高速滾珠絲杠副的碰撞噪聲控制

張佐營(yíng)，楊根喜，姜洪奎

（1.徐州工程學(xué)院，江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221018；2.山東建筑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，濟(jì)南 250100）

精密滾珠絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)滾珠絲杠副的速度要求也越來越高，滾珠絲杠副的高速化必然會(huì)產(chǎn)生溫升、噪聲等諸多問題。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，噪聲已成為制約滾珠絲杠副高速化的關(guān)鍵問題之一。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的高速滾珠絲杠副與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比，噪聲普遍較大。

日本學(xué)者五十嵐昭南、德長(zhǎng)靖等[1―5]在上世紀(jì)末對(duì)滾珠絲杠副的噪聲機(jī)理進(jìn)行了較為全面的研究，研究認(rèn)為滾珠絲杠副的主要噪聲機(jī)理為滾珠對(duì)返向器的沖擊和絲杠滾道波紋度激起的強(qiáng)迫振動(dòng)。國(guó)內(nèi)對(duì)滾珠絲杠副的噪聲問題的研究較少，文獻(xiàn)[6]研究了精密滾珠絲杠副軸向振動(dòng)的激勵(lì)因素，研究認(rèn)為滾珠與返向器的碰撞是激起滾珠絲杠副軸向振動(dòng)的主要因素。文獻(xiàn)[7]研究了滾珠絲杠副中滾珠與返向器的碰撞，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性，分析了影響碰撞力大小的因素。

本文分析了降低絲杠副中滾珠與返向器的碰撞力的方法，對(duì)滾珠絲杠副的返向器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過噪聲試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的滾珠絲杠副的降噪效果。

1 降低碰撞力的方法分析

滾珠絲杠副的噪聲屬于典型的機(jī)械噪聲，機(jī)械噪聲來源于機(jī)械部件之間的交變力。這些力的傳遞和作用一般分為三類，即撞擊力、周期性作用力和摩擦力。日本學(xué)者的研究[2]表明滾珠絲杠副中撞擊力產(chǎn)生的噪聲最大。而撞擊力的大小對(duì)噪聲的影響也最為顯著。文獻(xiàn)[7]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的碰撞模型，利用赫茲接觸模型和牛頓第二定律得到了滾珠與返向器碰撞的最大變形量和最大碰撞力分別為

式中v0表示兩碰撞物體碰撞前的法向初速度，m1為滾珠的質(zhì)量，kh為剛度系數(shù)。

滾珠絲杠副中，滾珠的速度反映在d·n值上，d·n值越大，滾珠的速度越高，v0也就越大。保持其它參數(shù)不變，可以計(jì)算得到不同碰撞角時(shí)碰撞力隨d·n值的變化情況，如圖1所示。

圖1 碰撞角和d·n值對(duì)碰撞力的影響

從圖1可以看出，d·n值相同的情況下，隨著碰撞角的變大碰撞力顯著增大，在高d·n值情況下，碰撞角的影響更加明顯，在d·n值到達(dá)100 000時(shí)，碰撞角從2°增加到12°碰撞力則相應(yīng)地從9 N增大到68 N。因此對(duì)于高速絲杠的設(shè)計(jì)，應(yīng)特別注意減小碰撞角，盡量使返向器的滾道曲線與絲杠的螺旋滾道線相切。

假定其它參數(shù)不變，也不考慮材料密度的變化，滾珠與返向器使用不同的材料組合，彈性模量對(duì)碰撞力的影響如圖2所示。

圖2 彈性模量對(duì)碰撞力的影響

由圖2可以看出，隨著材料彈性模量的降低，碰撞力呈下降趨勢(shì)，當(dāng)碰撞的一對(duì)材料中有一種材料彈性模量較低時(shí)，另一種材料的彈性模量的高低變化對(duì)碰撞力幾乎沒有影響，圖2中工程塑料（E2＝6.5 GPa）與E1=310 Gpa，E1＝207 Gpa兩種彈性模量不同的滾珠的碰撞力基本沒有差別。這說明通過合理選擇滾珠與返向器的材料，使一種材料的彈性模量較低即可以達(dá)到降低碰撞力的目的。

2 返向器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

滾珠絲杠副的返向器結(jié)構(gòu)目前主要有三種，即內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)、插管式外循環(huán)結(jié)構(gòu)和端部偏轉(zhuǎn)式外循環(huán)結(jié)構(gòu)。插管式結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，可用于一列多圈滾珠的情況，因此在高速絲杠副中被國(guó)內(nèi)企業(yè)廣泛采用。但插管式絲杠副由于結(jié)構(gòu)本身的原因，插管與絲杠滾道的切線不可避免地存在較大的角度，滾珠進(jìn)入時(shí)碰撞角偏大。而且，插管多采用鋼管制造，其材料的彈性模量與鋼球相差不大，因此不利于降低碰撞力。

對(duì)新設(shè)計(jì)的絲杠副采用端部偏轉(zhuǎn)式返向器，返向器材料選用高強(qiáng)度工程塑料，采用注塑成型方式一次成型，材料的彈性模量約6.7 GPa，約為鋼管的彈性模量的2%，返向器滾道與絲杠滾道的切線方向夾角小于3°。返向器結(jié)構(gòu)如圖3所示，左面為改進(jìn)前的插管式返向器，材料為鋼質(zhì)，右面為改進(jìn)后的端部偏轉(zhuǎn)式返向器，材料為工程塑料。

圖3 返向器結(jié)構(gòu)

3 噪聲對(duì)比試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試驗(yàn)環(huán)境

噪聲對(duì)比實(shí)驗(yàn)是在高速滾珠絲杠副綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由控制柜、伺服電機(jī)、床身、直線導(dǎo)軌和前后軸承座、絲杠副、工作臺(tái)和配重塊組成[8]。

