冲床是工业生产中常见的机械设备,加工方式为借助于冲头的动能冲栽零件,负荷运转噪声多在90dBA以上。我国冲床车间噪声一般高达90-110dBA,给设备操作者和车间其他人员造成极大的危害,对环境亦有影响。
在机械设备中,冲床噪声很突出。工业发达国家对冲床噪声的研究,治理和控制开展较早,我国此项工作的开展是在七十年代末期。降低冲床噪声时,要考虑加工质量,生产率,操作方便和降噪费用等诸多因素。可以说冲床噪声控制显得既迫切而又艰巨。
一、 冲床噪声的产生
冲床噪声可分为运转噪声和工作噪声。运转噪声是冲床空载运转噪声,它包括电机、皮带、齿轮、曲柄连杆滑块及轴承间隙、离合器等形成的噪声。其中,主要是离合器和齿轮噪声。工作噪声是冲床冲压时产生的噪声,在相同的冲床上采用不同的冲压工艺(如冲裁,拉深,弯曲)加工同样材料所产生的噪声不一致。冲床负荷运转时产生强列的噪声。冲头与工件,打料杆与工件,卸料板与板料间和撞击,以及在冲裁和剪切过程中形成的冲剪噪声等,都是冲床噪声的主要来源。
1.离合器的接合和脱开噪声
冲床常用的离合器有牙嵌式、摩擦片式、转键式等。其中,转键式在中小吨位冲床上应用最广,噪声相对较高。冲床转键离合器接合的实质是转键与开有三个(或四个)键位的中套的其中某个键位接合。离合器接合噪声是由一系列的撞击所引发的,在接合过程中,存在三个主要撞击现象[3]:
(1)转键与中套间的撞击,即稳态转键与旋转着的中套接合过程中两者的碰撞;
(2)转键与曲轴间的撞击,即转键的一侧与中套间撞击的同时,另一侧在前者反作用力的作用下与曲轴冲击;
(3)曲轴与其支承的滑动轴承间的撞击。
冲床构件之间的撞击,产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力,这些作用力,是产生冲床离合器接合噪声的根本原因之所在。总之,冲床转键离合器噪声是转键与中套键位间撞击、关闭器与键尾间撞击等一系列撞击所引发的,这些冲床构件之间的撞击,首先产生一次噪声,同时,产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力,这些作用力在床身内部传递,当传递到发声表面产生振动速度,使之与该表面接触的空气介质受到扰动而产生压力变化P(ω),从而辐射声波。影响离合器噪声因素有:离合器接合时受到的冲量的大小,在质量一定的条件下决定冲击速度的高低;还与接触材料本身的刚度和阻尼特性有关。
2.冲裁工艺噪声
冲剪过程中,材料因剪切而断裂,由此导致冲头突然卸荷,所形成的声音称为冲剪噪声。冲床被激励产生振动,并引起机身和声辐射和地面振动。冲裁时,冲头一旦接触金属板料,冲裁力开始增加。与此同时,由于机身及其它受力构件的变形而积蓄了弹性能。当冲头进入板料约一半厚度时,冲裁力达到最大值。板材的突然断裂使冲头突然失荷,机身等积蓄的弹性能在极短时间内释放出来,将激起机身及各部件的振动,使部件间产生冲击,与此同时,滑块以相当大的速度下冲,引起滑块周围空气的压力扰动,从而辐射噪声。前者激发的噪声称振鸣噪声,后者引起的噪声为加速度噪声。由分析可知,振鸣噪声与引起机身等构件振动的冲裁力—时间历程有关。此外,冲裁噪声还包括板料断裂声、冲头与板料的撞击声及两者接触时的空气挤出声共5种噪声。
3.电动机噪声
做为冲床的动力源,电机工作时也产生噪声,它包括电机绕组的电磁噪声,空气动力噪声及机械噪声。电机噪声的声压级与电机的功率、转速等有关。
电机的电磁噪声,主要是由交变电磁场相互作用激发转子和定子振动产生的。电磁噪声一般为高频噪声。电机的空气动力噪声主要是冷却风扇噪声,对于相当多的电机,冷却风扇噪声是主要噪声源。机械噪声主要包括一些旋转运动部件的非平衡力激发产生的噪声和一些零部件振动时产生的噪声。
电机噪声的声功率级可用下式计算[4]
L=20lgW+15lgN+k3
式中W—电机额定功率,kW
N—电机转速,r/min
k3—信号频率修正值
4.工作机构间隙产生的冲击噪声
