數控加工中心主軸箱噪聲原因分析及改進措施

湯海鋒，任正法

（1.浙江旺邦精密機床有限公司，浙江臺州 318001；2.浙江日發精密機械股份有限公司，浙江紹興 312500）

0 引言

機械系統在運行時，受到激發，會對激發力產生響應而引起振動。能量在整個機械系統中傳播，當振動傳播到零部件表面，這個能量就轉換成壓力波經空氣再傳播，引起噪聲。

同步帶傳動是由主軸箱、主軸組件（包括軸承）、同步帶輪、同步帶和主軸電機等部件組成；齒輪變速傳動是由主軸箱、主軸組件（包括軸承）、幾對齒輪副和主軸電機等零部件組成，運作時這些零部件激發響應，并在系統內部傳遞和輻射出現了噪聲，而這些部件又由于出現了異常情況（如主軸箱發生共振、主軸動平衡不理想等），激發力越大，振動和噪聲就越大。

1 軸承的噪聲分析

同步帶，齒輪變速和電機直聯傳動系統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 結構布。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）。電機直驅傳動系統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 結構布置，在定子轉子后部布置一個支撐軸承（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、電機直聯和電機直驅傳動滾動軸承數一般在4～7 個，齒輪變速傳動滾動軸承數就更多些（需支撐輸出軸、中間軸齒輪的軸向和徑向載荷），滾動軸承數一般可達10 個。與軸承相配的軸徑和支撐孔公差等級、圓柱度、同軸度和軸承支撐孔端面跳動，主軸的本體強度和剛度，螺母鎖緊力，法蘭盤壓緊力，潤滑以及冷卻方式等都對噪聲有很大影響。滾動軸承的噪聲是主傳動系統中一個主要噪聲源。在轉速4500 r/min以上時表現尤為強烈，主軸會產生軸向振動、徑向振動、彎曲變形，軸承環本身在離心力的作用下會產生徑向振動和軸向振動。軸承噪聲控制如下。

（1）根據加工中心使用工況要求，合理選擇相應的軸承及其組合。

（2）設計中要正確選擇與精密軸承相配合的孔和軸精度要求，一般可在專業軸承生產廠家的樣本上查到相應的數據。在加工中心的主傳動系統中，精密軸承與主軸、主軸套筒配合時，需留有一定的徑向游隙，過緊過松都會引起軸承噪聲，若配合過緊，主傳動剛性提高，但滾動體間壓力增加，內外圈和滾動體摩擦相應加劇，熱量得不到有效散發，內外圈、滾動體受熱膨脹，徑向間游隙更小，接觸應力增大，會導致滾動面出現劃痕、細裂紋等缺陷，引起噪聲加劇，直至軸承燒結；若配合過松，保持架與滾動體會引起沖擊，也會加大噪聲。

（3）軸承潤滑油的選擇。主軸軸承潤滑脂的顆粒雜質需控制在20 μm 以下，過大的雜質在滾道和滾動體之間被碾碎的同時，使滾道面、轉動面上產生壓痕，而導致噪聲提高。適量的潤滑油脂封入量在滾道面和轉動面間引成一層潤滑油膜，對外來振動產生阻尼，從而降低噪聲。

（4）根據使用情況在軸承外圈支撐部位加設冷卻油槽，進行強行冷卻。精密軸承在高速運行過程中會產生大量的熱量，若產生的熱量大于散熱，內外圈和滾動體會熱膨脹，導致徑向游隙減小，滾道面和滾道體受力加劇，噪聲也會與之增大。

2 同步帶輪與同步帶的噪聲分析

數控銑削加工中心同步帶傳動系統是由主電機和主軸間用同步帶來傳動的。因此，同步帶輪與同步帶運轉也是主要噪聲源之一。

同步帶輪與同步帶的噪聲控制：主軸在高速運轉時，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度有關，為消除噪聲可在同步帶背的內表面開工藝凹槽或直接將凹槽開于帶輪上，以減少齒間截留的空氣容量。回轉系統剛性越強，其表現出的噪聲也就越小，故設計帶輪位置時，盡可能將帶輪靠近主軸后側軸承處，以達到更好的剛性。

