面铣削噪声主动控制理论和技术的研究.doc

济南大学毕业论文1.绪论1.1课题的背景1.1.1面铣削简介铣削是通过旋转多切削刃刀具沿着工件在设定方向进给运动，从而完成金属切削，形成已加工表面1。铣削的方式很多，其中，利用端面刃对工件进行切削称为端铣或者面铣，主要用于铣削平面1。如图1.1所示，为常见的面铣刀。面铣刀切削时其圆柱面承担主要切削任务，而端面刃承担刮削任务，加工表面粗糙度好，可以采用较高的切削速度，生产效率高。 图1.1 面铣刀Face Mills在铣削平面时采用面铣较为优越。面铣的最大优点是便于装夹各种刀片。切削时其圆柱面承担主要切削任务，而端面刃承担刮削任务，加工表面粗糙度好，可以采用较高的切削速度，生产效率高。当金属零部件进行精密加工时，面铣削是一种非常重要的加工方式。在航空、汽车、消费品和电子产品等制造业中，当金属零部件需要进行精密加工时，面铣削是一种非常重要的加工方式2。1.1.1高速面铣削技术简介二十世纪末至本世纪初，面铣削技术进入了以高速面铣削、高效面铣削削为主要技术特征的现代切削技术新阶段。高速面铣削是高速切削技术应用的主要工艺，其最显著的特点是在高速机床上采用很高的切削速度和可靠刀具对关键零部件进行高效、高精度和高表面质量加工。高速面铣削以高加工效率、高加工精度和高加工表面质量的独特优势，成为现代铣削技术的重要发展方向。近年来，高速面铣削技术在工业发达国家获得了快速发展。主轴转速1500020000rmin的高性能数控铣床及加工中心的应用相当普遍，主轴转速150000rmin、快速进给速度120mmin的加工中心已经开始应用于生产；金刚石刀具、陶瓷刀具、涂层硬质合金及超细晶粒硬质合金刀具正在不断开发和应用。高速面铣削加工中心与高速切削刀具的迅速发展，标志着高速面铣削技术已从理论研究进入工业应用阶段3。我国高速面切削技术研究起步于二十世纪八十年代末，1994年中国机床工具工业协会考察了美国和日本等国家高速切削技术研究与应用状况，较系统地介绍了国外高速切削技术和高速机床发展情况，在国内引起普遍关注。山东大学、北京理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学、沈阳理工大学等相继开展相应的研究，取得了一系列研究成果，推动了国内高速切削技术的发展心。在此期间，我国相继从德国、美国、法国、日本等国家引进了多条较先进的轿车自动生产线，其中应用了较多实用的高速面铣削技术，使我国轿车制造工业得到空前发展4。1.1.2高速面铣削过程中的噪声问题面铣削加工在高转速条件下极易产生动不平衡，当离心力和动态切削力等周期性载荷引起切削过程中的混合振动时，较大的振动响应直接影响高速面铣削稳定性和加工表面质量。目前制造业为了不断提高铣削加工的生产效率，通常采用的措施是提高铣削速度和增加面铣刀刀盘直径。当面铣削的主轴转速为20,000转/分，刀盘直径为约为100mm时，产生噪声的声压级（SPL）就已达100-110 dB 。当今用于面铣削铝及其合金的切削速度已达到1,000m/min；2007年6月我国实施的可转位面铣刀 第1部分：套式面铣刀（GB/T5342.1-2006）中规定的刀盘直径最高可达500mm3。高速面铣刀是一种典型的高效断续切削刀具，与其它铣刀相比，具有直径大、齿数多等特点，但多个刀齿的安装很难实现动平衡，当转速较高时，离心力和动态切削力共同作用下产生的振动，对高速面铣刀结构安全性和切削稳定性影响较大，同时也可能引起较大的噪声。因此，随着技术的发展，产生的噪声也将会越来越严重10。1.2研究内容高速面铣削工艺是一种高速度、不连续的切削过程。高速面铣削加工中，常常在远低于额定切削速度的工况下就出现的强烈振动，机床极限加工能力受到限制。高速面铣削颤振的发生导致机床和刀具耗损的加快，同时导致大量噪声的产生。离心力和动态切削力所产生的冲击和振动是影响铣刀使用寿命、加工质量、生产效率和机床高速切削效能的重要因素。因此，本文拟对高速面铣刀的动态特性及其减振机理进行探讨，以改善高速切削加工质量，提高加工效率，降低噪声的不利影响。噪声主动控制技术主要是将声学理论、振动理论、现代控制理论和新材料相结合，形成的噪声主动控制智能结构系统，为噪声控制提供了新的思路。