技术

1　机床噪声来源及特点

我国颁布的《金属切削机床通用技术条件》规定了机床噪声的允许标准。对于高精度机床,噪声不大于75dB (A) ;对于精密机床和普通机床,噪声不大于85dB (A) 。上述仅表明机床本身的质量水平,它是机床的空运转噪声。机床在实际使用中,除了机床空运转噪声外,还有很大的切削噪声。尤其对那些已经磨损的旧机床,在切削载荷的激发下,噪声更为强烈。图1为1台车床空运转和切削时的噪声频谱图。由图1中看出,在低频段,空运转噪声与切削噪声强度相近,在3kHz以上频段,切削噪声比空转噪声的声压级高10～20dB (A) 。切削过程形成的噪声是极其复杂的,一般它与切削的材料性质、切削用量和刀具有关,还与切削形式(连续、断续、崩裂)有关。当机床、刀具、夹具或工件的刚度不够时,则系统受切削力的激发或外界的影响就要发生振动并辐射出强烈的噪声。

切削噪声的一小部分直接在空气中传播,大部分是由刀具和工件分别传播,这是因为空气中的声阻抗远小于金属材料的,刀具和工件可传播不同的声波。通过刀具或工件传播的固体声,在机床系统中相互影响,并在容易辐射的部分产生二次辐射噪声,还可以通过基础及墙体结构进一步传播噪声。

2　机床噪声的控制对策[ 1～4 ]

机床噪声可分为空运转噪声和切削噪声2种。空运转噪声是由机床结构本身激发,它与机床的结构形式、机械传动系统的布置、传动件的设计、公差配合的选用、工艺方法和安装质量等因素密切关系。切削噪声是在一定切削条件下产生的,其中包括了刀具、夹具和工件系统的状况。机床噪声源主要是传动系统声及与切削过程有关的声辐射,此外还存在润滑冷却噪声、电控系统噪声及背景噪声等。

2. 1　空运转噪声的控制

机床空运转噪声主要来源于齿轮箱和运动回转部件,主要分布在3kHz以内,可通过改善齿轮、轴承、箱体等零件特性以及合理应用阻尼材料得到控制。

2. 1. 1　齿轮噪声的控制

齿轮在工作啮合过程中,由于各种原因会引发振动、冲击,因而产生噪声。齿轮是机床产生噪声的主要声源。齿轮的制造精度、参数、装配质量等因素对噪声的影响很大。

(1) 提高加工精度,合理确定表面粗糙度

提高齿轮精度,主要是减小齿形误差和基节误差。

齿形误差对噪声的影响很大。若采用滚齿加工工艺,减小滚刀的制造误差,安装误差和机床分齿传动链的传动误差,以减少齿形误差;若采取剃齿加工工艺,为防止在节圆附近出现齿形中凹现象,可修磨剃齿刀齿形,使其相应部分凹进去、或适当减小剃齿量和径向进给量,使加工后的齿轮在啮合时齿面在中间接触,对降低噪声有明显作用。

基节误差会造成齿轮在啮合时产生振动和冲击、尤其在高速时更引起强烈振动和噪声。基节误差越大,噪声越大。因此通过提高齿轮加工刀具的制造精度,来减小基节偏差,以减小齿轮基节误差,降低噪声。

合理确定表面粗糙度。主要考虑表面粗糙度对齿面磨损的影响。由于在一定条件下表面粗糙度太粗或太细均会导致齿面磨损加剧,齿轮精度下降。实验表明,齿面抗磨损的最佳表面粗糙度数值与齿轮所受负荷大小有关。其数值在负荷重时要比负荷轻时大。

(2) 合理选择齿轮的参数

合理确定齿数的传动比。为避免齿轮制造误差呈周期性的影响齿轮传动,加剧振动、齿轮齿数应互为质数、传动比为非整数,降低噪声效果明显。

合理选择模数和增大重叠系数。通常情况下,应尽可能选用较小模数。模数小,可增加齿数,使啮合齿数增多、提高传动平稳性,降低噪声。对传递较大负荷的齿轮,应选用较大模数、以减小齿弯曲弯形,降低噪声。增大重叠系数,传动平稳性好、并且当取重叠系数为整数时,降低噪声效果更好。

