控制機床噪聲,保障操作人員的身體健康是當(dāng)前機械企業(yè)的一個重要課題。
1 機床噪聲來源及特點
我國頒布的《金屬切削機床通用技術(shù)條件》規(guī)定了機床噪聲的允許標準。對于高精度機床,噪聲不大于75dB (A) ;對于精密機床和普通機床,噪聲不大于85dB (A) 。上述僅表明機床本身的質(zhì)量水平,它是機床的空運轉(zhuǎn)噪聲。機床在實際使用中,除了機床空運轉(zhuǎn)噪聲外,還有很大的切削噪聲。尤其對那些已經(jīng)磨損的舊機床,在切削載荷的激發(fā)下,噪聲更為強烈。圖1為1臺車床空運轉(zhuǎn)和切削時的噪聲頻譜圖。由圖1中看出,在低頻段,空運轉(zhuǎn)噪聲與切削噪聲強度相近,在3kHz以上頻段,切削噪聲比空轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級高10～20dB (A) 。切削過程形成的噪聲是極其復(fù)雜的,一般它與切削的材料性質(zhì)、切削用量和刀具有關(guān),還與切削形式(連續(xù)、斷續(xù)、崩裂)有關(guān)。當(dāng)機床、刀具、夾具或工件的剛度不夠時,則系統(tǒng)受切削力的激發(fā)或外界的影響就要發(fā)生振動并輻射出強烈的噪聲。
切削噪聲的一小部分直接在空氣中傳播,大部分是由刀具和工件分別傳播,這是因為空氣中的聲阻抗遠小于金屬材料的,刀具和工件可傳播不同的聲波。通過刀具或工件傳播的固體聲,在機床系統(tǒng)中相互影響,并在容易輻射的部分產(chǎn)生二次輻射噪聲,還可以通過基礎(chǔ)及墻體結(jié)構(gòu)進一步傳播噪聲。
2 機床噪聲的控制對策[ 1～4 ]
機床噪聲可分為空運轉(zhuǎn)噪聲和切削噪聲2種。空運轉(zhuǎn)噪聲是由機床結(jié)構(gòu)本身激發(fā),它與機床的結(jié)構(gòu)形式、機械傳動系統(tǒng)的布置、傳動件的設(shè)計、公差配合的選用、工藝方法和安裝質(zhì)量等因素密切關(guān)系。切削噪聲是在一定切削條件下產(chǎn)生的,其中包括了刀具、夾具和工件系統(tǒng)的狀況。機床噪聲源主要是傳動系統(tǒng)聲及與切削過程有關(guān)的聲輻射,此外還存在潤滑冷卻噪聲、電控系統(tǒng)噪聲及背景噪聲等。
2. 1 空運轉(zhuǎn)噪聲的控制
機床空運轉(zhuǎn)噪聲主要來源于齒輪箱和運動回轉(zhuǎn)部件,主要分布在3kHz以內(nèi),可通過改善齒輪、軸承、箱體等零件特性以及合理應(yīng)用阻尼材料得到控制。
2. 1. 1 齒輪噪聲的控制
齒輪在工作嚙合過程中,由于各種原因會引發(fā)振動、沖擊,因而產(chǎn)生噪聲。齒輪是機床產(chǎn)生噪聲的主要聲源。齒輪的制造精度、參數(shù)、裝配質(zhì)量等因素對噪聲的影響很大。
(1) 提高加工精度,合理確定表面粗糙度
提高齒輪精度,主要是減小齒形誤差和基節(jié)誤差。
齒形誤差對噪聲的影響很大。若采用滾齒加工工藝,減小滾刀的制造誤差,安裝誤差和機床分齒傳動鏈的傳動誤差,以減少齒形誤差;若采取剃齒加工工藝,為防止在節(jié)圓附近出現(xiàn)齒形中凹現(xiàn)象,可修磨剃齒刀齒形,使其相應(yīng)部分凹進去、或適當(dāng)減小剃齒量和徑向進給量,使加工后的齒輪在嚙合時齒面在中間接觸,對降低噪聲有明顯作用。
