數(shù)控加工中心主軸箱噪聲原因與措施范文

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摘要：數(shù)控加工中心主傳動系統(tǒng)一般采用同步帶，齒輪變速，電機(jī)直聯(lián)和電機(jī)直驅(qū)等方式傳遞動力，并可達(dá)到4500r/min以上轉(zhuǎn)速。驅(qū)動主軸會使機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生摩擦、（熱，力）變形、滑移、沖擊和振動，從而產(chǎn)生機(jī)械系統(tǒng)噪聲。加工中心的主傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速是由控制系統(tǒng)CNC通過程序無極變速完成，比普通機(jī)床噪聲更為連續(xù)，通過合理布置機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝配工藝來抑制噪聲顯得非常有意義。

關(guān)鍵詞：加工中心；主軸箱；噪聲；改進(jìn)措施

引言

機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，受到激發(fā)，會對激發(fā)力產(chǎn)生響應(yīng)而引起振動。能量在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中傳播，當(dāng)振動傳播到零部件表面，這個(gè)能量就轉(zhuǎn)換成壓力波經(jīng)空氣再傳播，引起噪聲。同步帶傳動是由主軸箱、主軸組件（包括軸承）、同步帶輪、同步帶和主軸電機(jī)等部件組成；齒輪變速傳動是由主軸箱、主軸組件（包括軸承）、幾對齒輪副和主軸電機(jī)等零部件組成，運(yùn)作時(shí)這些零部件激發(fā)響應(yīng)，并在系統(tǒng)內(nèi)部傳遞和輻射出現(xiàn)了噪聲，而這些部件又由于出現(xiàn)了異常情況（如主軸箱發(fā)生共振、主軸動平衡不理想等），激發(fā)力越大，振動和噪聲就越大。

1軸承的噪聲分析

同步帶，齒輪變速和電機(jī)直聯(lián)傳動系統(tǒng)的典型主軸軸承布置一：前部為高速角接觸球軸承2列（DT），后部為高速角接觸球軸承2列（DT），整體以DB結(jié)構(gòu)布。布置二：前部為高速雙列圓柱滾子軸承加（雙向）高速推力角接觸球軸承2列（DB），后部為高速單列圓柱滾子軸承或高速角接觸軸承2列（DB）。電機(jī)直驅(qū)傳動系統(tǒng)的典型主軸軸承布置一：前部為高速角接觸球軸承2列（DT），中部為高速角接觸球軸承2列（DT），前段以DB結(jié)構(gòu)布置，在定子轉(zhuǎn)子后部布置一個(gè)支撐軸承（高速單列圓柱軸承或高速角接觸軸承2列（DB））；布置二：前部為高速雙列圓柱滾子軸承加（雙向）高速推力角接觸球軸承2列（DB），在定子轉(zhuǎn)子后部為高速單列圓柱滾子軸承或高速角接觸軸承2列（DB）作為支撐；主軸軸承同步帶、電機(jī)直聯(lián)和電機(jī)直驅(qū)傳動滾動軸承數(shù)一般在4～7個(gè)，齒輪變速傳動滾動軸承數(shù)就更多些（需支撐輸出軸、中間軸齒輪的軸向和徑向載荷），滾動軸承數(shù)一般可達(dá)10個(gè)。與軸承相配的軸徑和支撐孔公差等級、圓柱度、同軸度和軸承支撐孔端面跳動，主軸的本體強(qiáng)度和剛度，螺母鎖緊力，法蘭盤壓緊力，潤滑以及冷卻方式等都對噪聲有很大影響。滾動軸承的噪聲是主傳動系統(tǒng)中一個(gè)主要噪聲源。在轉(zhuǎn)速4500r/min以上時(shí)表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈，主軸會產(chǎn)生軸向振動、徑向振動、彎曲變形，軸承環(huán)本身在離心力的作用下會產(chǎn)生徑向振動和軸向振動。軸承噪聲控制如下。（1）根據(jù)加工中心使用工況要求，合理選擇相應(yīng)的軸承及其組合。（2）設(shè)計(jì)中要正確選擇與精密軸承相配合的孔和軸精度要求，一般可在專業(yè)軸承生產(chǎn)廠家的樣本上查到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在加工中心的主傳動系統(tǒng)中，精密軸承與主軸、主軸套筒配合時(shí)，需留有一定的徑向游隙，過緊過松都會引起軸承噪聲，若配合過緊，主傳動剛性提高，但滾動體間壓力增加，內(nèi)外圈和滾動體摩擦相應(yīng)加劇，熱量得不到有效散發(fā)，內(nèi)外圈、滾動體受熱膨脹，徑向間游隙更小，接觸應(yīng)力增大，會導(dǎo)致滾動面出現(xiàn)劃痕、細(xì)裂紋等缺陷，引起噪聲加劇，直至軸承燒結(jié)；若配合過松，保持架與滾動體會引起沖擊，也會加大噪聲。（3）軸承潤滑油的選擇。主軸軸承潤滑脂的顆粒雜質(zhì)需控制在20μm以下，過大的雜質(zhì)在滾道和滾動體之間被碾碎的同時(shí)，使?jié)L道面、轉(zhuǎn)動面上產(chǎn)生壓痕，而導(dǎo)致噪聲提高。適量的潤滑油脂封入量在滾道面和轉(zhuǎn)動面間引成一層潤滑油膜，對外來振動產(chǎn)生阻尼，從而降低噪聲。（4）根據(jù)使用情況在軸承外圈支撐部位加設(shè)冷卻油槽，進(jìn)行強(qiáng)行冷卻。精密軸承在高速運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若產(chǎn)生的熱量大于散熱，內(nèi)外圈和滾動體會熱膨脹，導(dǎo)致徑向游隙減小，滾道面和滾道體受力加劇，噪聲也會與之增大。

