数控加工中心主轴箱噪声原因分析及改进措施

汤海锋，任正法

（1.浙江旺邦精密机床有限公司，浙江台州 318001；2.浙江日发精密机械股份有限公司，浙江绍兴 312500）

0 引言

机械系统在运行时，受到激发，会对激发力产生响应而引起振动。能量在整个机械系统中传播，当振动传播到零部件表面，这个能量就转换成压力波经空气再传播，引起噪声。

同步带传动是由主轴箱、主轴组件（包括轴承）、同步带轮、同步带和主轴电机等部件组成；齿轮变速传动是由主轴箱、主轴组件（包括轴承）、几对齿轮副和主轴电机等零部件组成，运作时这些零部件激发响应，并在系统内部传递和辐射出现了噪声，而这些部件又由于出现了异常情况（如主轴箱发生共振、主轴动平衡不理想等），激发力越大，振动和噪声就越大。

1 轴承的噪声分析

同步带，齿轮变速和电机直联传动系统的典型主轴轴承布置一：前部为高速角接触球轴承2 列（DT），后部为高速角接触球轴承2 列（DT），整体以DB 结构布。布置二：前部为高速双列圆柱滚子轴承加（双向）高速推力角接触球轴承2 列（DB），后部为高速单列圆柱滚子轴承或高速角接触轴承2 列（DB）。电机直驱传动系统的典型主轴轴承布置一：前部为高速角接触球轴承2 列（DT），中部为高速角接触球轴承2 列（DT），前段以DB 结构布置，在定子转子后部布置一个支撑轴承（高速单列圆柱轴承或高速角接触轴承2 列（DB））；布置二：前部为高速双列圆柱滚子轴承加（双向）高速推力角接触球轴承2 列（DB），在定子转子后部为高速单列圆柱滚子轴承或高速角接触轴承2 列（DB）作为支撑；主轴轴承同步带、电机直联和电机直驱传动滚动轴承数一般在4～7 个，齿轮变速传动滚动轴承数就更多些（需支撑输出轴、中间轴齿轮的轴向和径向载荷），滚动轴承数一般可达10 个。与轴承相配的轴径和支撑孔公差等级、圆柱度、同轴度和轴承支撑孔端面跳动，主轴的本体强度和刚度，螺母锁紧力，法兰盘压紧力，润滑以及冷却方式等都对噪声有很大影响。滚动轴承的噪声是主传动系统中一个主要噪声源。在转速4500 r/min以上时表现尤为强烈，主轴会产生轴向振动、径向振动、弯曲变形，轴承环本身在离心力的作用下会产生径向振动和轴向振动。轴承噪声控制如下。

（1）根据加工中心使用工况要求，合理选择相应的轴承及其组合。

（2）设计中要正确选择与精密轴承相配合的孔和轴精度要求，一般可在专业轴承生产厂家的样本上查到相应的数据。在加工中心的主传动系统中，精密轴承与主轴、主轴套筒配合时，需留有一定的径向游隙，过紧过松都会引起轴承噪声，若配合过紧，主传动刚性提高，但滚动体间压力增加，内外圈和滚动体摩擦相应加剧，热量得不到有效散发，内外圈、滚动体受热膨胀，径向间游隙更小，接触应力增大，会导致滚动面出现划痕、细裂纹等缺陷，引起噪声加剧，直至轴承烧结；若配合过松，保持架与滚动体会引起冲击，也会加大噪声。

（3）轴承润滑油的选择。主轴轴承润滑脂的颗粒杂质需控制在20 μm 以下，过大的杂质在滚道和滚动体之间被碾碎的同时，使滚道面、转动面上产生压痕，而导致噪声提高。适量的润滑油脂封入量在滚道面和转动面间引成一层润滑油膜，对外来振动产生阻尼，从而降低噪声。

（4）根据使用情况在轴承外圈支撑部位加设冷却油槽，进行强行冷却。精密轴承在高速运行过程中会产生大量的热量，若产生的热量大于散热，内外圈和滚动体会热膨胀，导致径向游隙减小，滚道面和滚道体受力加剧，噪声也会与之增大。

2 同步带轮与同步带的噪声分析

数控铣削加工中心同步带传动系统是由主电机和主轴间用同步带来传动的。因此，同步带轮与同步带运转也是主要噪声源之一。

同步带轮与同步带的噪声控制：主轴在高速运转时，同步带轮和同步带的齿间瞬间啮合，致使齿间截留的空气无法逸出，而引起噪声，噪声的大小由同步带轮与同步带的啮合长度有关，为消除噪声可在同步带背的内表面开工艺凹槽或直接将凹槽开于带轮上，以减少齿间截留的空气容量。回转系统刚性越强，其表现出的噪声也就越小，故设计带轮位置时，尽可能将带轮靠近主轴后侧轴承处，以达到更好的刚性。

