论文部分内容阅读
摘要：数控加工中心的主动传动系统包含同步带、变速齿轮、电机等，可将转送速度提升至4000转/分钟以上。在运行过程中，因驱动主轴的作用，机械系统内部在摩擦、冲击、振动的影响下，经常产生噪声。本文围绕数控加工中心主轴箱轴承、同步带轮与同步带、齿轮的噪声源及改进控制方式等展开分析，以供参考。
关键词：数控加工中心;主轴箱;噪声源;改进控制方式
引言：数控加工中心是由机械设备与数控系统构成的，适用于加工复杂零件的高效率、自动化机床。其综合加工能力较强，工件一次装夹后能够完成较多加工内容，加工精度均能维持较高水准。与普通设备相比，中等加工难度的批量工件生产效率能够提高5～10倍。其缺点在于，主轴箱经常产生较大的噪声，需要改进。
1.数控加工中心主轴箱的噪声产生原因分析
本文以CK7815型数控车床为例，对主轴箱结构部件的主要噪声源进行分析。如图1所示，为CK7815型数控车床主轴部件结构示意图。按照图中的编号，各组件分别为：1-同步带轮;2-带轮;3、7、8、10、11-螺母、4-主轴脉冲发生器;5-螺钉;6-支架;9-主轴;12-角接触球轴承;13-前端盖;14-前支承套;15-圆柱滚子轴承。基于运行原理，主轴箱内部几乎所有构件均会产生噪声，按照大小进行排布，轴承、同步带轮与同步带、齿轮等相对严重。
1.1轴承的噪声源分析
数控加工中心主轴箱的可变速齿轮与电机直连传动系统可采取多种布置方式，以下列两种较为常见：①前端设有两列高速角接触球轴承，后方同样如此，整体结构布局为DB型;②前端设有两列高速圆柱滚子轴承，采取双向排布，额外添加高速推力角接触球轴承（同样为两列），后端在高速推力角接触轴承和高速圆柱滚子轴承中任选一种，采取两列排布[1]。
直连电机直接驱动传动系统的布置方式为：①前端采用高速角接触球轴承，采取两列排布;②中间部分选用高速角接触球轴承，前段布置为DB结构，在定子转子后方布置一个支撑用的轴承。
按照上述布置，主轴轴承自身、同步带、电机系统等具备并可同时投入使用的轴承数量最小为4个，最大可达7个;如果选用可变速齿轮滚动传动模式，则纳入的轴承数量需要进一步增加（原因在于：必须为输出轴、中间轴的轴向和径向载荷提供足够的支撑，滚动轴承的最大数量往往达到或超过10个）。当数控加工中心处于运转状态时，轴径、支撑孔的公差等级、圆柱度、同轴度、轴承支撑孔端面均会在同一时间发生“持续性跳动”，进而产生噪声。此外，主轴的强度、刚度、螺母的托尽力、法兰盘的压紧力、润滑程度等，会对轴承噪声的大小造成影响。
1.2同步带轮与同步带的噪声源分析
同步带是以钢丝绳或玻璃纤维作为强力层，在外表覆盖聚氨酯或者氯丁橡胶，形成环形带。其内周往往被制成锯齿状，目的在于与齿形的带轮相啮合。在传动过程中，尽管其传动比较为精准，对轴的作用力较小，且具备结构紧凑、耐油、耐磨、抗老化等优点，但在主电机和主轴传送段，同步带轮与同步带也会产生较大的噪声。
1.3齿轮的噪声源分析
齿轮的噪声源主要分为以下三种：
（1）齿轮在啮合的过程中，由于齿与齿的连续性相互接触，会持续不断地产生冲击噪声;
（2）在装配数控加工中心主轴箱时，由于装配过程存在疏漏，导致齿轮、传动轴、轴承的间隙过大，精度发生偏离，价值连接松紧度等未达到标准要求，均会导致转动过程无法维持平稳，故而产生非必要的振动，生成噪声;
（3）齿轮齿形的设置不甚合理，导致不同的齿面在接触期间，必然因自激振动而引发摩擦噪声。
2.改进数控加工中心主轴箱，减小噪声危害的有效方式
2.1轴承噪声的有效控制方式
（1）围绕轴承相配的轴径、支撑孔公差等级、圆柱度、同轴度等参数进行全面梳理，基于数控加工中心的工况要求、工件生产的具体需求，选择合适的轴承组合。
（2）配置精密轴承、主轴、主轴套筒时，务必对径向游隙进行精确控制。如果处于“过松”状态，则间隙内的空气会不断受到压缩而产生噪声;此外，保持架与滚动体之间会发生“冲击”，产生噪声;若处于“过紧”状态，则各部件之间频繁接触、摩擦之下，不仅会产生极大的噪声，还会使加剧构件磨损程度，导致加工工件质量下降。
