环境是人类社会可持续发展的三大基础之一,进一步防治环境中的噪声污染问题成为全世界的共识, 各国都提到了自己的议事日程上。制造业中受迫成形领域里的冲压加工,在给经济发展和社会进步 起着推动作用的同时,也给社会造成噪声和振动两大公害。而冲裁噪声在冲压加工噪声中是最为严 重的,所以正在受到广泛的关注。应该说,人们对冲裁噪声开展了较多的研究并取得了不少成果, 比如,先后提出或发展了斜刃冲裁、油中冲裁、带缓冲装置的压力机及各种隔声、消声器具与装置 等。然而,至今,在国内外对冲裁噪声的上述研究中,大多是针对其消极的防治方面进行的,较少 涉及冲裁工艺本身,对冲裁噪声规律研究很不够。为此,本课题组对这个问题正在进行一些研究: 在文献<1>中,定性地指出了在冲裁变形过程的6个阶段中,被冲材料突然分离阶段噪声最大; 在文献<2>中测出了冲裁噪声波形图,对其定性的分析做了定量的验证;文献<3>推导出计算 其突然分离阶段最大噪声声压级的数学描述。本文将介绍通过材料的特征值,主要是硬度和强度值 去预报冲裁噪声发射的声压级峰值的试验研究结果,以进一步验证该种数学模型的正确性和通过材 料的特征值去预报冲裁最大噪声的可行性。从声学角度而言,噪声及其控制工程包括噪声发射、噪 声照射和噪声暴露三个部分<4>。本文研究只涉及其中的第一部分,即数学模型及其预报均只针 对冲裁工艺噪声的噪声发射问题。1冲裁噪声最大值预报模型1.1冲裁噪声发射峰值的数学描述 文献<3>根据冲裁模中冲头结构特点,冲裁变形过程中材料有突然分离的特点,弹性力学中的小 变形假设,导出了冲头端面的自由振动方程;然后采用振动力学与声学中的基本原理,导出冲头端 面作为点声源在空气中辐射的有效声压的数学描述,从而,得到了一个冲裁变形中突然分离阶段的 噪声声压级的表达式,并作了初步的实验验证。图1实验原理方框图该种冲裁噪声最大值的计算公 式即冲裁噪声发射峰值模型为Lp=20logPrlρ+60(dB)(1)式中:r—测量距 离,即声级计与冲头(声源)的距离(m);l—冲头的长度(m);P—冲裁力(实测值)(N );ρ—冲头材料的密度(kg/m3)。1.2单位冲裁力与板料硬度的关系公式(1)中冲裁 力P是实测值,实际应用时会遇到困难,因为不可能在每一副冲裁模具或压力机上都安置传感器去 进行冲裁力的测试;而采用传统的经验公式计算冲裁力又不很精确也比较麻烦,其中原因之一是一 些板料的剪切强度和抗拉强度在手册中无法查到,需进行实验测定。为了工程实用和预测的方便, 本课题组成员曾在大量实验的基础上(经过用30多种板材的冲裁实际测量,并将实验数据进行数 学回归分析),提出了单位冲裁力p与板料维氏硬度HV的关系式<1><5>,即p=-26+ 3.1HV-0.0026HV2(2)冲裁力P的计算公式为P=Ltp(3)式中:L—冲裁 件受剪周边长度(mm);t—为冲裁件料厚(mm);p—单位冲裁力(MPa)。1.3用板 料的维氏硬度值进行预报的数学模型根据上面所得到的结论,若将公式(2)、(3)代入到公式 (1)中,便可推导出用板料的硬度值预报冲裁噪声的数学模型为Lp=20logLt(-26 +3.1HV-0.0026HV2)rlρ+60(dB)(4)另外,为对比实验的需要,还 可列出用板料的强度值预报冲裁噪声的数学式。目前沿用较普遍的由材料的抗拉强度(σb)进行 冲裁力计算的经验关系式为P=0.8Ltbσ(5)式中符号含义同上。于是,可得通过板料强 度极限(bσ)去预测冲裁噪声发射峰值的数学式为Lp=20log0.8Ltσbrlρ+6 0(dB)(6)上述噪声声压级数学模型式(1)(、4)和(6)计算出的声压级均为线性声 压级,而声级计的测量值为A计权声压级,两者的换算关系为LA=LP+ΔLA(7)式中,Δ LA为A计权修正值,与声源的振动频率有关<6>。本实验条件下的频率为14157HZ,故 由文献<6>可查表得ΔLA为-6dB。于是可得LA=LP+ΔLA=LP-6(dB)(8 )这样计算出的噪声声压级纯粹是因板料的突然分离而产生的,实际噪声声压级应为空载噪声声压 级与突然分离阶段产生的噪声声压级的叠加。其计算式为<6>LPT=LP1+ΔL(9)式中 :LPT—实际总声压级(dB);LP1—两声压级中较大的声压级(dB);ΔL增加的声压 级(dB),可由文献<6>得。2试验研究为了检验上述公式(4)(、6)的可行性,采用实 测材料硬度和强度值的办法分别计算出冲裁力,以及采用压力传感器实测的冲裁力,并将这三种冲 裁力值分别代入上述对应的公式计算出各自的冲裁噪声声压级峰值,并换算得到各自的LPT;然 后与声级计实测得到的冲裁噪声声压级峰值进行比较。