适当增加齿轮宽度。齿宽增加,恒定扭矩下齿面的单位负载减少,齿弯曲就小,噪声下降。

尽可能地降低齿轮升速比和线速度,以减小传动时的冲击,降低噪声。

(3) 提高齿轮的装配质量

在齿轮装配时,必须保证齿轮两轴平行度和中心距的要求,使齿轮正常啮合,减少齿轮冲击,降低噪声。

做好齿轮的动平衡,尤其是转速高、质量大、直径大的齿轮。齿轮动平衡不好会产生振动和噪声。

2. 1. 2　轴承噪声的控制

(1) 选用合适的轴承类型　滚动轴承是主要的噪声源。由于球轴承比圆锥滚子轴承的噪声低,在支承刚度允许条件下,应优选球轴承。

滑动轴承和静压轴承由于磨擦面间有承压油膜,因此运动平稳,无噪声。因此尽可能用滑动轴承替代滚动轴承。

(2) 避免轴承超载　负载可使轴承产生的噪声增大。因此,为了降低轴承噪声,必须避免轴承超载。

(3) 尽量选择精度高的轴承,降低噪声。

(4) 合理调整轴承间隙　调整轴承间隙的目的是给轴承实施预紧。预紧力过大,会使轴承磨损加剧,增大噪声;预紧力过小,则承载时轴承易产生振动,同样会增大噪声。

(5) 选择合理的轴承润滑系统　良好的润滑可以降低轴承噪声。

2. 1. 3　箱体噪声的控制

箱体具有减振作用,并可阻断噪声的辐射。目前机床上的箱体90%以上是铸造结构,箱体整体刚性对抑制共振及噪声有很大影响。箱体内结构的合理分布较为关键,如合理的壁厚、加强筋分布等。一般箱体壁厚为12～15mm,若在壁上合理布置加强筋,便可以抑制共振,降低噪声。

采用圆筒形箱体对减振并阻断噪声辐射有利。因为圆筒体的抗弯强度较普通平板壁箱体的抗弯强度要高得多。

2. 1. 4　阻尼材料的应用

阻尼材料是一种新型的高分子材料,具有高阻尼特性,在变形时能消耗能量,将部分机械振动能转变为热能,从而降低噪声。

(1) 阻尼板材应用　将阻尼板材粘贴到机床振动源处,按交叉条状或框格等形式粘贴,板材厚度与结构厚度有关。将其粘贴在齿轮副上或箱体外围,噪声明显下降。

(2) 阻尼涂料的应用　阻尼涂料是一种涂覆在各种金属结构表面,具有减振降噪性能的特殊涂料。可喷涂在齿轮端面降低齿轮噪声,也可喷涂在形状复杂的机床齿轮箱体内表面,对抑制噪声有明显效果。

2. 2　切削噪声的控制

2. 2. 1　正确选择加工工艺和切削用量

对于插齿和滚齿这2种工艺,其加工精度和生产率大体相同。插齿时,刀具往复振动较大,噪声也就高;而滚齿加工,工作平稳性好,噪声低。再如镗孔,当水平镗孔时,刀杆悬空端较长,刚性差,而采用垂直镗孔时,刀架的刚性就好,则振动小,噪声也就低。有1孔原卧镗噪声达106dB (A) ,而改为立镗时,噪声降至89dB (A) 。另外,在切削过程中,切削用量直接影响切屑的形状及积屑瘤的产生,它们与噪声级的大小有很大关系。比如,在切削过程中,有时会遇到尖叫的刺耳声,当改变切削用量时,噪声会立即降低或消失。在机床的实际使用中,有经验的操作者可根据噪声的大小,来判断切削用量是否合理。

2. 2. 2　选择合适的刀具、及时更换磨损的刀具

刀具的材料和刀具角度的选择,直接影响切削过程及切削力。刀具安装是否合理,也与切削噪声大小有很大关系。比如,某车刀杆悬臂长为68mm时,切削噪声达93. 5dB (A) ;当将悬臂长缩短至49mm时,噪声降低到79. 5dB (A) ,此时刀具的固有频率脱离了刀架系统的共振区域。

2. 2. 3　提高加工件的刚度

工件刚度的大小,直接影响加工精度。如果刚度不够,会造成切削噪声较大。因此,为防止刚度不足,可适当增加支承与约束形式,改变夹具结构。

2. 2. 4　增加机床的刚度或采用隔声减振装置

机床上加工工件过重或悬空较长时,可利用辅助支承的办法,增加机床的刚度。如工作台可升降的立式仿形铣床,当工作台上放置模型和工件以后,移动距离较长,因此,有些铣床工作台下有附加的液压缸支承,并随着上台面移动距离而改变油缸中的支承压力,从而减小工作台面的颤振和噪声。普通立式铣床工作台也设有辅助支承架,以备加工重工件时使用。

另外,利用隔声、隔振装置隔断噪声的传播,也是降低机床噪声的有效方法,在某些数控机床加有各种罩盖(有些是透明的有机材料) ,总噪声级约降7～13dB (A) ,它们不仅隔声降噪,还防尘、卫生、适用于自动化程度较高的机床。