它是通过一定的工艺措施把检测声源结构振动的传感器、控制噪声赖以产生的结构振动的致动器与结构材料集合在一起，使结构本身具有自动检测噪声、自动控制和吸收噪声功能。 因此，本文通过研究噪声产生的原理、噪声主动控制理论和技术，实现噪声主动控制技术在面铣削加工工艺中的应用。 1.3研究的意义噪声可以引起人体的多种疾病，可以致人耳聋，可能引起心血管和神经系统疾病，在高噪声车间，噪声使人耳聋的发病率高达50%-60%，高血压和冠心病的发病率比低噪声车间高三倍。此外，噪声会影响人们的情绪，分散人们的注意力，使工作效率降低，甚至成为意外事故的隐患，对工人健康非常不利。所以从绿色制造的角度讲，对加工过程噪声的研究具有很大的意义4。为了遵循以人为本的原则，世界各国的听力保护标准都规定了机械设备噪声的允许暴露声级，对噪声的控制十分重视5。我国也对噪声控制提出了相应的标准，噪声控制成为一项硬性指标。对于工业生产噪声控制范围为：白天不超过65dB（A），晚上不得超过55dB(A)。所以噪声控制对于工业生产是非常必要的。另一方面，振动和噪声限制机械设备性能的提高，严重影响机械设备运行的稳定性和可靠性。面铣削噪声中含有切削过程的信息，它反映了切削过程的状态，有经验的工人能够凭耳朵听切削时的噪声就可以判断出刀具磨损、刀具崩刃以及其它各种切削过程的异常情况。噪声与其它信息载体相比较，有其自身的许多优点：声信号在采集和测量过程中不会影响切削过程，声信号测量系统比较简单，易于在机床上安装而不需要改变机床本身的结构，不需要更多的设备等。可以说，如果能够利用声信号实现机床切削过程的在线控制，将会对机床的自动化控制产生深远的影响，实用价值很大2。因此，对于面铣削噪声的产生机理的研究及其影响因素、性质与规律的分析，可以为面铣削切削过程的噪声控制提供理论基础，推动面铣削声控技术的研究与发展，并有利于改善切削过程，提高加工质量。2.高速面铣刀设计标准参数2.1.面铣刀几何角度图中，各参数意义如下：D1刀具有效直径；D2最大直径；H 刀体高度；B 镗孔直径；BC 螺栓定位圆直径；K键槽宽度；LA 主偏角；RR径向前角 ；AR轴向前角； ap 最大切深2.2高速面铣刀的国家标准查阅相关国家标准，可以供我们查阅的相关国标有：（1）B/T5342-1985 可转位面铣刀 (ISO 6462:1983)（2）GB/T16459-1996 面铣刀寿命试验 (ISO 8688/1:1989)（3）GB/T 5342.1-2006 可转位面铣刀 第1部分:套式面铣刀（4）GB/T 5342.2-2006 可转位面铣刀 第2部分:莫氏锥柄面铣刀（5）GB/T 5342.3-2006 可转位面铣刀 第3部分:技术条件（6）GB/T 5342.1-2006 可转位面铣刀 第1部分:套式面铣刀标准的装可转位刀片的面铣刀，带有45、75和90主偏角，其型式如下：（1）A型：端键传动，内六角沉头螺钉紧固，直径为：50mm，80mm和100mm；（2）B型：端键传动，互换尺寸按ISO 2780的铣刀夹持紧固螺钉，直径为：80mm，100mm和125mm；（3）C型：装在刀杆的互换尺寸按ISO 2940-1的带 7:24 锥柄的定心刀杆上，直径为：160mm，200mm，250mm，315mm，400mm和500mm。注：直径为160mm的C型铣刀，也可制成端键传动。3.面铣削噪声源的分析3.1噪声的基本概念3.1.1噪声的定义当弹性介质的某局部区域由于振动而产生扰动，在该局部地区周围的介质就离开平衡位置开始运动，从而压缩临近的介质发生疏密交替的波形，该介质由于具有质量，从而产生一种波向四周扩散，从而形成声波。当声波传入人耳时，引起鼓膜振动，发出信号传入大脑，从而人就有了声的感觉。同时，人的耳朵能否感觉到声的存在，还取决于声音的频率及其强度，人能听到声，即可听声的频率范围为20-20000Hz，强度为 0-1300.频率低于 20Hz的叫次声波，高于20000Hz的声叫超声波，人的耳朵是不能听到次声波和超声波的，噪声属于声音的一种状态，噪声有以下两个特点6:(1)从主观需要上进行判断，一切不希望存在的声音。(2)从物理现象上进行判断，一切不规则的或是随机的声信号。