高速陶瓷球电主轴噪声特性的研究与分析*

2019-04-08吴玉厚张峰铭于海涛

组合机床与自动化加工技术 2019年3期

吴玉厚，张峰铭，2，于海涛，王贺

(1.沈阳建筑大学机械工程学院,沈阳 110168；2.中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司机械化分公司，辽宁铁岭 112000)

0 引言

在我国提出的《中国制造2025》制造强国战略中，把“高档数控机床研究”作为一项重点产业，将大力推动数控机床朝着高速、精密的方向发展[1]。然而作为高档数控机床核心部件的高速电主轴，却因其噪声问题对机床的使用寿命、加工精度等产生了严重影响[2]。虽然应用陶瓷材料可以降低主轴运转过程中的振动与噪声，但在高速运行过程中仍然会产生噪声现象[3]。因此为了提升高档数控机床的加工性能，而对陶瓷主轴噪声特性进行研究便具有重要的现实意义。

近年来，国内外学者就主轴的噪声问题进行了深入的研究。E Abele等在其综述性文章中指出电主轴运转噪声会随转速上升而呈递增趋势[4]。Ishibashi等分析了感应电机内部产生的谐波电磁力，指出电磁振动是中小型电机振动噪声的主要来源[5]。王兴旺等对电机噪声产生的原因进行分析，提出了判定电机噪声和降低噪声的方法，为抑制电机噪声的产生提供了有效依据[6]。

现阶段针对电主轴噪声的研究还是以钢制主轴为主，对陶瓷主轴噪声特性的研究还较为少见。本文以150MD24Z7.5型号的陶瓷球电主轴为研究对象，通过对不同测点的噪声信号进行采集、处理，经噪声频谱分析和研究后，找出了主轴主要的噪声源，并对混合噪声的成分加以辨别，同时也验证了主轴噪声与转速之间的关系。相关研究成果可为下一步找出主轴噪声的产生原因进而有效地抑制噪声作出必要铺垫，也为未来陶瓷电主轴的优化设计提供理论参考。

1 主轴模态实验

在对电主轴进行噪声测试之前要先对其临界转速进行分析。因为当轴以临界转速运行时，其挠度会达到最大值，进而发生剧烈的振动、产生较大的噪声；而当轴在临界转速一定范围之外工作时，便趋于平稳运转[7]。

表1 主要的实验仪器

表1中为模态实验时使用的主要仪器。其中，DASP软件不仅可以进行模态与动力学分析，还能实现声学测量的各项功能[8]。

实验时用力锤对主轴进行敲击，通过INV306智能信号采集仪采集布置在主轴X、Y、Z轴方向的3个加速度传感器所接收的振动信号，再进行数据的分析和处理。

图1 主轴模态实验平台

由锤击实验可以测得主轴的固有频率，并根据临界转速与频率的关系式n= 60f，将主轴的固有频率转化为临界转速[9]，如表2所示。由此可知，主轴在设计范围内振动平稳，不会产生共振。

表2 主轴固有频率与临界转速

2 主轴噪声实验

主轴噪声性能测试的实验原理见图 2，测试系统采用V/F变频器为电主轴调速，电主轴采用油雾润滑和循环水内冷却制冷方式，利用声压传感器测量陶瓷电主轴的噪声信号，经由信号采集分析仪采集此信号后，将实验数据传送给计算机进行噪声特性的相关分析。

图2 实验原理图

图3为噪声实验装置照片。实验以装配陶瓷球轴承的电主轴为测试对象，利用平行布置在主轴上平面的6个声压传感器进行噪声信号的同步测量，测点分布如图4所示。

图3 主轴噪声实验装置照片

图4 测点分布图

其中测点1和测点6分别检测陶瓷电主轴前后两端轴承位置的噪声；而电动机由于其轴向尺寸相对较小，通常安装在主轴前后轴承之间，可由测点3检测其位置的噪声。

实验的环境条件：室温28°C、环境噪声62dB、背景噪声55.4dB；测量位置：测点1～测点6；主轴转速测试范围：1500r/min～24000r/min。每一测试在某个稳定转速下运转0.5h后再进行采样测量，测试的转速范围及其对应频率见表3。

表3 测试的转速范围及其对应频率

为了提高噪声实验的相对准确性，减小数据误差对实验结果的影响，对每一稳定转速下的噪声数据进行多次采集，并将这些数据求取平均来代表此转速下各测点的噪声值，然后把数据导入Origin软件中，得到各测点的噪声值随主轴转速变化的曲线图，见图5。

由图5可知，当主轴在1500r/min～15000r/min的转速范围内稳定运转时，其噪声声压值会随主轴转速的不断上升呈递增趋势；而当主轴的转速在15000r/min～24000r/min的工况下高速运行时，其噪声声压值将会在某一噪声区间(80dB～90dB)内波动，不会随着主轴转速的继续升高而持续增大。同时，从图5还可看出各测点的噪声随主轴转速的变化趋势基本一致，可以说明主轴的噪声与其转速有关。