3 齒輪的噪聲分析

加工中心齒輪變速傳動系統是由主電機和齒輪副來完成傳動的。因此，齒輪的嚙合也是主要噪聲源之一。

3.1 齒輪在運轉時產生的噪聲

（1）齒輪在嚙合過程中，使齒與齒之間出現連續沖擊而使齒輪在嚙合頻率下產生受迫振動并帶來沖擊噪聲。

（2）因齒輪與傳動軸及軸承的裝配出現偏心、配合間隙、聯接松緊等都會引起的旋轉不平衡，即所謂的動平衡精度差，因此產生了與轉速相一致的振動。

（3）因齒與齒嚙合是齒面間會產生摩擦，導致齒輪產生的自激振動并帶來摩擦噪聲。

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，在齒輪嚙合時造成瞬時頂撞和沖擊，為此減小齒輪在嚙合時由于齒頂凸出而造成的嚙合沖擊，可進行齒頂修緣。齒頂修緣的目的就是校正齒的彎曲變形和補償齒輪誤差，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、表面光潔度等級和提高裝配質量。

（3）改進設計參數。傳動比設計為非整數，這樣齒輪運轉時，可以避免制造誤差周期性地影響到傳動系統上加劇振動和噪聲；確定合適的齒側間隙，載荷變化大，正、反轉變換頻繁時，取較小側隙，否則取大側隙。

（4）合理的嚙合齒輪中心距。對嚙合中心距的分析表明，當中心距偏大時，噪聲影響并不明顯；而中心距偏小時，噪聲就明顯增大。提高齒輪的公法線長度精度，傳動軸剛性，傳動軸與齒輪、軸承的配合精度及其零件本身的動平衡精度，盡量消除由于嚙合中心距的改變而產生的噪聲。

（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；因齒的彎曲強度與模數成正比，故在滿足設計要求的前提下，盡可能的加大齒輪的模數；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，熱處理時容易變形，故在強度允許的條件下，盡量減小齒寬。

（6）恒溫潤滑油可有效抑制噪聲。潤滑油主要起齒面間潤滑和冷卻，在一定程度上還起阻尼作用，一般高速齒輪傳動潤滑油對齒輪副嚙出側進行噴油潤滑，在齒面上維持一定的油膜厚度，防止嚙合齒面直接接觸，同時將齒輪嚙合產生的熱量隨潤滑油一起帶走，從而降低噪聲。

4 主軸箱的噪聲分析

箱體內噪聲通過多種渠道向外傳播，同時內部的振源迫使主軸箱一起振動，當振源的頻率達到主軸箱的固有頻率是就會引起共振，對加工質量、精度有直接的影響。怎樣使主軸箱能更好地隔斷、衰減振動，減輕主軸箱噪聲是設計主軸箱的評判依據之一。主軸箱的噪聲控制如下。

（1）改進主軸箱體的設計。主軸箱是各個傳動部件的支撐體，其剛性、強度、安裝空間會直接影響到主軸運轉所引起的振動和噪聲。內加網狀結構的筋條，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，阻尼系數增加1.41 倍，故適當增加壁厚，可減小箱體噪聲。

（2）結構布置合理。機械系統傳遞動力時，零部件相互作用產生激力振動。傳動鏈越多則出現振動的概率也就越高，進而引起噪聲也越大，故縮短傳動鏈也可以降低噪聲。

（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點，可以在蓋板內表面加墊一層橡膠，同時也防止外界的粉塵污染內部傳動機構。

主軸箱的噪聲是主運動接觸不良所引起的一種主軸箱的聲響，也直觀的反映機床技術性能指標。