全陶瓷球軸承電主軸磨削工件時(shí)輻射噪聲特性研究*

閆海鵬 胡貝貝 牛虎利 朱金達(dá) 吳玉厚

(①河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；②河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；③沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

高速電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心部件，其利用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床主軸的“零傳動(dòng)”，即達(dá)到了100%的傳遞效率[1]。隨著高速加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)﹄娭鬏S轉(zhuǎn)速與精度的要求與日俱增，而電主軸的關(guān)鍵部件采用傳統(tǒng)鋼制軸承已無(wú)法滿足電主軸技術(shù)向高速大功率、高精度、高可靠性及高壽命等方向發(fā)展。全陶瓷軸承電主軸具有轉(zhuǎn)速適應(yīng)范圍寬、高速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱小、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、不怕污染、自潤(rùn)滑、抗磨損和可靠性高等優(yōu)異性能指標(biāo)，是高速數(shù)控機(jī)床理想的主軸單元[2-3]。

電主軸的服役性能直接影響著高速數(shù)控機(jī)床的加工精度，因此學(xué)者們對(duì)電主軸的熱特性[4]、動(dòng)力學(xué)特性[5-7]以及電磁場(chǎng)特性[8-9]等性能方面進(jìn)行了大量的研究。其中，張麗秀等不僅對(duì)電主軸的溫升預(yù)測(cè)以及熱特性影響因素做了詳細(xì)研究，還對(duì)電主軸的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析[10-11]；熊文莉等對(duì)滾動(dòng)體存在誤差的電主軸軸承受力情況進(jìn)行了研究，同時(shí)預(yù)測(cè)了軸承的使用壽命[12]。這些研究均取得了一定成果，并對(duì)改善電主軸性能提供了依據(jù)，但很少涉及電主軸輻射噪聲的研究。

全陶瓷球軸承電主軸是高速機(jī)床的主要噪聲源，而電主軸噪聲是一種聲學(xué)污染源，較高的噪聲不僅對(duì)操作工人身心健康造成影響，降低勞動(dòng)效率，同時(shí)對(duì)周圍聲環(huán)境也會(huì)造成污染，更重要的是高噪聲狀態(tài)的長(zhǎng)期演化將影響電主軸可靠性。

在之前的研究中，作者分析了陶瓷電主軸在實(shí)驗(yàn)室條件下的輻射噪聲特性[13]，但并未考慮利用陶瓷電主軸加工工件時(shí)的聲輻射情況。本文以全陶瓷球軸承電主軸為研究對(duì)象，研究其在數(shù)控機(jī)床高速電主軸中的輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化，可以明確實(shí)際加工工件過(guò)程中全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲特性，進(jìn)而改善全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲。因此，利用全陶瓷球軸承電主軸在機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際磨削實(shí)驗(yàn)，測(cè)試實(shí)際工況條件下的輻射噪聲并對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)一步為降低全陶瓷球電主軸輻射噪聲提供依據(jù)。

1 輻射噪聲測(cè)試

1.1 數(shù)控磨床與測(cè)試電主軸

為了測(cè)試全陶瓷球軸承電主軸在實(shí)際加工工件時(shí)產(chǎn)生的輻射噪聲特性，將裝配有全陶瓷球軸承的5SD24Y16-150高速電主軸安裝在MK2710數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床上，進(jìn)行磨削氮化硅陶瓷軸承外圈內(nèi)表面實(shí)驗(yàn)，測(cè)試磨削過(guò)程中全陶瓷球軸承電主軸產(chǎn)生的輻射噪聲特性。

MK2710磨床可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙、高靈敏度運(yùn)動(dòng)，各軸運(yùn)動(dòng)分辨率可達(dá)1 μm，其他主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。全陶瓷球軸承套圈為氧化鋯陶瓷，球?yàn)榈杼沾?，保持架為膠木，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所列。

表1 MK2710磨床的主要技術(shù)參數(shù)

表2 全陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

5SD36Y16-150高速電主軸裝配有四套全陶瓷球軸承，前后各兩套以穩(wěn)定支承主軸，其徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)均在4 μm以下，振動(dòng)值在1.2 mm/s以下，額定轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，頻率為600 Hz，額定電壓為350 V，額定電流為40 A，最大功率可達(dá)16 kW。

1.2 噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

為測(cè)試不同工作轉(zhuǎn)速下的全陶瓷球軸承電主軸磨削加工輻射噪聲，實(shí)驗(yàn)測(cè)試傳感器布置方案如圖1所示。

測(cè)試過(guò)程中，接桿伸出電主軸前端的長(zhǎng)度為80 mm，砂輪外徑為50 mm，砂輪寬度為45 mm，砂輪粒度為90～106 μm。磨削工件為氮化硅陶瓷軸承外圈，其外徑為75 mm，內(nèi)徑為63.5 mm，磨削進(jìn)給量為10 μm。測(cè)試中對(duì)套圈內(nèi)表面進(jìn)行磨削。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 背景噪聲

測(cè)試了空載運(yùn)行和磨削工件時(shí)全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲特性。圖2給出了背景噪聲聲壓波形與聲壓級(jí)，其中背景噪聲指僅砂輪主軸不運(yùn)轉(zhuǎn)，而其他輔助設(shè)備均開啟時(shí)的噪聲。

