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降低機(jī)床主軸箱噪聲的措施
閱讀：756 發(fā)布時(shí)間：2021-9-10
在現(xiàn)代機(jī)床工業(yè)中，機(jī)床噪聲成了評(píng)價(jià)機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，因?yàn)樵肼暤母叩椭苯臃从吵霎a(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝措施、零件制造、配套件和裝配質(zhì)量以及管理的水平,而且直接影響操作者的身心健康。而機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《ZB J50 004金屬切削機(jī)床 噪聲聲壓級(jí)的測(cè)定》也對(duì)此作了強(qiáng)制性的規(guī)定，機(jī)床整機(jī)噪聲聲壓級(jí)不應(yīng)超過83dB(A)。在整機(jī)噪聲中，主軸箱的噪聲，因此如何減少主軸箱的噪聲就成為一個(gè)重要的課題。
我公司生產(chǎn)的數(shù)控鏜銑床及立式加工中心，主軸箱一般采用二級(jí)傳動(dòng)（圖1），級(jí)為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪軸1（齒數(shù)Z=31）將動(dòng)力傳給滑移齒輪2(Z=52)，第二級(jí)為滑移齒輪2傳到主軸齒輪4(Z=31)上或由齒輪5（Z=21）傳到主軸齒輪５(Z=62) 上。通過氣缸帶動(dòng)撥叉然后帶動(dòng)滑移齒輪２和５上下移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)變速。
由于機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)速度很高，所以齒輪的設(shè)計(jì)精度為5級(jí)，都經(jīng)過馬格磨齒機(jī)磨削過，但機(jī)床在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)仍有高的噪聲和沖擊聲，經(jīng)測(cè)定，聲壓級(jí)達(dá)到85dB，已經(jīng)超過了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的上限83dB。
拆開主軸箱側(cè)蓋發(fā)現(xiàn)噪聲主要來(lái)自一對(duì)大減速比５/３及２／４齒輪組合。拆下兩對(duì)嚙合的滑移齒輪發(fā)現(xiàn)齒端嚙合部有明顯的變毛現(xiàn)象。為檢查齒輪嚙合的接觸精度，在一個(gè)齒輪的齒面涂上紅丹粉，另一齒輪的齒面涂上普魯士蘭，然后根據(jù)兩齒輪嚙合時(shí)涂色的均勻性衡量齒輪的接觸精度，經(jīng)檢查，四齒輪接觸精度齒形方向?yàn)椋肺⒚祝X向方向?yàn)?0微米，接觸精度較差，且齒根過渡曲線處呈現(xiàn)出齒頂干涉現(xiàn)象（圖2）。
逐項(xiàng)分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，出現(xiàn)滑移齒輪齒端嚙合部變毛是因?yàn)闅鈩?dòng)換擋缺乏緩沖，高低速換擋時(shí)產(chǎn)生撞擊，滑移齒輪變毛是因?yàn)闅鈩?dòng)換擋缺乏緩沖，發(fā)生撞擊從而使齒輪變毛，如圖３所示，從徑向方向看換擋時(shí)兩齒輪的嚙合，由于換檔是在任意位置，沒有采取齒端倒角，則換擋時(shí)兩齒輪極可能產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致齒輪端部受沖擊撞毛，且換檔次數(shù)越多則受損越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致噪聲。為解決如上問題，一是換檔氣缸采用帶緩沖氣缸，二時(shí)齒輪采用齒端大倒角（30°~45°）,換擋時(shí)兩
齒輪先是相對(duì)滑動(dòng)直至正確嚙合(圖４)，大大減小了沖擊。齒頂干涉是因?yàn)槟X沒有磨到位，而且齒輪有齒形誤差和周節(jié)誤差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相嚙合輪齒提瞬時(shí)沖撞。解決的有效方法是在保證齒輪嚙合重疊系數(shù)的前提下，將配對(duì)大齒輪的齒頂高削低0.5mm,或者采用齒頂修緣。我們采用齒頂修緣，修緣量為：齒頂直線方向0.01m，齒高方向0.3m(m為齒輪模數(shù))（見圖5）。另外由于齒輪的齒向誤差或安裝誤差的存在，破壞了齒輪的接觸精度，進(jìn)而影響齒輪的噪聲，為了減小這些