噪聲測(cè)量采用了B ＆ K公司的2230聲級(jí)計(jì)，噪聲計(jì)輸出的電壓信號(hào)由采集儀采集，送微機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理和分析。

噪聲信號(hào)采集使用東方振動(dòng)噪聲研究所的INV振動(dòng)噪聲采集儀，配套DASP數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，本文采用自功率譜分析原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)要求實(shí)驗(yàn)臺(tái)距墻壁之間的距離大于3 m。置噪聲計(jì)于絲杠副螺母行程中間位置，與水平方向成45°角指向絲杠副，距離為0.5 m。

由于滾珠絲杠副無法脫離伺服電機(jī)、軸承和導(dǎo)軌而單獨(dú)運(yùn)行，因此，所測(cè)噪聲中不可避免地會(huì)包含電機(jī)、軸承和導(dǎo)軌的噪聲成份，這里把這些噪聲當(dāng)作背景噪聲來處理。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不帶絲杠和導(dǎo)軌時(shí)，電機(jī)和軸承的噪聲水平在57 dB以下，導(dǎo)軌采用了NSK的靜音導(dǎo)軌，而在500 r/min以上的速度下，滾珠絲杠副的噪聲一般在69 dB以上，因此，背景噪聲對(duì)所測(cè)噪聲影響不大，頻譜分析時(shí)重點(diǎn)觀察幅值較高的譜峰即可。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)用絲杠副型號(hào)為兩種，插管式結(jié)構(gòu)的型號(hào)為3212，端部偏轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的型號(hào)為4032，雙螺母預(yù)緊，滴油潤(rùn)滑。噪聲測(cè)量與自譜分析結(jié)果如圖5—圖8所示。

插管式滾珠絲杠副中，由于工藝原因，鋼球與導(dǎo)珠管的碰撞角度較大，且導(dǎo)珠管的彈性模量較高，因此，碰撞力較大，碰撞力對(duì)其噪聲的貢獻(xiàn)也非常顯著。由圖5—圖6可以看出，該結(jié)構(gòu)絲杠副的噪聲較大，采集到的噪聲數(shù)據(jù)時(shí)域波形寬度在±1 000 mv之間；噪聲的頻率分布比較分散，存在多個(gè)較為顯著的譜鋒，在750 Hz附近有一固定的譜峰，可能是導(dǎo)珠管受到碰撞后激起的固有頻率振動(dòng)所致，實(shí)際聽起來音色也較差。

圖5 3212絲杠副轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的噪聲波形與頻譜

圖6 3212絲杠副轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)的噪聲波形與頻譜

4032絲杠副采用端部偏轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，使得滾珠可以基本上沿切線方向進(jìn)入工程塑料材質(zhì)的返向器，因此鋼球與返向器的碰撞力很小。由圖7—圖8可以看出，該結(jié)構(gòu)絲杠副的噪聲較插管式絲杠副有了顯著的降低，采集到的噪聲數(shù)據(jù)時(shí)域波形基本分布在±200 mv之間，只有插管式絲杠副噪聲數(shù)據(jù)的五分之一左右；且噪聲的頻率分布比較集中，只有一個(gè)較為顯著的譜鋒。事實(shí)上，該絲杠副的噪聲音色有很大的改善，聽起來較插管式絲杠副要柔和的多。

4 結(jié)語

圖7 4032絲杠副轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的噪聲波形與頻譜圖

本文通過分析影響滾珠絲杠副中滾珠與返向器碰撞力的因素，討論了降低該碰撞力的方法，對(duì)返向器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)絲杠副進(jìn)行了噪聲對(duì)比試驗(yàn)。研究表明通過減小返向器滾道與絲杠滾道切線的夾角，并采用彈性模量較小的工程塑料制作返向器，可以達(dá)到降低滾珠與返向器的碰撞力，進(jìn)而降低滾珠絲杠副噪聲的目的。

[1]五十嵐昭南，德長(zhǎng)靖，大熊一成.Studies on the sound and vibration of a ball screw (1 st report,sound characteristics of a ball screw)[J].Transactions of tthhee Japan Society of Mechanical Engineers,Part C,1987:617-622.

[2]德長(zhǎng)靖，五十嵐昭南，杉浦哲郎.Studies on the sound and vibration of a ball screw(2nd report,characteristics and generating mechanism of pulse sound)[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,,Part C,1989:2945-2950.

[3]德長(zhǎng)靖，五十嵐昭南，橋爪一宏.Studies on the sound and vibration of a ball screw(3 rd report,sound caused by waviness on flank of screw shaft)[J].Transactionnss ooff the Japan Society of Mechanical Engineers,Part C,1991:1874-1879.

[4]五十嵐昭南，德長(zhǎng)靖，德嵩敬浩.Studies on the sound and vibration of a ball screw(4 th report,effect of various factors on sound of a ball screw)[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,Part C,1993:3907-3913.

[5]五十嵐昭南，德長(zhǎng)靖，上村尚司.Studies on the sound and vibration of a ball screw(5 th report,sound caused by random waviness on flank surface)[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,Part C,1995:3369-3374.

[6]張佐營(yíng)，宋現(xiàn)春，姜洪奎.精密滾珠絲杠副軸向振動(dòng)激勵(lì)因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2008（1）：14-17.

[7]張佐營(yíng)，宋現(xiàn)春，姜洪奎.滾珠絲杠副中滾珠與返向器的碰撞研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008（1）：850-853.

[8]宋現(xiàn)春，劉劍等.高速滾珠絲杠副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制開發(fā)[J].工具技術(shù)，2005(3)：34-36.