3.1.2噪声的基本术语 (1)声强 (I)声强是指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，单位为w/m2（2)声压 (P)声压是空气受声波千扰而产生的压力增值，单位为Pa。声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化，所以压力增值是正负交替的。但通常讲的声压是取均方根值，叫有效声压，故实际上总是正值，对于球面波和平面波，声压与声强的关系2:I= （3.1）式中:I一一声强，W/m；一一声压，N/m；一一空气密度，kg/m；C一一声速，m/s（3)声压级 级定义为:该声音的声压P与基准声压P。的比值取以10为底的对数再乘以20,记作L(Bd)。声压级的数学表达式为2:L=20lg （3.2）式中:L 一 声压级，dB; P一一声压，Pa; P一一基准声压，P=2X10Pa. 3.2 噪声主动控制技术的发展噪声主动控制技术在五十年代初已引起学者们的注意并开展了研究,我国起步较晚, 但进展较快, 近二十年来, 我国对噪声主动控制技术进行了较为系统的研究, 取得了可喜的成果, 在某些方面还有突破性的进展。目前噪声主动控制技术还是比较传统，我们主要从的噪声测量技术、无源噪声控制技术、有源噪声控制技术及声学材料的发展等四个方面来综述了噪声控制技术的现状及发展10。3.2.1.噪声测量技术噪声测量技术是控制技术的重要组成部分, 是编制控制设计方案的前提, 通过测量来了解噪声源的特性及传播规律, 有针对性地采取治理措施。八十年代以来, 计算机和信号处理技术有了很大的发展, 从而使噪声测量技术出现了一个崭新的局面。声强测量技术始于七十年代末, 到九十年代已出现了手提式声强测量系统。这使得过去只能在特定的试验室(例如消声室、混内室、隔声室等)内进行的声学测量, 现在可以在一般环境中进行。声强测量可以在现场快速而准确地进行声源识别, 测量声功率。我国声强测量技术的研究与应用, 目前还只局限于少数科研设计单位和大专院校, 国产声强测量仪器还未商品化, 与发达国家相比差距较大。随着便携式声强仪的普及和应用, 将在更大的范围内取代传统的测量方法, 使用领域将更加广泛13。3.2.2噪声主动控制技术噪声主动控制技术(ANC)在本世纪三十年代就有人提出, 但发展缓慢。直到七十年代, 由于计算机和信号处理技术的发展, 有源控制才得到了迅速发展。进入八十年代, 对有源控制的原理和方法有了更深入的研究, 同时与ANC 配套的高恒定功率扬声器、次级声源、换能器以及相关信号处理装置有了很大发展, 致使ANC 进入了实用阶段,到现在ANC技术发展已经比较完善。与无源噪声与振动控制技术相比, ANC 的优点在于能解决无源控制中难以解决的低频问题, 针对性强, 装置体积小, 灵活方便, 可减少被控制对象的结构改动9。噪声主动控制技术是从声场机制、信号处理、空间布阵(采样)理论以及声源的近场控制等各个方面展开,减振控制理论的提出与应用对混响声场的有源控制使得噪声主动控制技术得到了更好的发展。 流体动力学噪声有源控制是使用次级声量级扰动信号的控制方法, 得到的是降低噪声的表面结果, 其作用的物理机制是源层次的。3.3 面铣削噪声源的种类3.3.1噪声源定义1）简单声源向外辐射噪声的振动物体被称为噪声源。声源有固体的、液体的或气体的。为了抑制声源辐射噪声，就要了解噪声源的振动辐射特征，包括声源强度、辐射效率（输入机械功率与输出的声功率之比）、声辐射的频率特性、声源指向性以及声源的辐射阻抗等。这些特性不仅与声源的结构组成有关，也与声源的激励方式有关。如空气动力学噪声源中的喷射噪声、涡流噪声、旋转噪声、燃烧噪声等，各有不同的振动结构和辐射特征；而机械噪声源中的电磁、碰撞、摩擦等噪声辐射也各不相同6。尽管物体振动的成因和振动方式不同，向外辐射声波的特性也有不同，全都可以看成是一些简单的有规律振动的合成。这些有规律的声源称为简单声源，或称声源模型。（2）单极声源的辐射单极声源简称单极源或点源，如一个周期地小幅度地膨胀收缩的球体脉动球，向四周空间均匀地辐射球面波，就把这个脉动球看成一个单极声源。（3）偶极声源的辐射偶极声源是由两个相距很近、相位相反的单极声源组成。