砂輪的不平衡量，整個(gè)平衡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)精致小巧，集成在砂輪頭架內(nèi)，如圖7為砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖7 砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)

內(nèi)置式平衡頭安裝在砂輪主軸頭內(nèi)并隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡頭是由兩個(gè)分別驅(qū)動(dòng)偏心配重塊的小型永磁鐵直流電動(dòng)機(jī)組成，砂輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在砂輪基座上的振動(dòng)傳感器及主軸電機(jī)內(nèi)的速度傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心M6000，通過計(jì)算后濾波處理反饋給平衡頭內(nèi)的伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)配重塊以相同的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生產(chǎn)生一個(gè)合力與砂輪本身不平衡量合力方向相反，由于平衡頭與砂輪主軸同軸安裝，故此合力抵消為零，從而使整個(gè)砂輪處于平衡狀態(tài)，此時(shí)砂輪的振動(dòng)極?。蝗绻箖蓚€(gè)配重塊反向旋轉(zhuǎn)，隨著偏心質(zhì)量夾角變化，當(dāng)其與砂輪本身不平衡質(zhì)量相等時(shí)，即完成幅值補(bǔ)償。圖8為JUNKER磨床平衡系統(tǒng)的圖解。

圖8 DI TT E L砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)

3 機(jī)電式平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

用于磨床主軸的一套完整的機(jī)電平衡系統(tǒng)包括以下部分：平衡模塊M6000、自動(dòng)化系統(tǒng)或安裝了Windows操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人電腦和相應(yīng)的硬件（圖9）有：振動(dòng)傳感器、信號(hào)傳感器、接近開關(guān)、平衡單元、內(nèi)置或外置的信號(hào)接收器、連接線纜和延長線纜、DITTEL System control center軟件（圖10）等組成。

圖9 砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)

圖10 DI TT E L System controlcenter

4 砂輪動(dòng)平衡過程和程序控制

當(dāng)平衡頭與砂輪處于任一種相對(duì)的位置時(shí)，砂輪上的不平衡量將產(chǎn)生離心力，砂輪和平衡裝置的合力就會(huì)產(chǎn)生震蕩力，使砂輪架振動(dòng)，通過安裝在砂輪架上的震動(dòng)傳感器來測量砂輪偏心引起的振動(dòng)的大小，從而計(jì)算出砂輪的不平衡量大小，對(duì)檢測出的不平衡力由M6000數(shù)據(jù)處理單元判定是否在調(diào)整范圍以內(nèi)，是則執(zhí)行補(bǔ)償，否則報(bào)警。

相位調(diào)整過程，令偏心襯套和偏心輪產(chǎn)生的配重朝一個(gè)方向以相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，直至偏心襯套和偏心輪的質(zhì)心連心線相位相差180°，此時(shí)平衡裝置和砂輪不平衡產(chǎn)生的合力下降的變化使受迫振動(dòng)朝振幅減小的方向收斂，直至M6000數(shù)據(jù)處理單元接收到震動(dòng)傳感器測量的振幅小于設(shè)定的平衡值時(shí)，結(jié)束相位的調(diào)整。

平衡裝置的作用是通過調(diào)整偏心配重塊以抵消砂輪不平衡離心力。在砂輪未達(dá)到平衡狀態(tài)以前，程序持續(xù)運(yùn)行對(duì)平衡裝置進(jìn)行偏量調(diào)整。具體而言就是令偏心輪與偏心配重塊在相同的角速度下反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以此改變兩者的重心偏移，使得偏心輪配重塊產(chǎn)生的離心力與砂輪不平衡產(chǎn)生的離心力相互抵消。從震動(dòng)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，有效的調(diào)整應(yīng)使得讀數(shù)逐漸減小，直至收斂于某個(gè)最小值，此時(shí)砂輪達(dá)到了平衡狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文通過分析介紹砂輪的不平衡原因及危害，以及在工業(yè)應(yīng)用上使用DITTEL平衡系統(tǒng)去監(jiān)測及控制砂輪的平衡狀態(tài)，對(duì)機(jī)床的壽命和加工件的質(zhì)量有重要意義。

[1]蔡光起.磨削技術(shù)現(xiàn)狀與新進(jìn)展[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2000（5）：10-11.

[2]邢雨，于會(huì)龍，吳義華.聲納動(dòng)平衡系統(tǒng)在磨床上的功能應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新新產(chǎn)品，2012（24）：167-168.

[3]DITTEL-System AE600 Process Monitoring Module Installation and Operation Manual[Z].

The Application of DITTEL Dynamic Balance System in Grinding Machine

PAN Ci-yu
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Use grinding wheel is an important part machining，wheel spindle balancing vital to the life of grinding accuracy and surface quality and grinding spindle parts guaranteed，and the production process and assembly precision wheel problem，there are various all sorts of imbalance，resulting in parts of the surface quality of various problems. By analyzing different causes wheel imbalance and harm，this article focuses on the built-in balancing system Dittel principle，composition and application of the JUNKER dual CBN grinder machine.

dittel；unbalanced；built-in balance；grinder machine

T G580.2

B

1672-545X（2016）09-0143-04

2016-06-30

潘賜鈺（1988-），男，廣西貴港人，助理工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。