尹闊，吳慧敏

通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 遼寧大連 116620

1 序言

目前，我國制造業(yè)正推動(dòng)著金屬切削機(jī)床向高速度、高精度和高效方向發(fā)展。高速電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，以滿足現(xiàn)代高速、高效金屬切削的需要。

機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速上升時(shí)，主軸線速度必然會上升，可能會產(chǎn)生高分貝的噪聲[1，2]。因此，如何在提高機(jī)床速度的同時(shí)，將機(jī)床噪聲的聲壓級控制在國標(biāo)規(guī)定的83dB（A）以內(nèi)，是一個(gè)必須認(rèn)真思考的課題。

為了滿足市場需求，我廠開發(fā)了某型號高速數(shù)控車床，車床最大主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min。由于主軸端的帶傳動(dòng)，噪聲控制相對比較困難。通過噪聲識別、分析和解決方案的制定，有效降低了噪聲聲壓級，為后續(xù)機(jī)床的優(yōu)化提供參考。

2 噪聲產(chǎn)生機(jī)理

機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部件間存在著摩擦力、撞擊力或不平衡力等，導(dǎo)致機(jī)械部件和殼體產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生了機(jī)床噪聲[3]。

機(jī)械設(shè)備的類型和大小具有多樣性，沒有完全統(tǒng)一的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，可通過測量機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)值的大小來評估，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10186根據(jù)不同機(jī)械設(shè)備提供了不同功率的機(jī)械振動(dòng)允許值，如圖1所示。

圖1 機(jī)械振動(dòng)允許值

3 噪聲識別、分析及降噪

根據(jù)機(jī)床技術(shù)參數(shù)，該型號數(shù)控車床主軸最高轉(zhuǎn)速為5000r/min?？紤]到車床的高轉(zhuǎn)速會帶來噪聲高的問題，設(shè)計(jì)上已采取了A2-5型式、內(nèi)徑定心等措施。但是兩臺數(shù)控車床樣機(jī)試制出來后，最高轉(zhuǎn)速空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仍出現(xiàn)了尖銳的不規(guī)則沖擊聲，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有起伏變化的波動(dòng)沖擊聲，噪聲不合格問題顯著。需要對車床樣機(jī)的噪聲進(jìn)行檢測分析，尋找噪聲來源，分析噪聲形成原因，從而采取相應(yīng)對策以減少噪聲，為車床的批量投產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

3.1 噪聲源的識別

通常情況下，高速數(shù)控車床的噪聲聲壓級大于正常標(biāo)準(zhǔn)值是由于車床部件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)引起的[4]，因此減小振動(dòng)噪聲必須識別出主要噪聲源。使用北京東方所的噪聲動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)對噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，能夠快速和準(zhǔn)確地識別出該車床的高頻噪聲源。

表1 空運(yùn)轉(zhuǎn)工況頻率峰值

表2 切削工況頻率峰值

可以看出，空運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n與頻率峰值f均近似滿足n=60f，由此判斷噪聲源為主軸旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)。

由于金屬切削加工時(shí)，切削用量不僅直接影響工件的加工精度與加工質(zhì)量，也關(guān)系著加工噪聲的大小，因此，工件的加工要嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行切削，避免額外噪聲的產(chǎn)生。

通過表1和表2的對比，可以確定兩臺樣機(jī)的噪聲主要來源均為主軸部件結(jié)構(gòu)。

3.2 低頻沖擊聲的分析與解決

機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的低頻沖擊聲（表現(xiàn)為咯噠聲），通常是由于主軸兩端的軸承低頻振動(dòng)造成的。產(chǎn)生低頻振動(dòng)噪聲常見的原因主要有軸承安裝位置錯(cuò)誤、軸承松動(dòng)或磨損破壞等[5]。主軸內(nèi)部軸承分為內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架。外圈設(shè)置在軸承座上，內(nèi)圈裝置會對主軸軸心的整體運(yùn)行產(chǎn)生影響。

兩臺樣機(jī)均由成對的角接觸球軸承做前后支承，軸承承受徑向載荷和軸向載荷。外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承故障特征頻率計(jì)算公式如下[6]。

外圈故障頻率

內(nèi)圈故障頻率

三、試驗(yàn)菌種畝用量及小區(qū)用量：百沃10公斤、454克；盧博士1公斤、45.4克；宏陽10公斤、454克；維恩倍爾25克、1.13克；鑫鑫盛達(dá)1公斤、45.4克。

滾動(dòng)體單故障頻率

保持架外圈故障頻率

式中，r是軸承轉(zhuǎn)速（r/min）；n是滾珠個(gè)數(shù)（個(gè)）；d是滾動(dòng)體直徑（mm）；D是軸承節(jié)徑（mm）；α是滾動(dòng)體接觸角（°）。

將三相加速度傳感器放置于主軸箱靠近軸承位置，無需拆卸主軸等，并采用SmartBalancer頻譜分析儀實(shí)時(shí)振動(dòng)測試，以進(jìn)行振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)采集分析。振動(dòng)監(jiān)測時(shí)需要主軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)、安裝刀具數(shù)量和傳感器位置與以往檢測相同，統(tǒng)計(jì)的測量數(shù)據(jù)才能夠真實(shí)體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)故障的變化趨勢。

根據(jù)上述方法，對兩臺樣機(jī)進(jìn)行了1個(gè)月相同間隔時(shí)間內(nèi)的連續(xù)測量，在0～1000Hz頻率范圍內(nèi)，軸承內(nèi)圈故障頻率約為322.7Hz，而且出現(xiàn)每一次測量信號幅值都比前一次上升的現(xiàn)象，結(jié)合軸承故障特征頻率計(jì)算值綜合考慮，即可確定該軸承的內(nèi)圈已經(jīng)發(fā)生了缺陷。