3 齿轮的噪声分析

加工中心齿轮变速传动系统是由主电机和齿轮副来完成传动的。因此，齿轮的啮合也是主要噪声源之一。

3.1 齿轮在运转时产生的噪声

（1）齿轮在啮合过程中，使齿与齿之间出现连续冲击而使齿轮在啮合频率下产生受迫振动并带来冲击噪声。

（2）因齿轮与传动轴及轴承的装配出现偏心、配合间隙、联接松紧等都会引起的旋转不平衡，即所谓的动平衡精度差，因此产生了与转速相一致的振动。

（3）因齿与齿啮合是齿面间会产生摩擦，导致齿轮产生的自激振动并带来摩擦噪声。

3.2 齿轮的噪声控制

（1）齿形修正。由于齿轮加工误差的存在，在齿轮啮合时造成瞬时顶撞和冲击，为此减小齿轮在啮合时由于齿顶凸出而造成的啮合冲击，可进行齿顶修缘。齿顶修缘的目的就是校正齿的弯曲变形和补偿齿轮误差，从而降低齿轮噪声。

（2）降低齿形误差。一般情况下，齿形误差越大，产生的噪声也就越大，因此须要提高齿轮制造精度、表面光洁度等级和提高装配质量。

（3）改进设计参数。传动比设计为非整数，这样齿轮运转时，可以避免制造误差周期性地影响到传动系统上加剧振动和噪声；确定合适的齿侧间隙，载荷变化大，正、反转变换频繁时，取较小侧隙，否则取大侧隙。

（4）合理的啮合齿轮中心距。对啮合中心距的分析表明，当中心距偏大时，噪声影响并不明显；而中心距偏小时，噪声就明显增大。提高齿轮的公法线长度精度，传动轴刚性，传动轴与齿轮、轴承的配合精度及其零件本身的动平衡精度，尽量消除由于啮合中心距的改变而产生的噪声。

（5）提高齿轮的抗振能力。采用变位齿轮，提高轮齿的承载能力，减小轮齿弯曲变形；因齿的弯曲强度与模数成正比，故在满足设计要求的前提下，尽可能的加大齿轮的模数；齿宽增加齿轮噪声的衰减性能增加，固有频率增加，但齿向误差增加，热处理时容易变形，故在强度允许的条件下，尽量减小齿宽。

（6）恒温润滑油可有效抑制噪声。润滑油主要起齿面间润滑和冷却，在一定程度上还起阻尼作用，一般高速齿轮传动润滑油对齿轮副啮出侧进行喷油润滑，在齿面上维持一定的油膜厚度，防止啮合齿面直接接触，同时将齿轮啮合产生的热量随润滑油一起带走，从而降低噪声。

4 主轴箱的噪声分析

箱体内噪声通过多种渠道向外传播，同时内部的振源迫使主轴箱一起振动，当振源的频率达到主轴箱的固有频率是就会引起共振，对加工质量、精度有直接的影响。怎样使主轴箱能更好地隔断、衰减振动，减轻主轴箱噪声是设计主轴箱的评判依据之一。主轴箱的噪声控制如下。

（1）改进主轴箱体的设计。主轴箱是各个传动部件的支撑体，其刚性、强度、安装空间会直接影响到主轴运转所引起的振动和噪声。内加网状结构的筋条，既可以提高箱壁的刚性，也可划小箱壁辐射声能的面积。在主轴轴承支撑位置可加辐射肋或增加壁厚。研究表明，厚度增加1 倍，阻尼系数增加1.41 倍，故适当增加壁厚，可减小箱体噪声。

（2）结构布置合理。机械系统传递动力时，零部件相互作用产生激力振动。传动链越多则出现振动的概率也就越高，进而引起噪声也越大，故缩短传动链也可以降低噪声。

（3）主轴箱装配工艺窗口加盖板。其好处是防止噪声直接传出，又起吸声的作用，为使衰减噪声的作用更强点，可以在盖板内表面加垫一层橡胶，同时也防止外界的粉尘污染内部传动机构。

主轴箱的噪声是主运动接触不良所引起的一种主轴箱的声响，也直观的反映机床技术性能指标。