机床噪声的控制与预防.pdf

经验交流 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 机械研究与应用 机床噪声 的控制与预 防 薛 岗 南通凌云数控机床有限公司 ， 江苏 南通2 2 6 0 0 3 摘要 针对机床噪声对人的危害问题， 分析 了形成机床噪声的各种原因和因素， 提 出了机床噪声控制与预防对策， 以达到降低机床噪声的 目的。 关键词 机床 ； 噪声； 控制； 预防 中图分类号 T G 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 5 0 1 4 8 0 3 The Co nt r o l an d Pr e v e n t i o n o f M a c hi n e No i s e XUE Ga n g N a n t o n g L i n g y u n C N C Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ， N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f ma c h i n e t o o l n o i s e h a r m t o h u ma n，v a r i o u s c a u s e s a n d f a c t o r s o f t h e f o rm a t i o n o f ma c h i n e n o i s e a r e a n a l y z e d， t h e ma c h i n e n o i s e c o n t r o l a n d p r e v e n t i v e me a s u r e s are p u t f o r w a r d t o r e d u c e t h e n o i s e o f t h e ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r dsma c h i ne t o o l ；n o i s e；c o n t r o l；p r e v e n t i o n 1 机床噪声的主要来源与特点 随着机床技术的发展和人们生活水平 的提高 ， 机 床加工中的噪声污染越来越引起人们 的重视 。医学 试验研究表明， 当工人长期处于 8 5 d B以上的噪声环 境中时， 他们更容易出现注意力分散， 工作效率下降， 乃至引起工伤事故。如果工作环境长时间得不到改 善， 他们患上听力 、 神经 系统 、 心血管系统 、 消化系统 等疾病 的几率也会大 幅增加 ⋯。因此 ， 机 床的噪声 污染必须得到控制。 机床的噪声主要来源于其空运转时的噪声和切 削工件时所产生 的噪声。其中空运转噪声是 由机床 本身的结构决定的 ， 它与机床 的结构形式 、 机 械传动 系统的布置 、 传动件的设计 、 公差配合的选用 、 工艺方 法和机床装配质量等 因素密切相关。 ⋯ 国家对于金 属切削机床在空运转条件下的噪声声压级的限值 ， 在 G B 1 5 7 6 0 2 0 0 4金属切削机床 安全防护通用技术条 件第 5 ． 8条作了明确规定 ， 应符合表 1的规定 。 表 1 机床空运转噪声声压级的限值 机床噪 声 的的测 量方 法应 符合 G B ／ T 1 6 7 6 9 2 0 0 8的有关规定， 以实测的验证方法获得。 切削噪声是在机床切削工件条件下产生的， 相关 因素包括 了刀具 、 夹具和工件系统的状况 。 2 机床噪声的控 制与预 防 2 ． 1 空运转噪声的控制 机床空运转噪声 主要来源于齿轮箱和运动回转 部件 ， 可通过改善传动齿轮 、 轴承 、 变速箱体等零件特 性以及合理应用阻尼材料来控制噪音。 2 ． 1 ． 