金属车削噪声的机理及其控制王太勇，赵国立，张纪锁（天津大学）（厦门电视大学，福建３６１０ ０４）摘要分析车削噪声的产生与激励特性，论证声频范围内切削噪声主要产生在２～８ｋＨｚ的 原因，并通过对刀具采取结构阻尼措施取得了明显减振降噪效果．关键词：车削噪声机理，动态切 削激励，
阻尼刀杆，减振降噪ＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＭＥＣＨＡＮＩＳＭＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬ ＳＯＦＭＥＴＡＬＴＵＲＮＩＮＧＮＯＩＳＥ￥ＷａｎｇＴａｉｙｏｎｇ；ＺｈａｏＧｕｏｌｉ； ＺｈａｎｇＪｉｓｕｏ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）（ＸｉａｍｅｎＴＶＵｎｉｖｅ ｒｓｉｔｙ，Ｆｕｊｉａｎ３６１００４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｐｒｏ ｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｕｒｎｉｎ ｇｎｏｉｓｅｓｈｏｗｎｏｉｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｍａｉｎｌｙａｍｏｎｇ２－８ｋＨｚ ．Ｔｈｅｎｏｉｓｅａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｓｔｒａｉｎ ｅｄｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄａｍｐｉｎｇｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ：ｔｕｒｎｉｎｇｎｏｉｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｄｙｎａｍｉｃｔｕｒｎｉｎｇｅｘｃｉｔａ ｔｉｏｎ，ｄａｍｐｉｎｇｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇｎｏｉｓｅ ａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ分类号；ＴＧ５０１车削声辐射的产生机床噪声源主要是传动系统声及 与切削过程有关的声辐射，此外还存在润滑冷却噪声。电控系统噪声及背景噪声等．其中与切削过 程有关的声辐射（或称其为切削声）涉及因素很多，本文设计了图１所示的实切实验装置，实测得 到的一完整车削过程的声压信号及其相应分段的自功率谱如图２所示．分析认为，机床空运转时（ 图中Ａ段）主要是低频声，多由电动机及机械传动噪声构成；刀具切入工件时（Ｂ段），随着切削 过程的引入，２～ｓｋＨＺ的高频成份逐渐增加，其它相应的峰值亦随之略有加大；达到稳定切削 后（Ｃ段），系统内的切削载荷增加到最大，全频带上各频率成份的幅值均有所增加，其中２～ｓ ｋＨＺ高频分量的峰值更为突出；刀具切出时（Ｄ段），１９６２年生，男，博士，机械工程系教 授．Ｂｏｒｎｉｎ１９６２，ｍａｌｅ，Ｄｒ，Ｐｒｏｆ．ｏｆＤｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃ ａｌＥｎｇ各频率成份逐渐减小．显然，引入切削过程而明显地增加出来的２～ｓｋＨＺ高频分量 必然是切削噪声的主体「。·。Ｉ图２切削过程声信号的时域与频域特性Ｆｉｇ．２Ｔｉｍｅａｎ ｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｃｕｔｔｉｎｇｐｒ ｏｐｐｐｓ在切削用量不变且加工不同材料的工件时，或工件相同但切削用量改变时，可以获得不 同的声信号频谱，但上述各阶段的信号变化总趋势是不变的．