機(jī)床噪聲的控制與預(yù)防*

薛崗

(南通凌云數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇南通 226003)

機(jī)床噪聲的控制與預(yù)防*

薛崗

(南通凌云數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇南通 226003)

針對(duì)機(jī)床噪聲對(duì)人的危害問(wèn)題，分析了形成機(jī)床噪聲的各種原因和因素，提出了機(jī)床噪聲控制與預(yù)防對(duì)策，以達(dá)到降低機(jī)床噪聲的目的。

機(jī)床;噪聲;控制;預(yù)防

1 機(jī)床噪聲的主要來(lái)源與特點(diǎn)

隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，機(jī)床加工中的噪聲污染越來(lái)越引起人們的重視。醫(yī)學(xué)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)工人長(zhǎng)期處于85 dB以上的噪聲環(huán)境中時(shí)，他們更容易出現(xiàn)注意力分散，工作效率下降，乃至引起工傷事故。如果工作環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間得不到改善，他們患上聽(tīng)力、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等疾病的幾率也會(huì)大幅增加［1］。因此，機(jī)床的噪聲污染必須得到控制。

機(jī)床的噪聲主要來(lái)源于其空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲和切削工件時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。其中空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲是由機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)決定的，它與機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的布置、傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)、公差配合的選用、工藝方法和機(jī)床裝配質(zhì)量等因素密切相關(guān)。［1］國(guó)家對(duì)于金屬切削機(jī)床在空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的噪聲聲壓級(jí)的限值，在GB 15760－2004金屬切削機(jī)床安全防護(hù)通用技術(shù)條件第5.8條作了明確規(guī)定，應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲聲壓級(jí)的限值

機(jī)床噪聲的的測(cè)量方法應(yīng)符合 GB/T 16769－2008的有關(guān)規(guī)定，以實(shí)測(cè)的驗(yàn)證方法獲得。

切削噪聲是在機(jī)床切削工件條件下產(chǎn)生的，相關(guān)因素包括了刀具、夾具和工件系統(tǒng)的狀況［1］。

2 機(jī)床噪聲的控制與預(yù)防

2.1 空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的控制

機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲主要來(lái)源于齒輪箱和運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)部件，可通過(guò)改善傳動(dòng)齒輪、軸承、變速箱體等零件特性以及合理應(yīng)用阻尼材料來(lái)控制噪音。

2.1.1 齒輪噪聲的控制

齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)、加工工藝和工作情況是齒輪噪聲形成的主要原因;制造精度、參數(shù)、裝配質(zhì)量等因素對(duì)噪聲的影響很大。影響齒輪噪聲的基本因素有:齒輪的類(lèi)型、齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒面寬度、齒面光潔度、基節(jié)誤差、齒形誤差、嚙合系數(shù)，以及齒輪的加工方法、齒輪傳動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、載荷、裝配工藝等［2］。針對(duì)齒輪噪聲形成的各種因素，我們可以從改進(jìn)齒輪類(lèi)型和結(jié)構(gòu)，提高齒輪加工精度等方面來(lái)采取措施，合理有效地來(lái)控制和預(yù)防齒輪噪聲的產(chǎn)生。

在設(shè)計(jì)齒輪的結(jié)構(gòu)時(shí)選用合理的齒輪類(lèi)型結(jié)構(gòu)對(duì)降低噪聲有很好的效果。在我廠自主研發(fā)的YZ1620全自動(dòng)切齒機(jī)主軸齒輪箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于該機(jī)床有高強(qiáng)度、滿負(fù)載、工件切削余量大等一系列特殊要求，所以在齒輪箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中工程師選用了模數(shù)為4，齒數(shù)分別為52，48，48，45等一系列的大模數(shù)，大齒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪。齒輪箱試制完成后試運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)齒輪在嚙合時(shí)振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象明顯，尤其在高速時(shí)更引起強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲。針對(duì)因齒輪箱問(wèn)題造成該機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大的問(wèn)題，在新品試制時(shí)，技術(shù)科提出了更改辦法:

(1)將主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)齒輪的類(lèi)型，由標(biāo)準(zhǔn)的圓柱直齒輪改為螺旋角為15°的斜齒輪以減小噪聲。因?yàn)橹饼X輪的齒在接觸瞬間是整個(gè)齒寬的線接觸，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的嚙合沖擊較大。而改為使用斜齒輪傳動(dòng)，雖然也是線接觸的，但它是由齒面上的一點(diǎn)，漸漸向下延伸而通過(guò)整個(gè)齒面的，與直齒輪具有不同的齒接觸特征，，因而斜齒輪沖擊較小。如圖1所示，兩種類(lèi)型的齒輪傳動(dòng)時(shí)具有1，2，3，4不同的輪齒嚙合線軌跡，在相同轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載狀態(tài)下，改用斜齒輪傳動(dòng)能有效地降低噪聲［2］。