1 齿轮噪声的控制 齿轮的设计参数 、 加工工艺和工作情况是齿轮噪 声形成的主要原因； 制造精度 、 参数 、 装配质量等因素 对噪声的影响很大。影响齿轮噪声的基本 因素有 齿 轮的类型 、 齿数、 模数 、 压力 角、 齿面宽度 、 齿 面光洁 度 、 基节误差 、 齿形误差、 啮合系数 ， 以及齿轮 的加工 方法 、 齿轮传动时 的转 速、 载荷 、 装 配工艺等 J 。针 对齿轮噪声形成的各种因素 ， 我们可以从改进齿轮类 型和结构 ， 提高齿轮加工精度等方面来采取措施 ， 合 理有效地来控制和预防齿轮噪声的产生 。 在设计齿轮的结构时选用合理的齿 轮类型结构 对 降低 噪声 有 很 好 的效 果。在 我 厂 自主 研 发 的 Y Z 1 6 2 0全 自动切齿机主轴齿轮箱 的设 计过程 中， 由 于该机床有高强度 、 满负载 、 工件切削余 量大等一系 列特殊要求 ， 所以在齿轮箱的设计过程 中工程师选用 了模数为 4， 齿数分别 为 5 2 ， 4 8 ， 4 8 ， 4 5等一系列的大 模数 ， 大齿数的标准圆柱直齿轮。齿轮箱试制完成后 试运转 ， 发现齿轮在啮合时振动和冲击 现象明显 ， 尤 其在高速时更引起强烈振动和噪声。针对 因齿轮箱 问题造成该机床的运转噪声大 的问题 ， 在新 品试 制 时 ， 技术科提出了更改办法 1 将主轴箱内的传动齿轮的类型 ， 由标准的圆 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 3 作者简介 薛岗 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江苏南通人 ， 工程师 ， 研究方 向 数控机床的设计 与研究 。 1 48 机械 研究 与应用 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 经验交流 柱直齿轮改 为螺旋 角为 1 5 。 的斜 齿轮 以减小 噪声。 因为直齿轮的齿在接触瞬间是整个齿宽的线接触 ， 传 动时产生的啮合冲击较大。而改为使用斜齿轮传动， 虽然也是线接触的 ， 但它是 由齿 面上的一点 ， 渐渐 向 下延伸而通过整个齿面的， 与直齿轮具有不同的齿接 触特征 ， ， 因而斜齿轮冲击较小 。如图 1所示 ， 两种类 型的齿轮传动时具有 1 ， 2 ， 3 ， 4不同的轮齿啮合线轨 迹 ， 在相 同转速和切削负载状态 下 ， 改用斜齿 轮传动 能有效地降低噪声 。 a 赢齿轮 b 斜齿轮 图 1 不同类型齿轮轮齿接触特征 2 调整主轴箱 内传动齿轮的传动 比， 保证从动 力输 出端 的电机齿 轮到带动主轴传动的最末端齿轮 之间的每对齿轮的齿数传动 比均为非整数值 。这样 可以避免 因齿轮制造过程 中的误差以周期性 的形态 影响齿轮传动， 而加剧振动产生噪声。 提高齿轮加工 的精度等级要求 ， 提高齿轮齿面的 加工粗糙度要求 ， 对齿轮的外加工单位提出磨齿加工 的要求 ， 以减小齿形误差和基节误差来降低噪声。 齿形误差和基节误差会造 成齿轮在 啮合时产生 振动和冲击 、 尤其在高速时更引起强烈振动和噪声 。 误差越大 ， 噪声越大。因此通过提高齿轮加工刀具的 制造精度 ， 来减小齿轮误差 ， 降低噪声。合理确定表 面粗糙度 ， 主要考虑表面粗糙度对齿面磨损的影 响。 由于在一定条件下表面粗糙度太粗或太细均会导致 齿面磨损加剧 ， 齿轮精度下降。齿面抗磨损的最佳表 面粗糙度数值与齿轮所受负荷大小有关 ， 其数值在负 荷重时要 比负荷轻时大 。 4 提高齿轮 的装配质量。在齿轮装配时， 必须 保证齿轮两轴平行度和中心距的要求 ， 使齿轮正常啮 合 ， 减少齿轮冲击 ， 降低噪声 。做好齿轮的动平衡 ， 尤 其是主轴箱内的大模数 ， 大齿数 的几只大齿 轮 ， 因其 转速高、 质量大 、 直径大的特点 ， 齿轮动平衡不好会产 生振动和噪声。 