2同步帶輪與同步帶的噪聲分析

數(shù)控銑削加工中心同步帶傳動系統(tǒng)是由主電機(jī)和主軸間用同步帶來傳動的。因此，同步帶輪與同步帶運(yùn)轉(zhuǎn)也是主要噪聲源之一。同步帶輪與同步帶的噪聲控制：主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，同步帶輪和同步帶的齒間瞬間嚙合，致使齒間截留的空氣無法逸出，而引起噪聲，噪聲的大小由同步帶輪與同步帶的嚙合長度有關(guān)，為消除噪聲可在同步帶背的內(nèi)表面開工藝凹槽或直接將凹槽開于帶輪上，以減少齒間截留的空氣容量。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)剛性越強(qiáng)，其表現(xiàn)出的噪聲也就越小，故設(shè)計(jì)帶輪位置時(shí)，盡可能將帶輪靠近主軸后側(cè)軸承處，以達(dá)到更好的剛性。

3齒輪的噪聲分析

加工中心齒輪變速傳動系統(tǒng)是由主電機(jī)和齒輪副來完成傳動的。因此，齒輪的嚙合也是主要噪聲源之一。

3.1齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲

（1）齒輪在嚙合過程中，使齒與齒之間出現(xiàn)連續(xù)沖擊而使齒輪在嚙合頻率下產(chǎn)生受迫振動并帶來沖擊噪聲。（2）因齒輪與傳動軸及軸承的裝配出現(xiàn)偏心、配合間隙、聯(lián)接松緊等都會引起的旋轉(zhuǎn)不平衡，即所謂的動平衡精度差，因此產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)速相一致的振動。（3）因齒與齒嚙合是齒面間會產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生的自激振動并帶來摩擦噪聲。