一个沿固定轴做往复直线运动的振动球，当其振幅远小于辐射声波波长时，就可以当作一个偶极声源。设偶极声源的第一个单级声源的强度为Q，两个单源相距为I，Q与I的乘积称为偶极距或偶极声源强度。显然，偶极声源是有方向性的声源，在极轴上表现出最大的声压，在垂直于极轴并通过声源中心的方向上，由于相位相反的两个声压相互抵消，因而声压为零。偶极声源与单极声源不同，其声场有明显的方向性，但其声强只有在远场条件下测量才具有实际意义。偶极声源有很大一部分声压相互抵消，所以其辐射功率不如单极声源强。（4）四极声源的辐射四极声源有横向和纵向两种构成形式。横向四极声源由两个彼此平行的相距很近的偶极声源构成。其声场由于各单极声源之间的相互干涉，所以计算和表达更为复杂。其指向图呈四个花瓣状。纵向四极声源是由两个极性相反、在同一直线上的偶极声源组成。其指向图与偶极声源相似。横向的和纵向的四极声源都有近场和远场之分。声压随距离的变化，四极声源比偶极声源变化更快，近区为，稍远一些为，远场为。四极声源的低频辐射能力比单极声源和偶极声源更低。3.3.2面铣削噪声源在面铣削过程中，噪声可按照空转噪声和铣削噪声大致地分类。空转噪声（非切削时）是由空气动力学噪声、刀齿周围空气流动激发刀具振动引起的噪声和主轴电机驱动噪声组成的11。铣削噪声是铣削时刀具工件结构的振动产生的噪声组成的。1.空载噪声加工中心在高速运转时的噪声源有齿轮啮合噪声、轴承噪声、电机的电磁噪声和风扇噪声等多种噪声源，每种噪声源都有自己的特征频率8。而加工中心在空载时，由于加工中心的结构精密，传动级低，主要是通过电机的转速来直接控制主轴转速、丝杠转速，从而达到高精度加工，所以的主要噪声来源于气动噪声、电机的电磁噪声和风扇噪声。（1）气动噪声气动噪声是指气体以一定的压力和速度流经缝隙时, 造成能量损失, 这部分能量以振动与噪声的形式消耗掉。刀具在高速旋转时也会产生气动噪声。（2） 电磁噪声电磁噪声是由空隙中交换的电磁力相互作用而产生的, 电机、变压器、磁致伸缩部件等的噪声属于这一类。（3）通风噪声主要由电机风扇发出的。2.切削噪声声音都是由于振动产生的，加工中心中的任何运动部件都可能引起振动并造成噪声。在铣削过程中，加工中心产生的自激振动, 金属切削时产生的冲击、挤压是其主要噪声来源。对于铣削加工中心，其声音的产生可以从以下两个方面研究:(1)铣削过程中总声音的构成及其影响因素；(2)纯铣削过程的发声机理及其影响因素。其中前者包含了加工中心传动系统、电气系统、环境本身噪声等多方面因素，也包括面铣削过程中发出的切削声音;后者指纯铣削声，纯切削声是指切削过程中产生的噪声，它可以分为两部分:一部分是由于材料变形、破损所产生的声发射 (AE):另一部分是指切削系统的振动通过刀具、刀架和工件向外辐射的噪声。本课题研究的主要是可听声范围的切削声信号，即频率为20Hz2OkHz的声信号。一般情况下，在声频范围内，材料声发射能量很小，因此纯切削声主要指来自切削系统的振动通过刀具、刀架和工件向外辐射的噪声。4. 面铣削加工中的空载噪声分析在章节三中简单介绍了面铣削的主要噪声源，我们可以知道空载噪声源主要是气动噪声，电机的电磁噪声以及齿轮传动系统和轴承转动所产生的噪声。这也就是加工中心的主要噪声源，本章主要对加工中心气动噪声主动控制理论和技术进行研究。4.1气动噪声4.1.1气动噪声的定义气动噪声（空气动力学噪声）是指高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用产生的噪声，称为空气动力学噪声，简称气动噪声。根据产生机制和特性，气动噪声又可分为涡流噪声、旋转噪声、周期性排气噪声和喷射噪声等6。高速面铣刀的气动噪声主要是由涡流噪声和旋转噪声构成的如图4.1。图4.1（1）涡流噪声气流流经障碍物时，由于空气分子粘滞摩擦力的影响，具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用，就在障碍物下游区形成带有涡流的气流。这些涡旋不断形成又不断脱落，每一个涡旋中心的压强低于周围介质压强，每当一个涡旋脱落时，湍动气流就会出现一次压强跳变，这些跳变的压强通过四周介质向外传播，并作用于障碍物。