对于空芯或特体大型工件，经实验证 明，其声幅射效率高使产生的切削噪声为主要成份，不容忽视．这可在夹紧方法、切削方式及切削 用量上采取具体措施来加以改善’‘’普通车床通常加工的多为中小尺寸的实芯棒料．棒料在通过 其轴的某平面上振动时，单位长度上的声辐射强度主要取决于直径的４次方，因此中小型实芯棒料 工件往往不是主要切削噪声源”’．通过同步实测车削过程中刀具振动及切削噪声的自谱与互谱进 一步说明，引入切削过程后在２～ｓｋＨＺ内突起的噪声谱峰主要图３刀具系统的主模态振型Ｆｉ ｇ．３Ｍａｉｎｍｏｄａｌｓｈａｐｅｏｆｔｏｏｌｓｙｓｔｅｍ是由于刀具在该主模态下受切削 激励产生的振动而引起的，图３所示为刀具系统的主模态振型．显然，降低切削噪声除改善切削过 程的激励特性外，研究刀具系统的动态特性、并据此采取减振降噪的有效措施势在必行．２车削时 动态切削激励的频率特性金属材料机械特性的不均匀，自然会引起切削抗力的变动．造成材料机械 特性不均匀的因素主要有金属不同组织的存在、金属内部微观及细观缺陷等．假设材料的单位体积 内不均匀点数为ｋ的概率是Ｐ（ｋ），可进一步研究Ｐ（ｋ）的分布形式［’ｊ．首先把单位体积 Ｖ的材料分割成ｎ个相同体积Ｍ的微元，则／一Ｖ／ｎ．且假定：（１）每个微元存在两个以上不 均匀点的概率为零．在西Ｖ趋于无限小时每个微元内存在两个以上不均匀点的概率很小，可以忽略 ．每个微元存在一个不均匀点的概率为Ｐ。，Ｐｎ只与微元体积凸Ｖ成正比，而与具体哪一个微元 无关．若比例系数是ｐ，则有尸。一。乙Ｖ．（２）各体积微元存在缺陷与否，是相互独立的．在 这两个假定条件下，若材料体积Ｖ内存在有ｋ个缺陷，可以近似地看作在Ｖ中的ｎ个独立元中。恰 有ｋ块有缺陷．因此，存在ｋ个缺陷的概率可据独立试验序列进行近似计算Ｐ（Ｘ一ｋ）。Ｃ：Ｐ ：Ｑ：－‘（）若把Ｖ无限细分，就能获得上式的精确式，即设人一月Ｖ，则几一ｐ凸Ｖ一Ｖｎ． 将此式代入式（Ｉ），可得当ｎ、。时，ｎ（ｎ—１）…（ｎ—ｋ＋１）／ｎ‘、１，（１—Ｖｎ ）‘、１，（１—Ｖｎ）。＋ｅ－‘故有ｌｉｍＣＺＰＺＱ：－‘一／ｅ－‘／ｋ！即Ｐ（ｘ一以 一八‘／ｈ！（ｂ一０，１，２，３，……ｎ）（３）由式（３）可知，金属材料内部的缺陷服从 油松分布．把足个不均匀点看成是人个脉冲激励，且以Ｐ（Ｘ一是）的概率出现．将各脉冲激励在 频域内求均值即可得到激励的谱估计．设刀具在ｔ时间内切削的体积为Ｖ，则Ｖ＝ｆＸａ。Ｘｖ（ ４）式中：人ａ。及ｖ分别为切削深度、进给量和切削速度．由材料不均匀点形成激励脉冲数为Ｎ ＝ｋＸｆＸａ。Ｘｖ（５）脉冲周期为Ｔ—１／Ｎ—１／（ＸｆＸａ。Ｘｖ）（６）设在一个周期 内，脉冲激励的时间是周期的１／ｎ，可得频域表达式，且能分解为而激励的频域特性为式（８） 实质上是求概率意义下Ｃｎ的数学期望．在上述的表达式中，人ａ。、ｖ为已知，人ｎ可以借助材 料分析的方法（金相电子显微镜、激光散斑相关法以及声散斑干涉法）确定．本文近似估算Ａ值相 应为２０、１０，ｎ为１０［’‘．把上述运算编成程序，其流程图如图４所示．输入已知的人ａ 。、ｖ及确定的人、ｎ，即可获得激励的力谱估计曲线．图ｓａ、ｂ是计算得到的力谱曲线．由运 行结果看到，谱估计力谱特性频率峰值多集中在２～ｓｋＨＺ的高频段，而在低频和超高频处幅值 较小．说叩个属切时时？到＼卜’Ｖ年该高领域内激发出纯切削噪声．图４谱估计程序流程图图５ 谱估计曲线Ｆｉｇ．４ＳｐｅｃｔｒｕｍｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｃｈａｒｔＦｉｇ．５Ｓｐｅｃｔ ｒｕｍｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｃｕｒｖｅ３刀具结构的阻尼减振降噪效果由振动系统的动态响应可 知，减振降噪至少有两个途径：降低激励强度；降低响应幅值．对于车削中小型实芯工件，切削噪 声主要产生于刀杆在主模态下的振动，因此降低切削噪声最有效的方法就是增加刀杆的结构阻尼． 刀杆在两个方向上都有可能存在振动，因此在设计阻尼结构时，必须考虑在两个方向的效果．基于 美国宇航局ＮＡＳＡ－１２６９推荐的附加约束阻尼结构的计算方法，设计了表１所示的几种附加 阻尼结构，并对选定阻尼材料的具体厚度等结构参数进行了优化计算”‘．其中的结构５、６为基 于干摩擦阻尼迟滞耗能原理的分层结构，具有结构简单、成本低、静刚度大且适用条件宽等特点． 由于机夹式车刀只需要换刀片，因此对刀杆采取阻尼减振降噪措施极具实用和推广价值．对刀杆进 行处理后，明显地降低了其切削振动幅值．最佳情况振动幅值降低ｓｄＢ、用ＢＺ、Ｋ２２３０积 分声级计测得切削噪声声压级平均降低约ｓｄＢ（Ａ）．采用动态试验方法，对原始刀具、粘弹性 阻尼刀具结构２、于摩擦阻尼二层刀具结构６进行模态参数识别，得到的前四阶主要模态的频率和 阻尼比如表２所示．显然阻尼刀具的低阶模态频率由于刚性减弱而降低，但阻尼比则成倍地增加． 这正是阻尼刀杆可有效地抑制刀具切削振动、降低切削噪声的原因．表１阻尼刀杆截面示意图Ｔａ ｂ．ＩＤａｍｐｉｎｇｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ麦Ｚｔｏ四阶主要初态的频车和阻尼比比较 Ｔａｂ．２Ｃｏｒｎｐａｒｌｓｏｎｓｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｄａｍｏｉｎｕａｍｏｎｓ ｆｉｒｓｔ４ｍｏｄｅｓ４结论切削过程的声辐射主要由传动系统噪声和纯切削声构成．前者主要 分布在ＺｋＨＺ以内，可通过改善传动系统及机床的动态特性加以改善．切削噪声主要由动态切削 力激励刀具——刀架系统的某阶模态振动所致．针对刀杯体设计多种独特的阻尼结构，并从理论上 就主要方案进行最佳阻尼结构参数的优化，取得了明显的减振降噪效果．进一步的降噪必须致力于 优化切削过程、最大程度地减少切削激励力．参考文献｜｜１王太勇．机床噪声源的识别及其控制 研究．天津大学学报，１９９５，２８（３）：３３３～３３７２王大勇．车床刀具──刀架系统 的动态特性研究．噪声与振动控制，１９９１，（５）：１８～２１３王太勇．切削加工噪声及其 控制．见；全国振动理论与应用会议论文集．黄山：１９９３．６８６～６８９４吴雅．机床切削 系统的颤振、噪声及其控制──理论与实践。［博士学位论文］．武汉：华中理工大学机械系，１ ９９１５陈家鼎等．概率论与数理统计．北京：人民教育出版社，１９８０６王太勇等。
切削过程 的声学特性，见：１４ｔｈＩＣＡ’９２国际声学会议论文集．北京；１９９３．３９８～４０１ ７王太勇．机械噪声的测试分析与减振降噪技术．北京：机械工业出版社，１９９５金属车削噪声 的机理及其控制@王太勇，赵国立，张纪锁$天津大学，厦门电视大学车削噪声机理，动态切削激 励，阻尼刀杆，减振降噪分析车削噪声的产生与激励特性，论证声频范围内切削噪声主要产生在２ ～８ｋＨｚ的原因，并通过对刀具采取结构阻尼措施取得了明显减振降噪效果．１王太勇．机床噪声源的识别及其控制研究．天津大学学报，１９９５，２８（３）：３３３～３３７２王大勇．车床刀具──刀架系统的动态特性研究．噪声与振动控制，１９９１，（５）：１８～２１３王太勇．切削加工噪声及其控制．见；全国振动理论与应用会议论文集．黄山：１９９３．６８６～６８
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