基節(jié)誤差會造成齒輪在嚙合時產(chǎn)生振動和沖擊、尤其在高速時更引起強烈振動和噪聲?；?jié)誤差越大,噪聲越大。因此通過提高齒輪加工刀具的制造精度,來減小基節(jié)偏差,以減小齒輪基節(jié)誤差,降低噪聲。
合理確定表面粗糙度。主要考慮表面粗糙度對齒面磨損的影響。由于在一定條件下表面粗糙度太粗或太細均會導(dǎo)致齒面磨損加劇,齒輪精度下降。實驗表明,齒面抗磨損的最佳表面粗糙度數(shù)值與齒輪所受負荷大小有關(guān)。其數(shù)值在負荷重時要比負荷輕時大。
(2) 合理選擇齒輪的參數(shù)
合理確定齒數(shù)的傳動比。為避免齒輪制造誤差呈周期性的影響齒輪傳動,加劇振動、齒輪齒數(shù)應(yīng)互為質(zhì)數(shù)、傳動比為非整數(shù),降低噪聲效果明顯。
合理選擇模數(shù)和增大重疊系數(shù)。通常情況下,應(yīng)盡可能選用較小模數(shù)。模數(shù)小,可增加齒數(shù),使嚙合齒數(shù)增多、提高傳動平穩(wěn)性,降低噪聲。對傳遞較大負荷的齒輪,應(yīng)選用較大模數(shù)、以減小齒彎曲彎形,降低噪聲。增大重疊系數(shù),傳動平穩(wěn)性好、并且當(dāng)取重疊系數(shù)為整數(shù)時,降低噪聲效果更好。
適當(dāng)增加齒輪寬度。齒寬增加,恒定扭矩下齒面的單位負載減少,齒彎曲就小,噪聲下降。
盡可能地降低齒輪升速比和線速度,以減小傳動時的沖擊,降低噪聲。
(3) 提高齒輪的裝配質(zhì)量
在齒輪裝配時,必須保證齒輪兩軸平行度和中心距的要求,使齒輪正常嚙合,減少齒輪沖擊,降低噪聲。
做好齒輪的動平衡,尤其是轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量大、直徑大的齒輪。齒輪動平衡不好會產(chǎn)生振動和噪聲。
2. 1. 2 軸承噪聲的控制
(1) 選用合適的軸承類型 滾動軸承是主要的噪聲源。由于球軸承比圓錐滾子軸承的噪聲低,在支承剛度允許條件下,應(yīng)優(yōu)選球軸承。
滑動軸承和靜壓軸承由于磨擦面間有承壓油膜,因此運動平穩(wěn),無噪聲。因此盡可能用滑動軸承替代滾動軸承。
(2) 避免軸承超載 負載可使軸承產(chǎn)生的噪聲增大。因此,為了降低軸承噪聲,必須避免軸承超載。
(3) 盡量選擇精度高的軸承,降低噪聲。
(4) 合理調(diào)整軸承間隙 調(diào)整軸承間隙的目的是給軸承實施預(yù)緊。預(yù)緊力過大,會使軸承磨損加劇,增大噪聲;預(yù)緊力過小,則承載時軸承易產(chǎn)生振動,同樣會增大噪聲。
(5) 選擇合理的軸承潤滑系統(tǒng) 良好的潤滑可以降低軸承噪聲。
2. 1. 3 箱體噪聲的控制
箱體具有減振作用,并可阻斷噪聲的輻射。目前機床上的箱體90%以上是鑄造結(jié)構(gòu),箱體整體剛性對抑制共振及噪聲有很大影響。箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理分布較為關(guān)鍵,如合理的壁厚、加強筋分布等。一般箱體壁厚為12～15mm,若在壁上合理布置加強筋,便可以抑制共振,降低噪聲。