当湍动气流中压强脉动含有可听声成分，且强度足够大时，则辐射出噪声，称为涡流噪声或湍流噪声。当气体与物体以较高的速度相对运动时就能产生涡流噪声。高速面铣刀符合这一特征，气动噪声成分中会含有湍流噪声。（2）旋转噪声旋转的空气动力机械（如高速面铣刀），旋转时与空气相互作用而连续产生压力脉动，从而辐射出噪声，称为旋转噪声。以高速面铣刀的刀齿的通过次数为基频的压力谐波，当其压力足够强，且频率在人耳听觉范围内时，则产生旋转噪声6。 高速面铣刀会产生旋转噪声，其谐波频率为： （4.1）式中，n面铣刀转速；z-铣刀齿数。旋转噪声各谐波分量的相对强度，取决于压力脉冲的形状和刀齿宽度。旋转噪声频率是刀齿通过频率与高次谐波频率的合成。4.1.2气动噪声的研究对于加工中心空载气动噪声研空主要是采用气动力学噪声模型。John S. Stewart基于声源理论建立了一个声音模型，可以识别圆周速度的重要性和噪声生成过程中的声源强度。这是预报切削过程中的噪声早期采用的理论方法之一。尽管这个模型是基于实验确定的参数，几个重要的理论概念，如空气动力学噪声生成、声源类型以及容屑槽类型的影响等都有探讨。这个分析假定了噪声的生成主要是由空气动力学方面的原因，比如，认为噪声的生成主要是由于流动的空气经过不连续的（锯齿）的刚体所引起的扰动6。随着刀具的旋转，在它的周边产生了空气流动速度，其等于刀体边缘的线速度。流体中的噪声源分为单极子、偶极子和四极子噪声源。单极子噪声源通常是系统中的流体容积发生变化（增加或减少）引起的，偶极子噪声源通常是介质中的波动力（来自涡流脱落和其它的机械装置）引起的，而四极子噪声源是由流体剪应力引起的并通常与自由湍流有关。对单极子、偶极子和四极子噪声源来说，辐射的声功率随着其边缘速度的变化而变化。为了更好的进行研究，我们引入如下实验15：1.实验设置为了确定单极子、偶极子和四极子噪声源的相对重要性，实施了一系列的实验，通过进行频谱分析识别对总体噪声影响较大的基本频率。设计这些实验是为了确定作为重要噪声源的刀体振动对空转面铣刀的影响程度。选择两把具有不同的容屑槽形状、容屑槽体积和刀片几何形状的刀具进行实验，如图4.2所示。刀具A的直径为0.1 m，带有6个主偏角为45度的刀片；刀片B直径为0.1016 m，带有6个主偏角为零度的刀片。 刀具A 刀具B图4.2使用的机床型号为Mori Seiki SVD 403。刀具放置在机床围壁的中心。机床围壁是光滑的金属表面，可高度反射。因此，高度吸音的玻璃纤维泡沫材料被用来覆盖机床围壁，以便减少反射和排除外界噪声。选择0.0889 m 厚、吸收率为0.99的R-11型玻璃纤维可满足需要。将一个Bruel 和 Kjaer 4188预分化的、自由场为0.0127m的麦克风放置在围壁内来测试噪声，如图4.3所示。初步的实验表明，声压级SPL是刀具中心至麦克风的半径距离的函数，但麦克风在垂直和水平方向上不同角度放置时（距离相同）记录的SPL值并没有明显区别。由此可推断，欲使远场的假设成立，麦克风应该放置在与刀具半径至少10倍的距离的位置上。所以，在这次实验中，将麦克风放在距刀具水平面中心0.7 m远的位置上。麦克风通过一条12-bit 的美国国家仪器公司的PCI - 6023E数据采集单元与计算机连接起来。由于初步的实验同时表明，面铣削中生成的噪声所获取的大部分重要频率都在3000 Hz以内，样本输出速率为每秒12,000个样本（是奈奎斯特采样频率的两倍）图4.32.试验计划为了理解噪声源的不同，并分离由刀体本身引起的空气动力学噪声，采取了三种测量措施：周围的/常规的机床噪声：开动机床但主轴不旋转；主轴噪声（刀具夹具噪声）：不夹持刀具时夹具旋转，从而确定主轴旋转噪声；总体空气动力学刀具噪声：刀具夹持在夹具中，主轴旋转。刀具旋转速度范围从9,000到13,000 rpm，基于记录的麦克风数据，两把刀具的声压值按照各自的速度进行计算。而且，每种测试条件都重复三次以便消除误差，并计算噪声测量的可靠区间。3实验获得的观察数据在所有情况下，总体空气动力学刀具噪声与主轴旋转引起的噪声之间的差别大约是4dB。