從測試結(jié)果（見圖2）中可以看出，內(nèi)圈故障頻率兩側(cè)都有明顯邊頻帶，表明該內(nèi)圈故障缺陷在該段工況運(yùn)行時(shí)段內(nèi)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了測量信號幅值的增大。

圖2 內(nèi)圈故障測試結(jié)果

通過拆解，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈已經(jīng)出現(xiàn)了缺陷，推測這種缺陷可能是由于主軸內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，或是由于軸承安裝和潤滑等原因?qū)е碌?。更換軸承做好潤滑措施后，進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)低頻沖擊噪聲降低到相對微弱的程度，滿足了機(jī)床的技術(shù)驗(yàn)收要求。

3.3 波動(dòng)沖擊聲的分析與解決方案

根據(jù)空運(yùn)轉(zhuǎn)工況和切削工況下的試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，由于兩種工況任何一種轉(zhuǎn)速下，兩臺樣機(jī)都會產(chǎn)生波動(dòng)變化的沖擊聲音，變化幅度相同，且非常清晰，所以通過人工計(jì)數(shù)的方法就可以得到該噪聲在每分鐘的起伏次數(shù)，進(jìn)而得到振動(dòng)頻率。經(jīng)試驗(yàn)后多次計(jì)算，確定振動(dòng)頻率為2.3Hz。

多次試驗(yàn)驗(yàn)證后，證實(shí)了波動(dòng)沖擊聲是由傳動(dòng)帶振動(dòng)產(chǎn)生的，其振動(dòng)頻率與計(jì)算得到的波動(dòng)沖擊聲的振動(dòng)頻率基本相同。這是由于傳動(dòng)帶的橫向振動(dòng)會引起傳動(dòng)帶拉力變化，被動(dòng)帶輪的速度隨之變化波動(dòng)。帶輪與傳動(dòng)帶為嚙合傳動(dòng)，側(cè)向存在間隙，傳動(dòng)帶速度變化會導(dǎo)致傳動(dòng)過程中發(fā)生瞬間脫離嚙合，從而產(chǎn)生沖擊噪聲。

下面進(jìn)行解決方案的研究。通常情況下，傳動(dòng)帶橫向振動(dòng)可以類比弦振動(dòng)。因此其振動(dòng)頻率經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，L是傳動(dòng)帶長度（mm）；T是張緊力（N）；ρ是單位長度（mm）。

可以明顯看出傳動(dòng)帶長度與其振動(dòng)頻率成反比關(guān)系。要減小振動(dòng)頻率，必須增大傳動(dòng)帶長度，即增大主動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪間的中心距。因此，采用了給主軸箱加高50mm，并且更換加長新傳動(dòng)帶的方案進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為波動(dòng)沖擊聲明顯減小，而且變化幅度非常微弱。進(jìn)而說明了傳動(dòng)帶的橫向振動(dòng)為產(chǎn)生波動(dòng)沖擊噪聲的根本原因。

因此，如何減小或者消除傳動(dòng)帶振動(dòng)是非常關(guān)鍵的。兩臺樣機(jī)裝配過程中都是4根傳動(dòng)帶為一組以傳動(dòng)高轉(zhuǎn)速的，并且通過觀察發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)時(shí)有一根或兩根傳動(dòng)帶抖動(dòng)比較劇烈，結(jié)合上述振動(dòng)頻率經(jīng)驗(yàn)公式，可以判斷出同組傳動(dòng)帶的長短可能不相同，或者傳動(dòng)帶的張緊力不同，導(dǎo)致發(fā)生振動(dòng)。

綜合以上分析，制定新方案為在其中一臺樣機(jī)上更換傳動(dòng)帶長度和質(zhì)量都相同的傳動(dòng)帶組，適當(dāng)增加傳動(dòng)帶張緊力。多次試驗(yàn)兩臺樣機(jī)對比結(jié)果后，證明新方案基本消除了傳動(dòng)帶振動(dòng)，波動(dòng)沖擊噪聲降低明顯。

4 結(jié)束語

1）由于該高速數(shù)控車床噪聲來源主要是車床主軸箱部件結(jié)構(gòu)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的，因此主軸結(jié)構(gòu)的精度、軸承和轉(zhuǎn)動(dòng)部件等相關(guān)結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化都有可能引起噪聲，需要逐步分析判斷。

2）經(jīng)過多次試驗(yàn)對比后發(fā)現(xiàn)，高速數(shù)控車床發(fā)出不悅耳的低頻沖擊噪聲的原因是軸承內(nèi)圈問題，與安裝、潤滑等因素有關(guān)，更換軸承后解決了低頻沖擊噪聲問題。

3）傳動(dòng)帶振動(dòng)是產(chǎn)生聲音起伏變化的波動(dòng)沖擊聲常見因素。需要選用質(zhì)量一致、同組傳動(dòng)帶長度相同的傳動(dòng)帶組，可以適當(dāng)?shù)卦黾觽鲃?dòng)帶張緊力，從而達(dá)到消除或減輕這種現(xiàn)象的目的。

4）機(jī)床運(yùn)行時(shí)包括多種噪聲源，除了文中提到的噪聲源外，還存在機(jī)械噪聲、電磁噪聲、風(fēng)噪聲及液壓部件噪聲等。利用噪聲分析系統(tǒng)有針對性地檢測，能夠高效、準(zhǔn)確地識別機(jī)床的低高頻噪聲源及其他噪聲源，正確地分析判斷故障點(diǎn)。

20221115