发布时间：2024-05-06 来源：网络
冰球突破游戏盘形高速磨削砂轮系统平衡精度研究1 修世超，刘健 东北大学机械工程与自动化学院，沈阳（110004 ） E-mail: shchxiu@ 摘 要：盘形高速砂轮系统的不平衡离心力对加工系统的安全性和加工质量影响很大，它不 仅使机床主轴及支撑单元受到方向不断变化的径向力的作用而加速失效，还会引起机床振 动，降低加工精度和砂轮的耐用度，甚至可能造成安全事故。本文对高速转子平衡精度和等 级及其对磨削性能的影响进行了理论分析，并深入讨论了超高速砂轮系统的不平衡因素，研 究超高速砂轮系统平衡精度的评价与选择方法，分析讨论了盘形高速和超高速磨削砂轮动平 衡技术原理和意义。 关键词：砂轮，平衡精度，高速/超高速磨削 中图分类号：TH 161 1. 引言 提高盘形高速砂轮系统的动平衡精度是实现高速磨削加工的关键技术要求。高速砂轮系 统的不平衡离心力不仅影响机床的加工性能、使用寿命和工件加工质量，还会造成砂轮的破 裂而影响安全生产。因此，必须优化高速盘形砂轮的结构和尺寸，合理规定和评价砂论系统 的平衡精度，适时对砂轮系统进行动平衡处理，以实现更高速度下的高效率、高精度的磨削 加工过程。 2. 盘形高速砂轮系统不平衡因素分析 2.1 高速转子平衡精度表示方法 机械系统中具有固定旋转轴的部件,称为转子。旋转时本身变形可以忽略的转子,称为刚 性转子。如果一个转子的质量均匀分布,制造和安装过程都很理想,则运转是平稳的,理想状况 下,其对轴承只有静压力,这种转子成为平衡转子。如果转子在旋转时对轴承除有静压力外, 还有附加动压力,则称为不平衡的转子[1] 。实际上, 由于设计误差、材料缺陷、加工与装配误 差等原因，不平衡转子是普遍存在的。 参照高速转子的平衡精度标准，使用中高速加工工具系统平衡精度评价方法常采用不平 衡量和平衡精度等级这两种指标来进行评价。 （1）不平衡量ϕ 。设转动件质量为m ，质心与转动中心的偏心为e ，则该转动件的不 平衡量ϕ 为 ϕ e =×m (1) 由式（1）可知，不平衡量ϕ与转动件的转速无关。转动件存在不平衡量的后果是产生离心 力并引起系统振动。转动件离心力与不平衡量ϕ关系为 F ϕω2 （2 ） （2 ）平衡等级G 。由于转动件不平衡产生的离心力与转动件的角速度ω有关，因此定 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（ ）的资助。 - 1 - 义另一个与角速度ω有关的评价平衡精度的参数，即平衡等级 G G e=×ω （3 ） 离心力与平衡等级G 的关系为 F mGω (4) （3 ）不平衡量ϕ与平衡等级G 的关系可表示为 ϕ Gm / ω (5) 2.2 盘形高速砂轮系统不平衡因素分析 盘形高速砂轮系统平衡精度主要与系统的质量、刀具的转速以及刀具的偏心量有关，这 些因素与刀具系统的设计、制造、装配和工作状态密切相关。在高速砂轮系统中，旋转体的 不平衡会产生一个大小与转速成平方关系的附加的离心径向载荷[2]，对安全性和加工质量带 来不利的影响。在兼顾经济性要求的基础上，可采取如下措施来减小或消除各种因素对砂轮 系统平衡精度的影响： （1）在设计过程中消除不平衡因素。在砂轮系统中,造成砂轮系统某些不平衡因素可以 通过改进设计或选择砂轮合理的安装组合形式而得到纠正,使得砂轮系统尽量设计成对称结 构。由于离心力的大小与砂轮质量成正比，优化砂轮结构,特别是砂轮基盘截形，尽量减小 砂轮系统的质量，最大限度地减小砂轮系统的不平衡量,从而减小产生的离心力。 （2 ）制造过程中，避免砂轮基盘材料和磨料在冶炼、烧结及热加工中出现的金相组织 缺陷,如夹砂、裂纹、气孔等,并提高砂轮的制造精度，减小砂轮的尺寸误差、形位误差。 （3 ）砂轮系统装配时多个零件组合的累积误差产生的径向偏移,会影响系统的平衡性， 如每次锁紧和放松时锁紧元件位置的变化,更换砂轮时砂轮在主轴上的重复安装误差等。提 高装配技术，减小装配误差，装配过程中合理操作，适时修正，提高砂轮系统定心精度。 （4 ）磨削过程中，由于机械，物理和化学作用会造成砂轮磨损、磨粒的脱落、破裂， 以及砂轮的堵塞粘附等会对系统的平衡性产生一定影响。合理采用调整平衡的方法来修正不 平衡因素的影响,提高刀具系统的平衡精度。 3. 高速盘形砂轮系统平衡精度等级评价 在实际加工过程中，并不是平衡等级越高越好，因为过高的平衡精度，会增加制造成本。 因此在实际加工过程中确定合理的平衡等级是十分必要的。 3.1 平衡等级 G 参数对不平衡离心力的影响 对于旋转体的平衡，国际上采用的标准是ISO1940-1 ，用于评估刚性旋转体的平衡状况。 在标准中，用 G 参数的数字量对刚性旋转体进行分级。G 的数字量分级从G 0.4 到 G 4000 。 G 后面的数字越小，平衡等级越高。G 后面的数字表示每单位旋转体质量允许的残余不平衡 量，单位为 g⋅mm/kg 。通常机床可以使用的等级按逐步提高精度的顺序为 G 1.0——超精加工的平衡指标； G 2.5——高精度和有特殊平衡要求的加工的平衡要求； G 6.3——般精度加工的平衡指标。 实际工作中，国际上一般根据标准 ISO1940-1 的 G 等级标准得到不平衡量ϕ - 2 - 9549Gm ϕ (6) n max 式中 m ——刀具系统质量； n —— 刀具系统最大使用转速。 max 由式（2 ）可以推得 2 ⎛ n ⎞ F ϕ⎜ ⎟ (7) ⎝9549 ⎠ 如果分别取砂轮平衡等级参数为 G2.5 、G6.3 和 G10，砂轮质量为 20kg ，砂轮转速 10000r/min， 在磨削用量和其它参数一定时，砂轮的不平衡量和砂轮所受的离心力如表 1 所示。 表 1 不同平衡等级下的ϕ和 F 值 Table 1 ϕand F value of different G parameter 平衡等级参数 G 不平衡量ϕ （g⋅mm ） 离心力 F (N) 2.5 47.5 52.7 6.3 130.2 132.96 10 190.8 290.45 根据离心力计算公式，离心力的大小与砂轮质量成正比，如分别选取砂轮的质量为 15kg、20kg 、25kg ，平衡等级为 G6.3，砂轮转速为 10000/min，其它参数不变。根据式（6 ） 和式（7 ），砂轮不平衡量和所受的不平衡离心力大小见表2 所示 表 2 不同砂轮质量下的ϕ和 F 值 Table 2 ϕand F value of different m 砂轮质量 m （kg ） 不平衡量ϕ （g⋅mm ） 离心力 F （N ） 15 90.24 98.97 20 120.32 132.96 25 150.40 164.94 由以上结果可以看出，随着平衡等级 G 参数以及砂轮质量的增加，砂轮的不平衡量成 正比增大，砂轮所受离心力也不断增加。因此，砂轮的最大等效应力和最大变形量也将大幅 度增加，这对于在高速加工中的砂轮的使用是非常不利的。 3.2 CBN 砂轮系统平衡精度的合理评价 目前,针对旋转刀具系统尚没有专门的平衡标准, 一般都采用国际标准 ISO1940-1 设定 的 G 参数等级来评定,但各国、各刀具制造厂家和用户采用的标准往往不完全统一。由于该 标准不是专为机床刀具系统制定的,而主要是用于刚性旋转体。这样,使用一个固定的 G 等级 [3，4] 参数作为刀具平衡指标往往不够合理 。 根据式（6 ）可以看出,在给定的 G 等级和转速条件下,刀具质量的增加相应地增加了允 许的不平衡量,即降低了平衡要求。但在实际磨削加工中，砂轮越重,平衡性要求应该越高。 因此，必须制定适合高速/超高速磨削技术特征的砂轮平衡精度标准。Sandvik 公司则认为, - 3 - 对于刀具系统的平衡,没有一个统一的标准在各处都适用,应根据实验的方法来确定刀具的平 衡质量。对于高速旋转刀具系统来说,不平衡量当然是越小越好,但确定平衡精度,除了要考虑 [5] 加工质量要求外,还要考虑刀具的的制造成本 。 4. 高速/超高速磨削砂轮的动平衡技术 实际应用中根据加工条件和经验选取高速/超高速砂轮的平衡精度。