（3）选择合适的轴承润滑油。主轴轴承润滑油的理想状态在于：颗粒杂质必须控制在20微米以下。否则，过多的杂质集中在辊道、滚动体之间，受轴承的挤压而逐渐形成碎屑，经过一段时间后，会在滚道面、转动面上生成很多压痕，导致噪声分贝进一步提高。
2.2同步带轮与同步带的噪声源控制
（1）当主轴处于高速运转的状态时，必须保证瞬间啮合，目的在于防止齿间截流的空气溢出。
（2）上述方式能够掐断噪声源的作用机理在于：①同步带轮与同步带产生的噪声大小取决于啮合的长度;②为了进一步提高噪声抑制强度，可在设计同步带式，将带背的内表面切开一个工艺凹槽，或将之直接设置于带轮之上，从而减少齿间截留的空气总量，完成对噪声的抑制。
（3）同步带回转系统随着刚性的提升，其能够产生的噪声分贝便会越低。基于此，在设计带轮的具体位置时，应该尽量使其接近主轴侧后方的轴承处。按照此种设置模式，回转系统的刚性即可提升，从而达到抑制噪声的目的。
2.3减小齿轮噪声的有效方式
（1）在数控加工中心试运行期间，对齿轮的齿形进行充分修正，防止啮合冲击。原理在于校正齿的弯曲变形现象，对齿轮的运行误差进行补偿，减小噪声。
（2）对啮合齿轮的中心距进行适当调整。实践显示，中心距较大，则不会对噪声的产生造成明显影响;中心距较小，会加剧噪声产生，故中心距不可过小[2]。
結语：数控加工中心主轴箱产生噪声的根本原因为：内部的各个传动部件处于运转状态时，因相互摩擦、冲击、振动等影响，发出较大的声音，经由多种渠道向外传播的过程中，受整体振动的二次影响，主轴箱也会随之振动，进而降低加工精度。故改进主轴箱体设计、布置合理结构、装配隔离盖板等，可有效控制噪声。
参考文献：
[1]汤海锋，任正法.数控加工中心主轴箱噪声原因分析及改进措施[J].设备管理与维修，2019（12）：127-128.
[2]徐青山. 大型数控落地镗铣加工中心动态特性分析及主轴箱优化[D].苏州大学，2013.
作者简介：杨青松，1981年10月，男，四川资阳人，大学，中级工程师，石油工具加工与设备管理方向
关键词：数控加工中心;主轴箱;噪声源;改进控制方式
引言：数控加工中心是由机械设备与数控系统构成的，适用于加工复杂零件的高效率、自动化机床。其综合加工能力较强，工件一次装夹后能够完成较多加工内容，加工精度均能维持较高水准。与普通设备相比，中等加工难度的批量工件生产效率能够提高5～10倍。其缺点在于，主轴箱经常产生较大的噪声，需要改进。
1.数控加工中心主轴箱的噪声产生原因分析
本文以CK7815型数控车床为例，对主轴箱结构部件的主要噪声源进行分析。如图1所示，为CK7815型数控车床主轴部件结构示意图。按照图中的编号，各组件分别为：1-同步带轮;2-带轮;3、7、8、10、11-螺母、4-主轴脉冲发生器;5-螺钉;6-支架;9-主轴;12-角接触球轴承;13-前端盖;14-前支承套;15-圆柱滚子轴承。基于运行原理，主轴箱内部几乎所有构件均会产生噪声，按照大小进行排布，轴承、同步带轮与同步带、齿轮等相对严重。
1.1轴承的噪声源分析
数控加工中心主轴箱的可变速齿轮与电机直连传动系统可采取多种布置方式，以下列两种较为常见：①前端设有两列高速角接触球轴承，后方同样如此，整体结构布局为DB型;②前端设有两列高速圆柱滚子轴承，采取双向排布，额外添加高速推力角接触球轴承（同样为两列），后端在高速推力角接触轴承和高速圆柱滚子轴承中任选一种，采取两列排布[1]。
直连电机直接驱动传动系统的布置方式为：①前端采用高速角接触球轴承，采取两列排布;②中间部分选用高速角接触球轴承，前段布置为DB结构，在定子转子后方布置一个支撑用的轴承。