圖1 不同類(lèi)型齒輪輪齒接觸特征

(2)調(diào)整主軸箱內(nèi)傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比，保證從動(dòng)力輸出端的電機(jī)齒輪到帶動(dòng)主軸傳動(dòng)的最末端齒輪之間的每對(duì)齒輪的齒數(shù)傳動(dòng)比均為非整數(shù)值。這樣可以避免因齒輪制造過(guò)程中的誤差以周期性的形態(tài)影響齒輪傳動(dòng)，而加劇振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。

提高齒輪加工的精度等級(jí)要求，提高齒輪齒面的加工粗糙度要求，對(duì)齒輪的外加工單位提出磨齒加工的要求，以減小齒形誤差和基節(jié)誤差來(lái)降低噪聲。

齒形誤差和基節(jié)誤差會(huì)造成齒輪在嚙合時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊、尤其在高速時(shí)更引起強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲。誤差越大，噪聲越大。因此通過(guò)提高齒輪加工刀具的制造精度，來(lái)減小齒輪誤差，降低噪聲。合理確定表面粗糙度，主要考慮表面粗糙度對(duì)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(xì)均會(huì)導(dǎo)致齒面磨損加劇，齒輪精度下降。齒面抗磨損的最佳表面粗糙度數(shù)值與齒輪所受負(fù)荷大小有關(guān)，其數(shù)值在負(fù)荷重時(shí)要比負(fù)荷輕時(shí)大［3］。

(4)提高齒輪的裝配質(zhì)量。在齒輪裝配時(shí)，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(dòng)平衡，尤其是主軸箱內(nèi)的大模數(shù)，大齒數(shù)的幾只大齒輪，因其轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量大、直徑大的特點(diǎn)，齒輪動(dòng)平衡不好會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

通過(guò)對(duì)主軸箱內(nèi)齒輪的這一系列改進(jìn)措施，在該型號(hào)機(jī)床第二臺(tái)制造完成后試運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸箱內(nèi)齒輪沖擊與振動(dòng)現(xiàn)象得到明顯改觀，噪聲降低不少，降噪效果明顯。

2.1.2 軸承噪聲的控制

軸承分為滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承兩大類(lèi)。一般說(shuō)來(lái)，滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的噪聲要小于滾動(dòng)軸承。但由于滾動(dòng)軸承承受負(fù)載能力大，且根據(jù)承載方向的不同可以選用不同種類(lèi)的滾動(dòng)軸承等優(yōu)點(diǎn)，目前機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中主要還是以選用滾動(dòng)軸承為主。

由于滾動(dòng)軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生噪聲，對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的噪聲應(yīng)給予合理的控制與預(yù)防:

(1)避免軸承超載 負(fù)載可使軸承產(chǎn)生的噪聲增大，在軸類(lèi)零件負(fù)載大的工作場(chǎng)合，應(yīng)選用重型軸承作為支撐。

盡量選擇精度高的軸承，降低噪聲。例如我廠生產(chǎn)的M7130系列的平面磨床，用于磨頭主軸上的軸承，由于磨床磨削時(shí)主軸精度要求高，此時(shí)就應(yīng)選用高精度的P5級(jí)軸承，而用于其它部位的軸承選用普通等級(jí)的就可以滿足要求。

合理調(diào)整軸承間隙對(duì)于滾動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，軸承安裝后均有工作間隙存在，工作間隙過(guò)大，軸承內(nèi)載荷不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，增大噪聲，軸承精度和疲勞強(qiáng)度差，壽命縮短;工作間隙過(guò)小，將造成承載時(shí)軸承溫度過(guò)高，易產(chǎn)生“熱咬死”，產(chǎn)生振動(dòng)，同樣會(huì)增大噪聲，以致?lián)p壞。所以安裝軸承應(yīng)根據(jù)工作精度，使用場(chǎng)合轉(zhuǎn)速高低，選擇合理的軸承工作間隙，還應(yīng)考慮軸承與軸和外殼孔配合，以及機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度等因素。一般高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承采用較大的工作游隙，低速重載荷的軸承，采用較小的工作游隙，以得到優(yōu)化的載荷分布和最長(zhǎng)壽命。

選擇合理的軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)良好的潤(rùn)滑可以降低軸承噪聲。

2.1.3 變速箱體噪聲的控制

目前機(jī)床上的變速箱體基本上都是鑄造結(jié)構(gòu)，合理的變速箱結(jié)構(gòu)，對(duì)于機(jī)床的減振作用，阻斷噪聲的輻射效果明顯。工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能提高變速箱的密閉性，使變速箱中的空氣聲被封閉在箱體內(nèi)，盡量減少箱體上的窗口與操縱變速手柄的數(shù)量，對(duì)箱體上的縫隙給予密封。實(shí)踐證明，這是降低變速箱體噪聲最簡(jiǎn)便也最易行的方案。