通过对主轴箱 内齿轮的这一系列改进措施 ， 在该 型号机床第二台制造完成后试运转 ， 主轴箱 内齿轮冲 击与振动现象得到 明显改观 ， 噪声降低不少 ， 降噪效 果 明显 。 2 ． 1 ． 2 轴承噪声 的控制 轴承分为滚动轴承与滑动轴承两大类 。一般说 来 ， 滑动轴承转动时的噪声要小于滚动轴承。但由于 滚动轴承承受负载能力大 ， 且根据承载方 向的不同可 以选用不同种类的滚动轴承等优点， 目 前机床设计过 程中主要还是以选用滚动轴承为主。 由于滚动轴承本身的结构特点 ， 在运转过程中必 然会产生噪声 ， 对滚动轴承运转过程 中的噪声应给予 合理的控制与预防 1 避免轴承超载 负载可使轴承产生 的噪声增 大， 在轴类零件负载大的工作场合 ， 应选用重型轴承 作为支撑。 尽量选择精度高的轴承 ， 降低噪声 。例如我厂生 产 的 M7 1 3 0系列 的平面磨床 ， 用于磨头 主轴上 的轴 承， 由于磨床磨削时主轴精度要求高 ， 此时就应选用 高精度的 P 5级轴承 ， 而用于其它部位 的轴承选用普 通等级的就可以满足要求。 合理调整轴承间隙 对于滚动轴承来说 ， 轴承安 装后均有工作 间隙存在 ， 工作 间隙过大， 轴承内载荷 不稳定 ， 运动时产生振动 ， 增大噪声 ， 轴承精度和疲劳 强度差 ， 寿命缩短 ； 工作间隙过小 ， 将造成承载时轴承 温度过高 ， 易产生 “ 热咬死” ， 产 生振 动， 同样会增大 噪声 ， 以致损坏。所以安装轴承应根据工作精度 ， 使 用场合转速高低 ， 选择合理 的轴承工作 问隙， 还应考 虑轴承与轴和外壳孔配合 ， 以及机床运转时温度等因 素。一般高速运转 的轴承采用较大的工作游 隙， 低速 重载荷的轴承， 采用较小 的工作游隙 ， 以得到优化 的 载荷分布和最长寿命。 选择合理的轴承润滑系统 良好 的润滑可 以降低 轴承噪声。 2 ． 1 ． 3 变速箱体噪声的控制 目前机床上的变速箱体基本上都是铸造结构 ， 合 理的变速箱结构 ， 对于机床 的减振作用 ， 阻断噪声 的 辐射效果明显 。工程师在设计过程 中应尽可能提高 变速箱的密闭性 ， 使变速箱中的空气声被封闭在箱体 内， 尽量减少箱体上的窗 口与操纵变速手柄 的数量 ， 对箱体上的缝隙给予密封。实践证 明， 这是降低变速 箱体噪声最简便也最易行的方案。 在机床运转过程中， 变速箱的噪声绝大部分是通 过箱体表面传递出去的， 箱体表面积振动越大传递的 声能也越大 ， 因此在变速箱体 的设计过程中尽可能缩 小箱体表面积 ， 同时提高箱体 的刚性是降低噪声的又 一 措施。箱体内表面多采取曲面造型， 转角处采用大 半径 圆角 ， 同时在箱壁受 冲击最强 ， 振动速度最大 的 区域增加加强筋 ， 都是提高箱体刚性 ， 降低噪声 的有 效措 施 。 2 ． 1 ． 4阻尼材料的应用 阻尼材料是一种新型的高分子材料 ， 由于其具有 1 4 9 经验交流 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 机械研究与应 用 高阻尼的特性 ， 在变形 时能消耗能量 ， 将部分机械振 动吸收转化掉， 所以在一些高端的数控加工中心上 ， 这一技术在降低噪声方面得以应用 。将 阻尼板材固 定在机床的主要振动 区域 ， 齿轮副上或箱体外 围， 可 以显著降低噪声。另外 ， 目前还有一种阻尼涂 料， 将 其涂覆在金属结构 的表面 ， 例如可喷涂在齿轮端面， 形状复杂的齿轮箱 内表面等处 ， 也具有一定的减振降 噪的效果 。 2 ． 2 工件切削过程中噪声的控制 2 ． 2 ． 1 正确选择加工工艺和切削用量 在切削过程 中， 切削用量直接影响工件的加工精 度与加工 质量 ， 同时 与噪声级 的大 小有很 大关 系。 如 ， 在切削过程中， 有时会遇到尖叫的刺耳声 ， 此时适 当减少切削量 ， 噪声会立即降低或消失。在机床的实 际使用 中， 操作者应严格按照工件加工工艺上要求 的 切削进刀量 ， 切削时机床的转速来进行工件的加工。 