誤差的影響可采用鼓形齒，即對(duì)輪齒齒向形狀進(jìn)行修整使之中凸0.05mm,使輪齒受載時(shí)載荷趨向均勻，有效地降低了噪聲。
經(jīng)過上述處理，主軸箱沖擊聲消失，噪聲也明顯降低，為進(jìn)一步改善噪聲，我們又采取了以下措施：
１．合理地控制齒側(cè)間隙。由于齒輪標(biāo)準(zhǔn)GB10095-88中，齒輪的加工誤差和安裝誤差、齒厚公差、中心距公差等隨機(jī)變量對(duì)齒側(cè)間隙的影響成正態(tài)概率分布，但實(shí)際裝配中可能出現(xiàn)或最小法向間隙，所以合理地控制齒側(cè)間隙尤為重要。根據(jù)齒輪副的實(shí)際工作狀況確定準(zhǔn)確的法向側(cè)隙，根據(jù)實(shí)際中心距和已加工齒輪的公法線數(shù)值，計(jì)算出另一齒輪的公法線長(zhǎng)度及其偏差。但要注意側(cè)隙并不是越小越好，側(cè)隙過小，噪聲將急劇增大;反之，若將側(cè)隙定得稍大一些，則對(duì)噪聲的影響并不大。這一點(diǎn)我們也有體會(huì)，最初我們將側(cè)隙定為e類，后來(lái)經(jīng)實(shí)驗(yàn)，將側(cè)隙放大到d類與e類之間，噪聲反而減小。
２．改善齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。原主軸箱齒輪２與４屬升速傳動(dòng)，而５與３減速比較大，這些都與噪聲產(chǎn)生有關(guān)。在基本不降低機(jī)床性能的情況下，我們減小了減速比，將齒輪２與４改為等速傳動(dòng)，收到了良好的效果。潤(rùn)滑。數(shù)控機(jī)床一般采用稀油潤(rùn)滑或油霧潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油必須經(jīng)過精細(xì)濾網(wǎng)過濾，否則其中含有的微粒易嵌入輪齒表面引起表面不平甚至點(diǎn)蝕，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲。
３．靜平衡大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，材質(zhì)不均勻，使通過轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，工作時(shí)產(chǎn)生不平衡的離心力，使齒輪副產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，所以大齒輪加工后作靜平衡有利于降低工作噪聲。
通過以上措施，我們成功地將主軸箱噪聲控制在７５dB以下，達(dá)到了機(jī)床優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。
我公司生產(chǎn)的數(shù)控鏜銑床及立式加工中心，主軸箱一般采用二級(jí)傳動(dòng)（圖1），級(jí)為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪軸1（齒數(shù)Z=31）將動(dòng)力傳給滑移齒輪2(Z=52)，第二級(jí)為滑移齒輪2傳到主軸齒輪4(Z=31)上或由齒輪5（Z=21）傳到主軸齒輪５(Z=62) 上。通過氣缸帶動(dòng)撥叉然后帶動(dòng)滑移齒輪２和５上下移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)變速。
由于機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)速度很高，所以齒輪的設(shè)計(jì)精度為5級(jí)，都經(jīng)過馬格磨齒機(jī)磨削過，但機(jī)床在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)仍有高的噪聲和沖擊聲，經(jīng)測(cè)定，聲壓級(jí)達(dá)到85dB，已經(jīng)超過了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的上限83dB。
拆開主軸箱側(cè)蓋發(fā)現(xiàn)噪聲主要來(lái)自一對(duì)大減速比５/３及２／４齒輪組合。拆下兩對(duì)嚙合的滑移齒輪發(fā)現(xiàn)齒端嚙合部有明顯的變毛現(xiàn)象。為檢查齒輪嚙合的接觸精度，在一個(gè)齒輪的齒面涂上紅丹粉，另一齒輪的齒面涂上普魯士蘭，然后根據(jù)兩齒輪嚙合時(shí)涂色的均勻性衡量齒輪的接觸精度，經(jīng)檢查，四齒輪接觸精度齒形方向?yàn)椋肺⒚祝X向方向?yàn)?0微米，接觸精度較差，且齒根過渡曲線處呈現(xiàn)出齒頂干涉現(xiàn)象（圖2）。