由圖2a可以看出，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的聲壓波形在0.02 s范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)一致，且變化大小基本一樣，表明兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓相近。圖2b為在10 s的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，對(duì)每隔0.02 s內(nèi)的有效聲壓計(jì)算得到的聲壓級(jí)。由圖可知，實(shí)際磨削環(huán)境的背景噪聲很高，在距離機(jī)床砂輪主軸300 mm位置的背景噪聲在68.05～71.04 dB，且場(chǎng)點(diǎn)2位置的聲壓級(jí)稍大于場(chǎng)點(diǎn)1位置的聲壓級(jí)，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均聲壓級(jí)已經(jīng)高達(dá)69.17 dB(場(chǎng)點(diǎn)1)和69.7 dB(場(chǎng)點(diǎn)2)。背景噪聲較大主要是由輔助設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生，其中包括冷卻水電機(jī)，潤(rùn)滑設(shè)備等。經(jīng)過(guò)檢查測(cè)試分析，本文中產(chǎn)生較大的背景噪聲由冷卻水電機(jī)產(chǎn)生。

2.2 空載運(yùn)行輻射噪聲

電主軸帶砂輪空載運(yùn)行時(shí)聲壓級(jí)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，在各轉(zhuǎn)速下的輻射噪聲均在一定范圍內(nèi)隨時(shí)間變化，但總體噪聲隨轉(zhuǎn)速的提高呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖4為測(cè)試場(chǎng)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖可知，場(chǎng)點(diǎn)2的輻射噪聲明顯高于場(chǎng)點(diǎn)1，表明該聲場(chǎng)在各方向的噪聲大小不同，即聲場(chǎng)具有指向性，且隨轉(zhuǎn)速的提高，輻射噪聲呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)速為6 000～15 000 r/min增加的幅度較大，而在轉(zhuǎn)速為15 000～24 000 r/min變化平緩。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管轉(zhuǎn)速的提高使輻射噪聲增大，但對(duì)電主軸兩端采用雙軸承支承與采用單軸承支承所產(chǎn)生的輻射噪聲變化并不完全一致。雙軸承的輻射噪聲也并不是簡(jiǎn)單的將兩個(gè)單軸承輻射噪聲進(jìn)行疊加。對(duì)于單個(gè)軸承時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的增加，輻射噪聲增加的幅度有所增大，而對(duì)于雙軸承時(shí)，輻射噪聲增加的幅度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

此外，與文獻(xiàn)[13]的測(cè)試結(jié)果相比較可知，在單純實(shí)驗(yàn)條件下與將電主軸裝配在實(shí)際機(jī)床上運(yùn)轉(zhuǎn)的輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化情況稍有差異，但總體變化趨勢(shì)一致。

2.3 磨削加工時(shí)輻射噪聲

為了分析磨削時(shí)的輻射噪聲，將工件套圈稍安裝偏心一些，以使工件旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，只在某一區(qū)域有實(shí)際磨削效果，而在其他區(qū)域砂輪實(shí)際上并沒(méi)有磨削到工件。這樣設(shè)置便于對(duì)比磨削時(shí)與未磨削時(shí)的輻射噪聲。采用隔音罩將磨削工件的噪聲隔開，即將砂輪與工件接觸產(chǎn)生的噪聲隔開(消音)。在一定程度上，可以認(rèn)為測(cè)試得到的輻射噪聲即為磨削與未磨削交替作用時(shí)陶瓷電主軸的輻射噪聲。圖5給出了在不同轉(zhuǎn)速下磨削與未磨削交替作用時(shí)輻射噪聲變化曲線，而實(shí)際磨削工件時(shí)電主軸輻射噪聲如圖6所示。

由圖6可知，磨削時(shí)產(chǎn)生的輻射噪聲明顯高于未磨削時(shí)的輻射噪聲，只有在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)2的磨削時(shí)輻射噪聲與未磨削時(shí)輻射噪聲相差較小，但其平均值也相差1.5 dB以上。而其他轉(zhuǎn)速下磨削時(shí)聲壓級(jí)均高于未磨削時(shí)聲壓級(jí)2 dB以上，最大相差9.2 dB。由此表明了磨削加工對(duì)全陶瓷球軸承的輻射噪聲有較大的影響。

由圖6可知，隨轉(zhuǎn)速的升高，實(shí)際磨削時(shí)輻射噪聲總體上呈增大的趨勢(shì)，但在轉(zhuǎn)速為12 000～21 000 r/min變化較為復(fù)雜，輻射噪聲并非嚴(yán)格按轉(zhuǎn)速的升高而增大。比較圖4與圖6可知，實(shí)際磨削到工件的輻射噪聲較未磨削時(shí)大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，它們的差值有減小的趨勢(shì)，并且輻射噪聲的增加幅度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其主要原因是轉(zhuǎn)速的升高使輻射噪聲增大，而在磨削過(guò)程中，砂輪速度的提高減小了磨削力，使噪聲有減小的趨勢(shì)；因此導(dǎo)致輻射噪聲并不完全隨轉(zhuǎn)速的升高而一直增加，這也是噪聲增加幅度變化較為復(fù)雜的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

研究了磨削加工時(shí)全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲特性，得到以下結(jié)論。

(1)全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲聲場(chǎng)具有指向性，且轉(zhuǎn)速是影響全陶瓷球軸承輻射噪聲的主要因素之一。

(2)電主軸驅(qū)動(dòng)砂輪空載運(yùn)行時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲逐漸增大，但輻射噪聲增加的幅度逐漸減小。

(3)在實(shí)際磨削過(guò)程中，隨轉(zhuǎn)速的提高，全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但在轉(zhuǎn)速為12 000～21 000 r/min時(shí)，輻射噪聲變化較為復(fù)雜。

(4)實(shí)際磨削加工時(shí)的全陶瓷球軸承輻射噪聲較空載運(yùn)行時(shí)大，且揭示了磨削過(guò)程中全陶瓷球軸承輻射噪聲變化的復(fù)雜性。