按照上述布置，主轴轴承自身、同步带、电机系统等具备并可同时投入使用的轴承数量最小为4个，最大可达7个;如果选用可变速齿轮滚动传动模式，则纳入的轴承数量需要进一步增加（原因在于：必须为输出轴、中间轴的轴向和径向载荷提供足够的支撑，滚动轴承的最大数量往往达到或超过10个）。当数控加工中心处于运转状态时，轴径、支撑孔的公差等级、圆柱度、同轴度、轴承支撑孔端面均会在同一时间发生“持续性跳动”，进而产生噪声。此外，主轴的强度、刚度、螺母的托尽力、法兰盘的压紧力、润滑程度等，会对轴承噪声的大小造成影响。
1.2同步带轮与同步带的噪声源分析
同步带是以钢丝绳或玻璃纤维作为强力层，在外表覆盖聚氨酯或者氯丁橡胶，形成环形带。其内周往往被制成锯齿状，目的在于与齿形的带轮相啮合。在传动过程中，尽管其传动比较为精准，对轴的作用力较小，且具备结构紧凑、耐油、耐磨、抗老化等优点，但在主电机和主轴传送段，同步带轮与同步带也会产生较大的噪声。
1.3齿轮的噪声源分析
齿轮的噪声源主要分为以下三种：
（1）齿轮在啮合的过程中，由于齿与齿的连续性相互接触，会持续不断地产生冲击噪声;
（2）在装配数控加工中心主轴箱时，由于装配过程存在疏漏，导致齿轮、传动轴、轴承的间隙过大，精度发生偏离，价值连接松紧度等未达到标准要求，均会导致转动过程无法维持平稳，故而产生非必要的振动，生成噪声;
（3）齿轮齿形的设置不甚合理，导致不同的齿面在接触期间，必然因自激振动而引发摩擦噪声。
2.改进数控加工中心主轴箱，减小噪声危害的有效方式
2.1轴承噪声的有效控制方式
（1）围绕轴承相配的轴径、支撑孔公差等级、圆柱度、同轴度等参数进行全面梳理，基于数控加工中心的工况要求、工件生产的具体需求，选择合适的轴承组合。
（2）配置精密轴承、主轴、主轴套筒时，务必对径向游隙进行精确控制。如果处于“过松”状态，则间隙内的空气会不断受到压缩而产生噪声;此外，保持架与滚动体之间会发生“冲击”，产生噪声;若处于“过紧”状态，则各部件之间频繁接触、摩擦之下，不仅会产生极大的噪声，还会使加剧构件磨损程度，导致加工工件质量下降。
（3）选择合适的轴承润滑油。主轴轴承润滑油的理想状态在于：颗粒杂质必须控制在20微米以下。否则，过多的杂质集中在辊道、滚动体之间，受轴承的挤压而逐渐形成碎屑，经过一段时间后，会在滚道面、转动面上生成很多压痕，导致噪声分贝进一步提高。
2.2同步带轮与同步带的噪声源控制
（1）当主轴处于高速运转的状态时，必须保证瞬间啮合，目的在于防止齿间截流的空气溢出。
（2）上述方式能够掐断噪声源的作用机理在于：①同步带轮与同步带产生的噪声大小取决于啮合的长度;②为了进一步提高噪声抑制强度，可在设计同步带式，将带背的内表面切开一个工艺凹槽，或将之直接设置于带轮之上，从而减少齿间截留的空气总量，完成对噪声的抑制。
（3）同步带回转系统随着刚性的提升，其能够产生的噪声分贝便会越低。基于此，在设计带轮的具体位置时，应该尽量使其接近主轴侧后方的轴承处。按照此种设置模式，回转系统的刚性即可提升，从而达到抑制噪声的目的。
2.3减小齿轮噪声的有效方式
（1）在数控加工中心试运行期间，对齿轮的齿形进行充分修正，防止啮合冲击。原理在于校正齿的弯曲变形现象，对齿轮的运行误差进行补偿，减小噪声。
（2）对啮合齿轮的中心距进行适当调整。实践显示，中心距较大，则不会对噪声的产生造成明显影响;中心距较小，会加剧噪声产生，故中心距不可过小[2]。
結语：数控加工中心主轴箱产生噪声的根本原因为：内部的各个传动部件处于运转状态时，因相互摩擦、冲击、振动等影响，发出较大的声音，经由多种渠道向外传播的过程中，受整体振动的二次影响，主轴箱也会随之振动，进而降低加工精度。故改进主轴箱体设计、布置合理结构、装配隔离盖板等，可有效控制噪声。
参考文献：
[1]汤海锋，任正法.数控加工中心主轴箱噪声原因分析及改进措施[J].设备管理与维修，2019（12）：127-128.
[2]徐青山. 大型数控落地镗铣加工中心动态特性分析及主轴箱优化[D].苏州大学，2013.
作者简介：杨青松，1981年10月，男，四川资阳人，大学，中级工程师，石油工具加工与设备管理方向