然而，为了准确计算空气动力学噪声对刀具本身噪声的贡献，需要进行进一步的频谱分析：对10种案例的总体噪声和周边噪声的声谱图取总体均值，每个案例包含12,000个样本一秒为一个区间（分辨率带宽为1 Hz)。数据首先通过一个截止频率为3000 Hz的低通过滤器，并且在频谱的计算中使用汉明窗。两种情况的声谱按照分贝标度来绘制。刀具本身的空气动力学噪声的重要频率是通过对比两种频谱建立的。有效声压，即从每种速度的频谱图计算得出的声压值，根据实验所得数据进行分析。分析频谱可以更好的理解高速面铣刀产生的噪声。刀具A 在13000 rpm时的声谱（第一次重复）如图4.4所示。刀具A和刀具B在所有速度值上的声谱都可以得到。所有声谱都相对平坦，而且分布在较宽广的频率范围内，是一种典型的随机现象，并与涡流脱落现象的出现相一致。因此可以假设涡流脱落可能是空转面铣刀的主要声源。图4.4声谱同样表明，离散频率是根据旋转频率及其谐波频率确定其频率的（见图4.4）。然而，当任何一把刀具的转速在9,000-13,000 rpm之间变化时，在刀具的固有频率处（对两把刀具来说大约是400600 Hz）并没有出现峰值，这就暗示了这个范围内刀具没有产生共鸣和共振，如果有的话，也仅会在气流的强迫频率处出现。刀具的谐振频率是是通过使用一个冲击锤模态分析测试来确定的。用一种具有钢制端部的Kistler 9274A2000型冲击锤（在直至10,000Hz的所有频率上进行激发）激发刀具，所引起的振动通过使用一种Kistler 8694M1型三维加速计进行测量。这些信号然后使用一种 OROS OR763型信号分析器进行分析，从而找出诸如固有频率、阻尼系数和硬度等等这样的模态参数。对于实验所得数据进行分析可得到：周缘速度似乎是离散噪声的来源。然而，宽谱噪声随着刀具几何尺寸而变化，并且是总体噪声的主要贡献者。以上实验的结果清楚地表明，面铣刀产生的噪声在本质上主要是单极子和偶极子噪声源。声谱主要由离散频率和宽谱频率组成，其中宽谱频率对总体噪声贡献较大。因为宽谱噪声（由涡流脱落导致的）似乎是容屑槽形状的函数，刀体容屑槽形状的设计显然是重要的。事实上，即使是在相同的旋转速度时，两把刀具的噪声值具有显著的区别，这就表明，刀具的设计影响空气动力学噪声值。所以，可用于设计和分析目的的数学模型是非常重要的，可以作为这些因素的函数来预报声压。4.1.3噪声预报的数学模型切削噪声预报模型是通过使用有限元方法将面铣削过程中产生的刀具-工件的振动同刀具周围的声压场联系起来。刀具-工件振动数据是通过一个动态面铣削切削力模拟模型获得的。面铣削过程的总体噪声预报是通过将切削噪声和空气动力学噪声预报结合起来获得的，同噪声试验观测结果比对较好。，通过使用综合模型，各种切削参数和刀具几何参数的影响可以得到研究。研究表明，刀具几何参数、动态切削力和切削速度在面铣削总体噪声中扮演了重要的决定性的角色16。一些研究者努力尝试用理论上的空气动力学噪声模型来解释他们的实验观测结果。John S. Stewart基于声源理论建立了一个声音模型，可以识别圆周速度的重要性和噪声生成过程中的声源强度。这是预报切削过程中的噪声早期采用的理论方法之一。尽管这个模型是基于实验确定的参数，几个重要的理论概念，如空气动力学噪声生成、声源类型以及容屑槽类型的影响等都有探讨。这个分析假定了噪声的生成主要是由空气动力学方面的原因，比如，认为噪声的生成主要是由于流动的空气经过不连续的（锯齿）的刚体所引起的扰动。S. Stewart首先解释了旋转锯片周围的空气是分布式的。经典的分析方法将声源分为单极子声源（质点的波动）、偶极子声源（力的波动）和四极子声源（剪应力），这种声源辐射的分类方法在这种模拟过程中是有效的。如果上述声源之一占明显优势时，这个过程是相当简化的。据发现，在圆锯片中，单极子声源最有可能产生离散频率的噪声，这些频率是锯齿的通过频率以及锯齿通过频率的谐波频率，并且锯齿的圆周速度每增加一倍，声功率级就会增加12 dB，这就表明了声功率的V4幂法则。偶极子声源代表了波动的力作用在周围的空气上，有可能是由拖曳力、涡流脱落以及其它途径产生的。这些噪声源与V6幂法则有关联，当齿尖速度加倍时，辐射的声功率级将会增加18 dB。四极子声源源自剪应力，与自由湍流场有关。四极子声源导致了V8幂法则，当齿尖速度加倍时，辐射的声功率级将会增加24 dB16。