在制造和装配好砂 轮后，检测其不平衡量和偏移位置，然后根据动平衡原理反复检测和调整，以达到最满意的 平衡结果。 为保证加工质量、工艺系统性能以及安全因素，对于高速超高速磨削，砂轮系统的在线 自动平衡尤为重要，即使存在很小的不平衡量，在高速超高速工作条件下，将会产生很大的 不平衡离心力会使机床产生振动。实际加工中的砂轮自动平衡系统一般由振动传感器，振动 控制器和平衡头组成，通过振动传感器检测砂轮旋转时不平衡量引起的振动信号并进行数据 处理，以确定不平衡量的大小和相位，然后通过振动控制器控制跟随砂轮高速旋转和平衡头 内的校正质量，实现对不平衡量的平衡补偿。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统 主要有液体式，气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上重要组成部分，是 保证产品加工质量，充分发挥超高速磨床生产能力及提高机床使用寿命的重要因素，美国、 日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。 德国 Hofmann 公司生产的一种砂轮液体式自动平衡装置并在高速及超高磨床上得到广 泛的应用[6]，该平衡系统由以下几部分组成：检测和控制单元、和放大器集成的压电振动传 感器、环状储液腔、四喷嘴喷射系统、阀座及冷却液过滤系统等。和微机相连的电子测量和 控制单元能自动测量磨床的振动行为，因此，在运行过程中，不需要手动校正和调整。平衡 系统所有组成部分均由微机控制，一旦工作失效，诊断系统将发出停止信号。砂轮不平衡量 u 是通过冷却液补偿的（图 1），冷却液被喷射到环状储液腔中，平衡量k 可分解为 v 和 v ， 1 2 振动传感器被固定在主轴承上以检测不平衡量的大小，而不平衡量的位置是通过相位发生器 检测的，通过电子检测和控制单元所检测的不平衡量相应地通过控制 v1 和 v2 的补偿量来平 衡，控制单元控制电磁阀将经过过滤的冷却液喷射到平衡头内，实现系统的平衡。该平衡系 统即可手动控制，也可自动控制。 图 1 不平衡质量与补偿质量矢量图 Figure 1 Vectorgraph of unbalance and compensate mass - 4 - 5. 结论 盘形 CBN 高速和超高速砂轮的设计、制造、装配和使用过程都会影响砂轮的平衡精度， 因此除了对高速和超高速砂轮系统实施动平衡以外，还要对砂轮进行合理的设计、制造、装 配和使用，以消除其对砂轮平衡精度的影响。现行的高速转子的平衡精度标准不完全适用于 盘形高速砂轮系统，因此应结合高速和超高速磨削的技术特征，制定砂轮平衡精度等级，同 时还应根据实际加工条件和技术要求对砂轮系统适时进行动平衡处理，以保证机床和砂轮的 加工性能。 参考文献 [1] 刘战强,艾兴. 高速切削刀具的动平衡[J],新技术新工艺,2001(11):18-20. 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The evaluation and selection for the balance precision grade of high and super high speed grinding wheel were studied. Furthermore, it was analyzed for balancing technology and its principle of high and super high grinding wheel. Keywords ：grinding wheel，balance precision ，high and super high speed grinding - 5 -
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