在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，變速箱的噪聲絕大部分是通過(guò)箱體表面?zhèn)鬟f出去的，箱體表面積振動(dòng)越大傳遞的聲能也越大，因此在變速箱體的設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能縮小箱體表面積，同時(shí)提高箱體的剛性是降低噪聲的又一措施。箱體內(nèi)表面多采取曲面造型，轉(zhuǎn)角處采用大半徑圓角，同時(shí)在箱壁受沖擊最強(qiáng)，振動(dòng)速度最大的區(qū)域增加加強(qiáng)筋，都是提高箱體剛性，降低噪聲的有效措施［2］。

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，由于其具有高阻尼的特性，在變形時(shí)能消耗能量，將部分機(jī)械振動(dòng)吸收轉(zhuǎn)化掉，所以在一些高端的數(shù)控加工中心上，這一技術(shù)在降低噪聲方面得以應(yīng)用。將阻尼板材固定在機(jī)床的主要振動(dòng)區(qū)域，齒輪副上或箱體外圍，可以顯著降低噪聲。另外，目前還有一種阻尼涂料，將其涂覆在金屬結(jié)構(gòu)的表面，例如可噴涂在齒輪端面，形狀復(fù)雜的齒輪箱內(nèi)表面等處，也具有一定的減振降噪的效果［3］。

2.2 工件切削過(guò)程中噪聲的控制

2.2.1 正確選擇加工工藝和切削用量

在切削過(guò)程中，切削用量直接影響工件的加工精度與加工質(zhì)量，同時(shí)與噪聲級(jí)的大小有很大關(guān)系。如，在切削過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到尖叫的刺耳聲，此時(shí)適當(dāng)減少切削量，噪聲會(huì)立即降低或消失。在機(jī)床的實(shí)際使用中，操作者應(yīng)嚴(yán)格按照工件加工工藝上要求的切削進(jìn)刀量，切削時(shí)機(jī)床的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行工件的加工。

2.2.2 選擇合適的刀具及時(shí)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(guò)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。及時(shí)更換刀盤(pán)上磨損的刀片，例如選用高強(qiáng)度的YG8硬質(zhì)合金鋼刀具進(jìn)行切削，能很好的降低工件切削過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲。

2.2.3 通過(guò)增加支承與支架提高穩(wěn)定性減振減噪

機(jī)床上加工工件距離主軸較長(zhǎng)，可通過(guò)增加支承支架的辦法，增加機(jī)床的切削穩(wěn)定性。如常用的X63臥式銑床，當(dāng)需要安裝長(zhǎng)刀桿對(duì)工作臺(tái)上工件水平面進(jìn)行縱向加工時(shí)，由于加工位置距離機(jī)床的主軸端面較長(zhǎng)，因此，需要在機(jī)床的床身懸梁前端安裝刀桿支架，從而提高工件加工的精度，同時(shí)很好地降低了機(jī)床的振動(dòng)和噪聲。

3 結(jié) 語(yǔ)

造成機(jī)床噪聲的因素很多，除了文中所分析的齒輪、軸承、變速箱體以及工件切削等主要原因，此外電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的通風(fēng)噪聲，機(jī)械及電磁噪聲;皮帶、鏈條等不均勻的傳動(dòng)噪聲;機(jī)床液壓系統(tǒng)的噪聲等也都是機(jī)床常見(jiàn)的噪聲源。有時(shí)當(dāng)多個(gè)不同頻率的噪聲雜亂無(wú)章地組合在一起時(shí)，為了更好地研究與分析它們的組成情況，還需要借助專(zhuān)業(yè)的噪聲測(cè)量?jī)x器與頻譜分析儀，通過(guò)頻譜分析可以更加準(zhǔn)確與量化地掌握不同頻率段噪聲的產(chǎn)生與輻射情況。

［1］ 周新祥.噪聲控制及應(yīng)用［M］.北京:海洋出版社，1999.

［2］ 樊 鵬.機(jī)床噪聲及其控制［M］.沈陽(yáng):遼寧人民出版社，1984.

［3］ 張 策.機(jī)床噪聲—原理及控制［M］.天津:天津科技出版社，1984.

［4］ 郭永環(huán)，范希營(yíng)，姜 輝，等.機(jī)床噪聲源的研究［J］.機(jī)械，2001 (6):72－74.

The Control and Prevention of Machine Noise

XUE Gang
(Nantong Lingyun CNC Machine Tool Co.，Ltd，Nantong Jiangsu 226003，China)

Aiming at the problem of machine tool noise harm to human，various causes and factors of the formation of machine noise are analyzed，the machine noise control and preventive measures are put forward to reduce the noise of the machine tool.

machine tool;noise;control;prevention

TG5

B

1007－4414(2013)05－0148－03

2013－08－13

薛 崗(1980－)，男，江蘇南通人，工程師，研究方向:數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與研究。