通过常规观测，Stewart 8发现锯切的噪声源在性质上主要是偶极子噪声源，并通过对风扇噪声的类推，确立了由旋涡运动导致的锯片偶极子噪声源的声功率的近似表达式： （4.2）式中，是声功率， 是空气密度, 是声速,是扰动面积， 是噪声源强度， 是雷诺数，而 是圆周速度。声音模型表示了圆周速度和声强的重要性，该模型同实验数据比照也较好。然而，这个模型虽然没有从理论上分析考虑基本的圆锯形状的影响，却以实验数据为基础包括了齿槽形状对噪声值的影响。1984年，Mote发表了关于圆锯的空气动力学噪声的两篇重要论文。由Leu and Mote 发表的第一篇论文依据实验结果建立了这样一个认识：旋转圆锯的锯齿边缘的涡流脱落是压力波动和噪声的占主导作用的噪声源。这是通过用压力测量仪测试在水箱中旋转的的刀片得出的结论。他们同样发现，通过比较由每种情况引起的压力波动，边界层噪声与旋涡诱导的噪声相比是不重要的。通过进一步观察发现，由涡流脱落诱导的压力波动实际上是观测者所在位置的噪声驱动力。一旦确立了涡流脱落诱导的偶极子噪声源是旋转锯片的噪声源，Mote and Zhu试图理论上建立空气动力学噪声的辐射模型以及在锯齿边缘上的散射模型。他们得出了远场声音流体密度变量（用印度记号）之间的关系，以及致密偶极子噪声源： （4.3）式中 是圆锯表面施加在流体上的全部瞬时力， 是观察着或麦克风的位置矢量，声源的位置矢量，是声速， 是观测时的时间e (即声音被听到或测到的时刻)。通过一系列的数学工具，他们得到了声压的表达式： （4.4）式中 是相对声强，而和 分别是偶极子声源的径向和法向矢量在实施另外的实验的基础上，他们总结出结论：旋转圆锯片的远场声压主要是由圆锯片边缘的径向和法向偶极子噪声源引起的。他们进一步得出： （4.5）式中 u 是边缘的圆周速度 而指数一般在5和6之间。对于单一的致密偶极子声源指数是6 。4.2电磁噪声及通风噪声的控制方法由电磁噪声产生的机理，要减少电磁噪声必须稳定电流、电压。但电磁噪声往往不是单独存在的, 例如电动机噪声包括电磁噪声、定子共振、转子不平衡等引起的噪声和轴承噪声。电磁噪声是由于转子每个导体切割定子磁力线, 导致磁势发生变化引起的。它和定子、转子槽数与组合方式、线圈节距、磁束密度、槽的斜度、壳体刚性均有关6。通风噪声是风扇及旋转体的某些突出部分扰动电机内的空气而发生的噪声, 频率范围较广, 降低通风噪声的方法有以下几种:1) 减小风扇外径和设计好风扇的形状; 2) 消除通风系统(特别是进、出口) 处的障碍物, 可减少如“小笛”样的尖叫声;3)采用内阻大的材料制造风扇或采用消音器。另外为了消音、减振, 通常在电机下设置隔振器、消振器, 更换精度好的轴承, 以及对转子进行动平衡。4.3传动系统的噪声控制加工中心的传动系统噪声源主要来自于齿轮啮合和轴系部分。其主要控制方法是控制声源的震动。4.3.1齿轮传动部分的噪声控制方法产生齿轮噪声的原因, 除齿轮本身的原因之外, 还有轴系的弯曲与扭转, 以及轴承、轴承座及齿轮箱等问题, 要全方面综合考虑。齿轮本身的影响: 齿轮的模数、齿数、压力角、螺旋角、齿宽、啮合系数、及加工状况等基本设计参数, 均对振动与噪声有影响, 应全面考虑7。对与动力传动的齿轮, 齿根弯曲变形是影响振动与噪声的主要因素, 应选大模数; 对于承载不大的齿轮, 只要强度允许, 应尽可能选较小模数。齿轮外径加大, 侧面噪声辐射面加大, 为减小辐射面积, 应尽量选较小直径, 并采用轮辐钻孔等方法。为减轻振动, 应计算固有频率, 以避开共振6。噪声随齿宽增加而减小, 但齿轮的齿宽增加会引起接触不良, 故可将齿宽限制在一定范围内, 只增加轮体宽度，只要表面光洁度好, 随着螺旋角的增加, 振动与噪声均减小。但应注意, 加工精度不得降低(这种零件的加工也是相当不易的)。增加重合系数, 动载变化减小。系数= 2 时, 由于振动产生的加工表面振纹极小, 而当系数= 3 时, 振纹可消失。但如果采取减小压力角的办法增加重合系数, 则少量的齿形或齿距误差将引起干扰而产生更加强烈的振动, 此时应综合考虑压力角、齿厚、齿高和加工条件等因素的影响6。