撞击噪声是冲床噪声的主要组成部分。当冲头冲裁板料时,与板料发生撞击,产生撞击噪声。撞击噪声可分为加速度噪声和自鸣噪声。冲头冲击坯料时,受到阻力而突然停止所产生的噪声称为加速度噪声。被冲击的坯料,由于受击而发生振动,这一振动发出的声音叫自鸣噪声。
传动件间隙引起的噪声是指冲床各连接件间存在有配合间隙,在冲击力作用下,引起轴系的反冲、零件受激励振动,引起声辐射而形成的噪声。冲床的连杆和曲轴,滑块与连杆等连接零件组成的曲柄连杆滑块机构中,共有三对摩擦副:曲轴轴颈与曲轴瓦;曲柄颈与连杆大头轴瓦;连杆小头(球头)与滑块球头座。由于制造和装配误差以及工作本身的需要,不可避免存在间隙。这些摩擦副之间虽然都承受交变载荷,但不一定都引起强烈的冲击噪声。它们之间彼此的移动,可能是有接触的移动,也可能是无接触的自由移动。但当从自由移动过渡到接触移动时,必然要带来强烈的撞击,这种噪声频带宽,高频部分强。显然间隙越大,噪声越高。另外,间隙一定时,滑块行程次数越高,噪声比例升高。
在冲床诸噪声源中,冲裁噪声和离合器噪声是主要噪声源。
5.齿轮啮合噪声
冲床上大小两个齿轮在运转过程中出现节线冲击力和啮合冲击力,从而激起齿轮的啮合噪声。节线冲击力是由两轮齿啮合时齿面摩擦力方向的改变而产生的。如图6所示为齿轮啮合时摩擦力的变化情况。齿轮的接触线在啮合过程中沿啮合线从A向B移动。B是节点,在接触点由A向B的移动中,速度逐渐减小,到达B点时速度为零。而在由B向C的移动过程中相对速度方向改变。因而,B点是速度方向的转折点。由于相对滑动,因而也存在摩擦力。摩擦力的方向随相对速度的改变而改变。所以,B点又是摩擦力方向的转折点。节线冲击力与传递力矩,齿面间摩擦系数及相对滑动速度的大小有关。齿传递功率越大,齿面粗糙度越大,转速越高,齿轮的节线冲击力就越大。
啮合冲击力是在齿轮运转过程中所发生的齿与齿之间碰撞而产生的冲力。实际齿轮在运转过程中要发生变形,再加上齿轮的制造安装误差等,使得齿轮在运转过程中发生齿与齿之间相互撞击而辐射噪声。其中齿轮的转速对其噪声的影响最大。当转速升高,辐射声压级随之提高。
二、 冲床噪声控制措施
(1)从冲床声源处降低噪声
a.冲床本身降噪
冲床降噪的根本措施在于声源控制。英国的理查兹(Richards)把撞击噪声方面的理论研究应用到冲床上,可使噪声下降30dBA。其基本理论是,加速度噪声等于锤子运动时所带动的等体积的空气所具有的动能的一半。cto/vo从1增加到10,噪声级约可降低30dBA,c是声速,to是锤子运动停止的时间。Vo是锤子冲击坯料时的运动速度。用其它方法,这样大幅度降噪是很难实现的。
七十年代末期,国际上出现了新型液压伺服冲床,冲头能按预定的运动规律工作,使冲床噪声大降低。
冲床各传动件间存在必不可少的配合间隙,减少间隙和防止轴系反冲的结构形式已有应用,如曲轴连杆减缓反冲装置等。改革现有传统的工艺设计,对于出厂冲床并非易事,根本途径在于改革冲床的冲击过程。冲床降噪的技术措施有许多尚在试验研究阶段,完全成熟及全面推广还需很长时期,因而现阶段还应考虑其它技术措施。
b.降低模具噪声
冲模设计者往往忽略对噪声的考虑。合理地选择凹凸模的配合间隙,能实现降噪5dBA,改变凸的几何形状,用阶梯模、斜刃模代替平口模,亦能降噪5-10dBA左右。但由于工件的几何开头有时很复杂,给模具加工带来一定的困难。此外还有在模具中增加缓冲器及降低卸件噪声等措施。
(2)从传播途径对冲床实施噪声控制
控制冲床噪声对人体的危害,在传播途径上采取控制措施,技术革新上比较成熟,并可取得一定效果。
a. 吸声降噪
吸声的目的是减弱车间内反射声,一般可降噪6dBA左右的降噪效果。
b. 局部隔声
采用加吸声的隔声屏、模具区域隔声罩,能有8dBA左右的降噪效果。
c. 全封闭隔声罩
全封闭隔声罩能有20dBA左右的降噪效果。罩体可作成拼装式,一般占地面积较大。
传播途径中控制冲床噪声虽是消极的治理方法,但由于简便易行,并能收到较好的降噪效果,因而较多被采用。应用时应注意操作、维修等问题。