全陶瓷球軸承電主軸磨削工件時輻射噪聲特性研究*

閆海鵬 胡貝貝 ?；⒗?朱金達 吳玉厚

(①河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018；②河北科技大學化學與制藥工程學院，河北 石家莊 050018；③沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

高速電主軸是數控機床的核心部件，其利用電機直接驅動主軸的轉動方式，實現了數控機床主軸的“零傳動”，即達到了100%的傳遞效率[1]。隨著高速加工技術的不斷發展，各工業制造領域對電主軸轉速與精度的要求與日俱增，而電主軸的關鍵部件采用傳統鋼制軸承已無法滿足電主軸技術向高速大功率、高精度、高可靠性及高壽命等方向發展。全陶瓷軸承電主軸具有轉速適應范圍寬、高速運轉發熱小、性能穩定、壽命長、耐腐蝕、不怕污染、自潤滑、抗磨損和可靠性高等優異性能指標，是高速數控機床理想的主軸單元[2-3]。

電主軸的服役性能直接影響著高速數控機床的加工精度，因此學者們對電主軸的熱特性[4]、動力學特性[5-7]以及電磁場特性[8-9]等性能方面進行了大量的研究。其中，張麗秀等不僅對電主軸的溫升預測以及熱特性影響因素做了詳細研究，還對電主軸的振動特性進行了分析[10-11]；熊文莉等對滾動體存在誤差的電主軸軸承受力情況進行了研究，同時預測了軸承的使用壽命[12]。這些研究均取得了一定成果，并對改善電主軸性能提供了依據，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床的主要噪聲源，而電主軸噪聲是一種聲學污染源，較高的噪聲不僅對操作工人身心健康造成影響，降低勞動效率，同時對周圍聲環境也會造成污染，更重要的是高噪聲狀態的長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驗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的聲輻射情況。本文以全陶瓷球軸承電主軸為研究對象，研究其在數控機床高速電主軸中的輻射噪聲隨轉速的變化，可以明確實際加工工件過程中全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲特性，進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床上進行實際磨削實驗，測試實際工況條件下的輻射噪聲并對其進行分析，進一步為降低全陶瓷球電主軸輻射噪聲提供依據。

1 輻射噪聲測試

1.1 數控磨床與測試電主軸

為了測試全陶瓷球軸承電主軸在實際加工工件時產生的輻射噪聲特性，將裝配有全陶瓷球軸承的5SD24Y16-150高速電主軸安裝在MK2710數控內外圓復合磨床上，進行磨削氮化硅陶瓷軸承外圈內表面實驗，測試磨削過程中全陶瓷球軸承電主軸產生的輻射噪聲特性。

MK2710磨床可實現無間隙、高靈敏度運動，各軸運動分辨率可達1 μm，其他主要技術參數如表1所示。全陶瓷球軸承套圈為氧化鋯陶瓷，球為氮化硅陶瓷，保持架為膠木，其結構參數如表2所列。

表1 MK2710磨床的主要技術參數

表2 全陶瓷球軸承結構參數

5SD36Y16-150高速電主軸裝配有四套全陶瓷球軸承，前后各兩套以穩定支承主軸，其徑向跳動和端面跳動均在4 μm以下，振動值在1.2 mm/s以下，額定轉速為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16 kW。

1.2 噪聲測試實驗方案

為測試不同工作轉速下的全陶瓷球軸承電主軸磨削加工輻射噪聲，實驗測試傳感器布置方案如圖1所示。

測試過程中，接桿伸出電主軸前端的長度為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，內徑為63.5 mm，磨削進給量為10 μm。測試中對套圈內表面進行磨削。

2 實驗結果分析

2.1 背景噪聲

測試了空載運行和磨削工件時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，其中背景噪聲指僅砂輪主軸不運轉，而其他輔助設備均開啟時的噪聲。

由圖2a可以看出，兩個測試點的聲壓波形在0.02 s范圍內的變化趨勢一致，且變化大小基本一樣，表明兩個測點的聲壓相近。圖2b為在10 s的測試時間內，對每隔0.02 s內的有效聲壓計算得到的聲壓級。由圖可知，實際磨削環境的背景噪聲很高，在距離機床砂輪主軸300 mm位置的背景噪聲在68.05～71.04 dB，且場點2位置的聲壓級稍大于場點1位置的聲壓級，兩個測試點的平均聲壓級已經高達69.17 dB(場點1)和69.7 dB(場點2)。背景噪聲較大主要是由輔助設備運行產生，其中包括冷卻水電機，潤滑設備等。經過檢查測試分析，本文中產生較大的背景噪聲由冷卻水電機產生。

2.2 空載運行輻射噪聲

電主軸帶砂輪空載運行時聲壓級隨時間變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，在各轉速下的輻射噪聲均在一定范圍內隨時間變化，但總體噪聲隨轉速的提高呈現增大的趨勢。

圖4為測試場點的平均聲壓級隨轉速的變化曲線，由圖可知，場點2的輻射噪聲明顯高于場點1，表明該聲場在各方向的噪聲大小不同，即聲場具有指向性，且隨轉速的提高，輻射噪聲呈現逐漸增大的變化趨勢。從實驗結果可知，在轉速為6 000～15 000 r/min增加的幅度較大，而在轉速為15 000～24 000 r/min變化平緩。根據文獻[14]的研究結果發現，盡管轉速的提高使輻射噪聲增大，但對電主軸兩端采用雙軸承支承與采用單軸承支承所產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單的將兩個單軸承輻射噪聲進行疊加。對于單個軸承時，隨轉速的增加，輻射噪聲增加的幅度有所增大，而對于雙軸承時，輻射噪聲增加的幅度呈現先增大后減小的趨勢。

此外，與文獻[13]的測試結果相比較可知，在單純實驗條件下與將電主軸裝配在實際機床上運轉的輻射噪聲隨轉速的變化情況稍有差異，但總體變化趨勢一致。

2.3 磨削加工時輻射噪聲

為了分析磨削時的輻射噪聲，將工件套圈稍安裝偏心一些，以使工件旋轉一周時，只在某一區域有實際磨削效果，而在其他區域砂輪實際上并沒有磨削到工件。這樣設置便于對比磨削時與未磨削時的輻射噪聲。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生的噪聲隔開(消音)。在一定程度上，可以認為測試得到的輻射噪聲即為磨削與未磨削交替作用時陶瓷電主軸的輻射噪聲。圖5給出了在不同轉速下磨削與未磨削交替作用時輻射噪聲變化曲線，而實際磨削工件時電主軸輻射噪聲如圖6所示。

由圖6可知，磨削時產生的輻射噪聲明顯高于未磨削時的輻射噪聲，只有在轉速為15 000 r/min時，場點2的磨削時輻射噪聲與未磨削時輻射噪聲相差較小，但其平均值也相差1.5 dB以上。而其他轉速下磨削時聲壓級均高于未磨削時聲壓級2 dB以上，最大相差9.2 dB。由此表明了磨削加工對全陶瓷球軸承的輻射噪聲有較大的影響。

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

3 結語

研究了磨削加工時全陶瓷球軸承電主軸輻射噪聲特性，得到以下結論。

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

(2)電主軸驅動砂輪空載運行時，隨著轉速的升高，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)在實際磨削過程中，隨轉速的提高，全陶瓷球軸承電主軸的輻射噪聲整體呈現逐漸增大的趨勢，但在轉速為12 000～21 000 r/min時，輻射噪聲變化較為復雜。

(4)實際磨削加工時的全陶瓷球軸承輻射噪聲較空載運行時大，且揭示了磨削過程中全陶瓷球軸承輻射噪聲變化的復雜性。