齿轮加工精度中齿形误差、齿向误差、周节误差对振动与噪声均影响很大, 周节误差可引起啮合冲击, 产生严重杂音; 齿向误差将引起边缘磨损, 产生刺耳的哨声等。此外提高齿轮的安装精度也是降低噪声的主要措施, 众所周知, 啮合的齿轮接触不良时, 振动与噪声均将很大。故装配前应检查齿轮的接触精度, 这是原始性寻找振动与噪声产生原因的有效办法。影响机床齿轮安装精度的主要原因是齿形误差与齿向误差、齿面伤痕、箱体孔的加工误差及变形、轴系刚度及精度等3。以上所述为设计原因, 对于故障分析来说, 必须掌握这些内容, 以便发现故障的真正原因, 设法排除。4.3.2轴系其他传动部分噪声控制轴系其它传动部分振动所引起的噪声: 除齿轮轴外, 齿轮总是通过键、销、螺钉等安装在轴上的, 如果轴的刚度不高, 即使齿轮本身再好, 也将因轴的弯曲、挠动、扭转而增加振动与噪声。按设计要求, 将轴长与轴径比控制在5: 1, 使齿轮(尤其是重载齿轮) 装在支承附近为宜。在此前提下, 对轴系零件的外圆及内孔的圆度、圆柱度及光洁度均应有相应的要求, 多轴颈的同轴度应控制在允许范围内6。轴承是影响轴系精度、振动与噪声的重要元件, 滚动轴承本身就是一个振动源。就轴承本身而言, 内外滚道特别是滚动体的圆度是影响噪声的最重要因素。为此, 轴承与壳体及轴的配合不能过紧, 配合部位的圆度应控制在尺寸公差之半。高速回转的轴系件必须经过平衡。对与传动部分噪声控制中，选用粘度大的润滑油, 对降低噪声有利, 且可减少齿面划伤及磨损; 飞溅式润滑会增加液体扰动噪声。从啮合处开始给油, 润滑效果好; 从脱开啮合处开始给油, 冷却效果好。5.面铣削加工的切削噪声分析5.1面铣削加工原理铣削加工是机械加工中常用的一种切削加工工艺，铣削时，铣削刀具高速旋转，工件相对移动(或转动)，从而实现对零件的加工。由于铣削的加工范围广泛并且加工效率越来越高，铣削已成为切削加工的一种十分重要的加工工艺2。这里主要研究的是面铣刀铣削平面加工过程中的声音的产生及其影响因素，故先对面铣刀铣削平面加工机理进行介绍。图5.1为面铣刀铣削平面的示意图。 图5.1面铣刀铣削平面示意 盘铣削加工时的切削运动:主运动 直接切除工件上的切削层，使之变成切屑形成已加工表面的运动，即铣刀的旋转运动。进给运动 使金属层不断投入切削，从而使切削过程延续以致加工除整个工件表面的迟动，即工作台的移动。铣削 要素:铣削速度 主运动的速度。即铣刀外径上的线速度。称之为铣削速度vv= （5.1）其中:v 一 铣削速度，m/min,d 一 铣刀外径，mm,n 铣刀转速，r/min进给 量 铣刀转一周，工件相对于铣刀移动的距离为每转进给量f,单位mm/r,若铣刀是多刃刀具，铣刀转一周，工件与铣刀相对位移为介，称为每齿进给量，用of表示工件与铣刀每分的相对位移量为J*n,即进给量of它们三者关系可以表示为:v=f*n=a*z*n (5.2)径向切深是指垂直于铣刀轴线方向侧量的切削层尺寸(如图5-1)，用a表示。轴向切深一一是指平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸(如图-1)，用a表示2。5.2刀具振动的研究5.2.1刀具动平衡旋转刀具的动平衡原理与一般旋转零件的动平衡原理相似。在一定的制造、安装误差允许的范围内，可以采取有效的平衡措施，将刀具的不平衡量降低到允许的最低限度。通常，在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置14。根据机械原理转子平衡理论，面铣刀的所有质量随机地分布在若干个不同的回转平面内。即使刀具的质心在回转轴线上，由于各偏心质量及所产生的离心惯性力不在同一回转平面内，惯性力偶使刀具处于动不平衡状态。刀具的动平衡条件为：=0且=0 (5.3)式中 F刀具上各惯性力的矢量和;M 各惯性力矩的矢量和故面铣刀的动平衡计算，应确定出各不平衡质量的大小和方位，然后根据力的平行分解原理，将各不平衡质量的质径积向任意选定的两个平衡基面分解，分别建立每个平衡基面质径积的平衡方程，最后用图解法或解析法求解。静平衡转子回转时，各惯性力与平衡质量产生的离心惯性力形成了一个合力为零的平面汇交力系，刚性转子的静平衡条件为:=+F=0且=0 (5.4)式中 F 惯性力F