2 ． 2 ． 2 选择合适的刀具及时更换磨损的刀具 刀具的材料和刀具角度的选择 ， 直接影响切削过 程及切削力 。刀具安装是否合理 ， 也与切削噪声大小 有很大关系。及时更换刀盘上磨损的刀片 ， 例如选用 高强度的 Y G 8硬质合金钢刀具进行切削 ， 能很好 的 降低工件切削过程中的振动和噪声。 2 ． 2 ． 3 通过增加支承与支架提高稳定性减振减噪 机床上加工工件距离主轴较长 ， 可通过增加支承 上接第 1 4 7页 隙增大 ， 车轮在不平直变形轨道上运行时车轮容易从 轴颈上向外退出 ， 而轴端挡板螺钉压紧力根本压不住 车轮退出， 为防止车轮外退 ， 检修人员将车轮轴颈与 车轮 内侧面焊高度 1 0 mm一整圈焊缝 固定 ， 见图 3 所示 。 图3 车轮颈与车轮内侧面焊接实物图 因4 0 C r 和 4 5钢含碳较高 ， 在常温下焊接时， 因 母材温度较低 ， 焊缝在瞬问产生的热量对轴颈表层加 热和冷却速度都较快， 轴表面在焊缝热影响区靠近熔 1 5 0 支架的办法 ， 增加机床的切削稳定性。如常用的 X 6 3 卧式铣床 ， 当需要安装长刀杆对工作台上工件水平面 进行纵 向加工时， 由于加工位置距离机床的主轴端面 较长 ， 因此 ， 需要在机床 的床身悬梁前端安装刀杆支 架 ， 从而提高工件加工的精度 ， 同时很好地降低 了机 床的振动和噪声 。 3 结 语 造成机床噪声的因素很多 ， 除了文中所分析的齿 轮 、 轴承 、 变速箱体以及工件切削等主要原因 ， 此外电 动机在运转过程中所产生的通风噪声 ， 机械及电磁噪 声 ； 皮带 、 链条等不均匀的传动噪声 ； 机床液压系统的 噪声等也都是机床 常见的噪声源 。有 时当多个不同 频率 的噪声杂乱无章地组合在一起时 ， 为了更好地研 究与分析它们的组成情况 ， 还需要借助专业的噪声测 量仪器与频谱分析仪 ， 通过频谱分析可以更加准确与 量化地掌握不 同频率段噪声的产生与辐射情况。 参考文献 [ 1 ] 周新祥 ． 噪声控制及应用[ M] ． 北京 海洋 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 樊鹏 ． 机床噪声及其控制[ M] ． 沈 阳 辽宁人民出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 3 ] 张策． 机床 噪声一 原理及控 制 [ M] ． 天津 天津 科技 出版社 ， 1 9 8 4． [ 4] 郭永环 ， 范希营 ， 姜辉 ， 等． 机床噪声 源的研 究 [ J ] ． 机 械 ， 2 0 0 1 6 7 2 7 4 ． 合线一侧在快速冷却时容易形成一圈薄层 马氏体硬 脆金相组织 ， 有导致开裂 的危险 ， 另一方面热影 响区 靠近熔合线处的晶粒因受高热易于粗化 ， 即容易使轴 颈焊接熔合线表面淬火 ， 形成环状马氏体组织 ， 马氏 体容易形成表面裂 纹， 形成应力集 中， 在较大外力 冲 击和弯扭矩作用下 ， 造成轴颈断裂 ， 故这也是主要原 因之一 。 4 总 结 综上所述 ， 今后在类似车轴的设计 中， 应避免以 上问题 。该厂针对车轴技术改进后如今 已可正常使 用 ， 取得了很好的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 郑文纬 ， 吴克坚 ， 郑星河． 机械原 理 [ M] ．北京 高等 教育 出版 社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 杨可桢． 机械设计基础 [ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 吴先文．机械设备维修技术[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 1 2 ．