數(shù)控加工中心主軸箱噪聲原因分析及改進(jìn)措施

湯海鋒，任正法

（1.浙江旺邦精密機(jī)床有限公司，浙江臺(tái)州 318001；2.浙江日發(fā)精密機(jī)械股份有限公司，浙江紹興 312500）

0 引言

機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，受到激發(fā)，會(huì)對(duì)激發(fā)力產(chǎn)生響應(yīng)而引起振動(dòng)。能量在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中傳播，當(dāng)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)是由主軸箱、主軸組件（包括軸承）、幾對(duì)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(dòng)平衡不理想等），激發(fā)力越大，振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)滾動(dòng)軸承數(shù)一般在4～7 個(gè)，齒輪變速傳動(dòng)滾動(dòng)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(dòng)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(jí)、圓柱度、同軸度和軸承支撐孔端面跳動(dòng)，主軸的本體強(qiáng)度和剛度，螺母鎖緊力，法蘭盤(pán)壓緊力，潤(rùn)滑以及冷卻方式等都對(duì)噪聲有很大影響。滾動(dòng)軸承的噪聲是主傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)主要噪聲源。在轉(zhuǎn)速4500 r/min以上時(shí)表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈，主軸會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)、彎曲變形，軸承環(huán)本身在離心力的作用下會(huì)產(chǎn)生徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)。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(zhuān)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(dòng)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(guò)緊過(guò)松都會(huì)引起軸承噪聲，若配合過(guò)緊，主傳動(dòng)剛性提高，但滾動(dòng)體間壓力增加，內(nèi)外圈和滾動(dòng)體摩擦相應(yīng)加劇，熱量得不到有效散發(fā)，內(nèi)外圈、滾動(dòng)體受熱膨脹，徑向間游隙更小，接觸應(yīng)力增大，會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)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(guò)松，保持架與滾動(dòng)體會(huì)引起沖擊，也會(huì)加大噪聲。

（3）軸承潤(rùn)滑油的選擇。主軸軸承潤(rùn)滑脂的顆粒雜質(zhì)需控制在20 μm 以下，過(guò)大的雜質(zhì)在滾道和滾動(dòng)體之間被碾碎的同時(shí)，使?jié)L道面、轉(zhuǎn)動(dòng)面上產(chǎn)生壓痕，而導(dǎo)致噪聲提高。適量的潤(rùn)滑油脂封入量在滾道面和轉(zhuǎn)動(dòng)面間引成一層潤(rùn)滑油膜，對(duì)外來(lái)振動(dòng)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(guò)程中會(huì)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(dòng)體會(huì)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(huì)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(dòng)系統(tǒng)是由主電機(jī)和主軸間用同步帶來(lái)傳動(dòng)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(wú)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(zhǎng)度有關(guān)，為消除噪聲可在同步帶背的內(nèi)表面開(kāi)工藝凹槽或直接將凹槽開(kāi)于帶輪上，以減少齒間截留的空氣容量?；剞D(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(dòng)系統(tǒng)是由主電機(jī)和齒輪副來(lái)完成傳動(dòng)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(guò)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(dòng)并帶來(lái)沖擊噪聲。

（2）因齒輪與傳動(dòng)軸及軸承的裝配出現(xiàn)偏心、配合間隙、聯(lián)接松緊等都會(huì)引起的旋轉(zhuǎn)不平衡，即所謂的動(dòng)平衡精度差，因此產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)速相一致的振動(dòng)。

（3）因齒與齒嚙合是齒面間會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生的自激振動(dòng)并帶來(lái)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(jí)和提高裝配質(zhì)量。

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)。傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)上加劇振動(dòng)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(duì)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(zhǎng)度精度，傳動(dòng)軸剛性，傳動(dòng)軸與齒輪、軸承的配合精度及其零件本身的動(dòng)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(mǎn)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(rùn)滑油可有效抑制噪聲。潤(rùn)滑油主要起齒面間潤(rùn)滑和冷卻，在一定程度上還起阻尼作用，一般高速齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑油對(duì)齒輪副嚙出側(cè)進(jìn)行噴油潤(rùn)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(rùn)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(guò)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(dòng)，當(dāng)振源的頻率達(dá)到主軸箱的固有頻率是就會(huì)引起共振，對(duì)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(dòng)，減輕主軸箱噪聲是設(shè)計(jì)主軸箱的評(píng)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(dòng)部件的支撐體，其剛性、強(qiáng)度、安裝空間會(huì)直接影響到主軸運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的振動(dòng)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(dòng)力時(shí)，零部件相互作用產(chǎn)生激力振動(dòng)。傳動(dòng)鏈越多則出現(xiàn)振動(dòng)的概率也就越高，進(jìn)而引起噪聲也越大，故縮短傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)。

主軸箱的噪聲是主運(yùn)動(dòng)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)。