采用圓筒形箱體對減振并阻斷噪聲輻射有利。因為圓筒體的抗彎強度較普通平板壁箱體的抗彎強度要高得多。
2. 1. 4 阻尼材料的應(yīng)用
阻尼材料是一種新型的高分子材料,具有高阻尼特性,在變形時能消耗能量,將部分機械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從而降低噪聲。
(1) 阻尼板材應(yīng)用 將阻尼板材粘貼到機床振動源處,按交叉條狀或框格等形式粘貼,板材厚度與結(jié)構(gòu)厚度有關(guān)。將其粘貼在齒輪副上或箱體外圍,噪聲明顯下降。
(2) 阻尼涂料的應(yīng)用 阻尼涂料是一種涂覆在各種金屬結(jié)構(gòu)表面,具有減振降噪性能的特殊涂料?？蓢娡吭邶X輪端面降低齒輪噪聲,也可噴涂在形狀復(fù)雜的機床齒輪箱體內(nèi)表面,對抑制噪聲有明顯效果。
2. 2 切削噪聲的控制
2. 2. 1 正確選擇加工工藝和切削用量
對于插齒和滾齒這2種工藝,其加工精度和生產(chǎn)率大體相同。插齒時,刀具往復(fù)振動較大,噪聲也就高;而滾齒加工,工作平穩(wěn)性好,噪聲低。再如鏜孔,當(dāng)水平鏜孔時,刀桿懸空端較長,剛性差,而采用垂直鏜孔時,刀架的剛性就好,則振動小,噪聲也就低。有1孔原臥鏜噪聲達106dB (A) ,而改為立鏜時,噪聲降至89dB (A) 。另外,在切削過程中,切削用量直接影響切屑的形狀及積屑瘤的產(chǎn)生,它們與噪聲級的大小有很大關(guān)系。比如,在切削過程中,有時會遇到尖叫的刺耳聲,當(dāng)改變切削用量時,噪聲會立即降低或消失。在機床的實際使用中,有經(jīng)驗的操作者可根據(jù)噪聲的大小,來判斷切削用量是否合理。
2. 2. 2 選擇合適的刀具、及時更換磨損的刀具
刀具的材料和刀具角度的選擇,直接影響切削過程及切削力。刀具安裝是否合理,也與切削噪聲大小有很大關(guān)系。比如,某車刀桿懸臂長為68mm時,切削噪聲達93. 5dB (A) ;當(dāng)將懸臂長縮短至49mm時,噪聲降低到79. 5dB (A) ,此時刀具的固有頻率脫離了刀架系統(tǒng)的共振區(qū)域。
2. 2. 3 提高加工件的剛度
工件剛度的大小,直接影響加工精度。如果剛度不夠,會造成切削噪聲較大。因此,為防止剛度不足,可適當(dāng)增加支承與約束形式,改變夾具結(jié)構(gòu)。
2. 2. 4 增加機床的剛度或采用隔聲減振裝置
機床上加工工件過重或懸空較長時,可利用輔助支承的辦法,增加機床的剛度。如工作臺可升降的立式仿形銑床,當(dāng)工作臺上放置模型和工件以后,移動距離較長,因此,有些銑床工作臺下有附加的液壓缸支承,并隨著上臺面移動距離而改變油缸中的支承壓力,從而減小工作臺面的顫振和噪聲。普通立式銑床工作臺也設(shè)有輔助支承架,以備加工重工件時使用。
另外,利用隔聲、隔振裝置隔斷噪聲的傳播,也是降低機床噪聲的有效方法,在某些數(shù)控機床加有各種罩蓋(有些是透明的有機材料) ,總噪聲級約降7～13dB (A) ,它們不僅隔聲降噪,還防塵、衛(wèi)生、適用于自動化程度較高的機床。