逐項(xiàng)分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，出現(xiàn)滑移齒輪齒端嚙合部變毛是因?yàn)闅鈩?dòng)換擋缺乏緩沖，高低速換擋時(shí)產(chǎn)生撞擊，滑移齒輪變毛是因?yàn)闅鈩?dòng)換擋缺乏緩沖，發(fā)生撞擊從而使齒輪變毛，如圖３所示，從徑向方向看換擋時(shí)兩齒輪的嚙合，由于換檔是在任意位置，沒有采取齒端倒角，則換擋時(shí)兩齒輪極可能產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致齒輪端部受沖擊撞毛，且換檔次數(shù)越多則受損越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致噪聲。為解決如上問題，一是換檔氣缸采用帶緩沖氣缸，二時(shí)齒輪采用齒端大倒角（30°~45°）,換擋時(shí)兩
齒輪先是相對(duì)滑動(dòng)直至正確嚙合(圖４)，大大減小了沖擊。齒頂干涉是因?yàn)槟X沒有磨到位，而且齒輪有齒形誤差和周節(jié)誤差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相嚙合輪齒提瞬時(shí)沖撞。解決的有效方法是在保證齒輪嚙合重疊系數(shù)的前提下，將配對(duì)大齒輪的齒頂高削低0.5mm,或者采用齒頂修緣。我們采用齒頂修緣，修緣量為：齒頂直線方向0.01m，齒高方向0.3m(m為齒輪模數(shù))（見圖5）。另外由于齒輪的齒向誤差或安裝誤差的存在，破壞了齒輪的接觸精度，進(jìn)而影響齒輪的噪聲，為了減小這些
誤差的影響可采用鼓形齒，即對(duì)輪齒齒向形狀進(jìn)行修整使之中凸0.05mm,使輪齒受載時(shí)載荷趨向均勻，有效地降低了噪聲。
經(jīng)過上述處理，主軸箱沖擊聲消失，噪聲也明顯降低，為進(jìn)一步改善噪聲，我們又采取了以下措施：
１．合理地控制齒側(cè)間隙。由于齒輪標(biāo)準(zhǔn)GB10095-88中，齒輪的加工誤差和安裝誤差、齒厚公差、中心距公差等隨機(jī)變量對(duì)齒側(cè)間隙的影響成正態(tài)概率分布，但實(shí)際裝配中可能出現(xiàn)或最小法向間隙，所以合理地控制齒側(cè)間隙尤為重要。根據(jù)齒輪副的實(shí)際工作狀況確定準(zhǔn)確的法向側(cè)隙，根據(jù)實(shí)際中心距和已加工齒輪的公法線數(shù)值，計(jì)算出另一齒輪的公法線長(zhǎng)度及其偏差。但要注意側(cè)隙并不是越小越好，側(cè)隙過小，噪聲將急劇增大;反之，若將側(cè)隙定得稍大一些，則對(duì)噪聲的影響并不大。這一點(diǎn)我們也有體會(huì)，最初我們將側(cè)隙定為e類，后來(lái)經(jīng)實(shí)驗(yàn)，將側(cè)隙放大到d類與e類之間，噪聲反而減小。
２．改善齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。原主軸箱齒輪２與４屬升速傳動(dòng)，而５與３減速比較大，這些都與噪聲產(chǎn)生有關(guān)。在基本不降低機(jī)床性能的情況下，我們減小了減速比，將齒輪２與４改為等速傳動(dòng)，收到了良好的效果。潤(rùn)滑。數(shù)控機(jī)床一般采用稀油潤(rùn)滑或油霧潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油必須經(jīng)過精細(xì)濾網(wǎng)過濾，否則其中含有的微粒易嵌入輪齒表面引起表面不平甚至點(diǎn)蝕，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲。
３．靜平衡大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，材質(zhì)不均勻，使通過轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，工作時(shí)產(chǎn)生不平衡的離心力，使齒輪副產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，所以大齒輪加工后作靜平衡有利于降低工作噪聲。
通過以上措施，我們成功地將主軸箱噪聲控制在７５dB以下，達(dá)到了機(jī)床優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。