3.2齒輪的噪聲控制

（1）齒形修正。由于齒輪加工誤差的存在，在齒輪嚙合時(shí)造成瞬時(shí)頂撞和沖擊，為此減小齒輪在嚙合時(shí)由于齒頂凸出而造成的嚙合沖擊，可進(jìn)行齒頂修緣。齒頂修緣的目的就是校正齒的彎曲變形和補(bǔ)償齒輪誤差，從而降低齒輪噪聲。（2）降低齒形誤差。一般情況下，齒形誤差越大，產(chǎn)生的噪聲也就越大，因此須要提高齒輪制造精度、表面光潔度等級和提高裝配質(zhì)量。（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)。傳動比設(shè)計(jì)為非整數(shù)，這樣齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以避免制造誤差周期性地影響到傳動系統(tǒng)上加劇振動和噪聲；確定合適的齒側(cè)間隙，載荷變化大，正、反轉(zhuǎn)變換頻繁時(shí)，取較小側(cè)隙，否則取大側(cè)隙。（4）合理的嚙合齒輪中心距。對嚙合中心距的分析表明，當(dāng)中心距偏大時(shí)，噪聲影響并不明顯；而中心距偏小時(shí)，噪聲就明顯增大。提高齒輪的公法線長度精度，傳動軸剛性，傳動軸與齒輪、軸承的配合精度及其零件本身的動平衡精度，盡量消除由于嚙合中心距的改變而產(chǎn)生的噪聲。（5）提高齒輪的抗振能力。采用變位齒輪，提高輪齒的承載能力，減小輪齒彎曲變形；因齒的彎曲強(qiáng)度與模數(shù)成正比，故在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能的加大齒輪的模數(shù)；齒寬增加齒輪噪聲的衰減性能增加，固有頻率增加，但齒向誤差增加，熱處理時(shí)容易變形，故在強(qiáng)度允許的條件下，盡量減小齒寬。（6）恒溫潤滑油可有效抑制噪聲。潤滑油主要起齒面間潤滑和冷卻，在一定程度上還起阻尼作用，一般高速齒輪傳動潤滑油對齒輪副嚙出側(cè)進(jìn)行噴油潤滑，在齒面上維持一定的油膜厚度，防止嚙合齒面直接接觸，同時(shí)將齒輪嚙合產(chǎn)生的熱量隨潤滑油一起帶走，從而降低噪聲。

4主軸箱的噪聲分析

箱體內(nèi)噪聲通過多種渠道向外傳播，同時(shí)內(nèi)部的振源迫使主軸箱一起振動，當(dāng)振源的頻率達(dá)到主軸箱的固有頻率是就會引起共振，對加工質(zhì)量、精度有直接的影響。怎樣使主軸箱能更好地隔斷、衰減振動，減輕主軸箱噪聲是設(shè)計(jì)主軸箱的評判依據(jù)之一。主軸箱的噪聲控制如下。（1）改進(jìn)主軸箱體的設(shè)計(jì)。主軸箱是各個(gè)傳動部件的支撐體，其剛性、強(qiáng)度、安裝空間會直接影響到主軸運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的振動和噪聲。內(nèi)加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的筋條，既可以提高箱壁的剛性，也可劃小箱壁輻射聲能的面積。在主軸軸承支撐位置可加輻射肋或增加壁厚。研究表明，厚度增加1倍，阻尼系數(shù)增加1.41倍，故適當(dāng)增加壁厚，可減小箱體噪聲。（2）結(jié)構(gòu)布置合理。機(jī)械系統(tǒng)傳遞動力時(shí)，零部件相互作用產(chǎn)生激力振動。傳動鏈越多則出現(xiàn)振動的概率也就越高，進(jìn)而引起噪聲也越大，故縮短傳動鏈也可以降低噪聲。（3）主軸箱裝配工藝窗口加蓋板。其好處是防止噪聲直接傳出，又起吸聲的作用，為使衰減噪聲的作用更強(qiáng)點(diǎn)，可以在蓋板內(nèi)表面加墊一層橡膠，同時(shí)也防止外界的粉塵污染內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)。主軸箱的噪聲是主運(yùn)動接觸不良所引起的一種主軸箱的聲響，也直觀的反映機(jī)床技術(shù)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

［1］現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊：上冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊：第三冊部件機(jī)構(gòu)及總設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

作者：湯海鋒 任正法 單位：浙江旺邦精密機(jī)床有限公司