DITTEL 動(dòng)平衡系統(tǒng)在磨床中的應(yīng)用
2017-3-8 來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司 作者：潘賜鈺
摘要：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 Dittel 內(nèi)置式動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理、構(gòu)成以及在 JUNKER 曲軸雙砂輪磨床上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：Dittel；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(zhǎng)、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 ~ 0.6 μm 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(chǎng)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
上汽通用五菱發(fā)動(dòng)機(jī)工廠曲軸線使用了德國(guó)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)極小；如果使兩個(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 DITTEL 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(zhǎng)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 DITTEL System control center
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。
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