2.1测试原理实验原理如图1所示。采用 压电式石英晶体压力传感器接受冲裁力信号,对冲裁力进行测量,压力传感器位于上模板与凸模之 间;同时采用电容式传感器接受冲裁噪声信号。测量时,冲裁力信号经凸模传递给压力传感器,传 感器输出与力成正比的电荷,经电荷放大器放大后,送至CF-920分析仪,得到冲裁力曲线图 ,最后,通过绘图仪打印输出。同时,冲裁噪声信号经电容式传感器传递给声级计,再通过声级计 输入到CF-920分析仪,得到冲裁噪声声压波形图,最后,同样通过绘图仪打印输出。2.2 试验条件1)设备:J23-63KN开式压力机;2)模具:教学试验用冲裁模,如图2所示, 落料片为Φ36mm;3)板料:SPCC钢板3种、铝板2种和黄铜板2种;其材料厚度、实测硬度HV以及强度bσ列于下表1中。4)此次测试的本体环境噪声为61dB,压力机的空载噪声为92dB。表1被冲材料及其硬度、强度值材料硬度值(HV)σb(MPa)SPCC(1.5mm)116300SPCC(1.0mm)124 320SPCC(0.5mm)148 380AL(2.0mm)37 90AL(1.0mm)40 100H62(1.5mm)81 300H62(1.0mm)85 310图2实验用冲裁模1.石英晶体压力传感器2.冲头固定板3.冲头4.工件5.凹模3.3 试验结果及分析由表1中提供的原始数据,按公式(4)(、6)计算导出的冲裁噪声声压级峰值 与采用声级计实测的噪声声压级峰值对比如表2所示。表2中同时也给出了按公式(1)计算导出 的冲裁噪声发射峰值。表2噪声声压级峰值计算结果比较(dB)材料实测按公式(1)/误差按公式(4)/误差按公式(6)/误差SPCC(1.5mm)9895.9/-2.1 96.8/-1.2 94.7/-3.3SPCC(1.0mm)96.8 95.2/-1.6 95/-1.8 93.6/-3.2SPCC(0.5mm)94.6 93.0/-1.6 92.9/-1.7 92.6/-2.0AL(2.0mm)93 92.7/-0.3 92.8/-0.2 92.5/-0.5AL(1.0mm)92.6 92.3/-0.3 92.3/-0.3 92.2/-0.4H62(1.5mm)95.1 93.7/-1.4 94.0/-1.1 94.7/-0.3H62(1.0mm)94 93.4/-0.6 93.2/-0.8 93.5/-0.5表2所列结果表明:按实测的冲裁力和公式(1)计算所得的噪声声压级峰值与 实测峰值最大误差为2.1dB,而按实测板料硬度并结合其预报公式(4)所得的最大误差仅为 1.8dB,按实测强度极限结合计算公式(6)得到的结果其最大误差为3.3dB。考虑到实 测噪声声压级峰值是用肉眼从声级计上读取,故也不可避免存在误差。因此,根据上述试验结果可 以认为,按此3个公式预报冲裁变形分离阶段的最大噪声与实际噪声值的最大相对误差为5%,尤 其是按板料硬度预报的计算公式(4)相对误差更小,在2%以内。由此可以认为,公式(1)是 正确的,公式(4)和(6)是可行的,可以作为冲裁噪声的预报计算公式。此外,在实验中还发 现,某些硬度、强度太低的材料,其冲裁噪声峰值是测不准的,甚至测出的值低于设备的空载噪声 值。其实公式(2)的适用范围为HV10~HV600<5>。3结语(1)冲裁加工工艺噪声 ,即其材料变形的突然分离阶段的最大噪声声压级可以用公式(1)去描述与模拟,用公式(4) 、(6)来预报,其中用材料的硬度值预报即公式(4)更为简便且较精确。(2)在相同的冲裁 断面面积下,板料的硬度、强度值愈低,冲裁噪声愈小。但材料硬度、强度太低(比如HV<10 )或冲裁工艺噪声不高于设备空载噪声的情况例外。(3)冲裁力愈大,冲裁工艺噪声愈大。因此 ,所有降低冲裁力的工艺措施如斜刃冲裁、合理冲裁间隙以及冲裁加工尽量采用软态板料以及两步法冲裁等都能降低冲裁噪声。板料硬度预报冲裁噪声的研究@戴源德$南昌大学机电工程学院!南昌330029
@卢险峰$南昌大学机电工程学院!南昌330029
@吴永东$华中科技大学力学系!武汉430074考虑到板料硬度、强度与冲裁力的关系,对所提 出的冲裁最大噪声即冲裁工艺噪声发射峰值的数学模型作了进一步的数学推导,获得了两个新的预 报模型;取用几种钢、铝、铜板的维氏硬度及抗拉强度值,对这些模型进行试验研究,结果表明3 个模型都是正确的,其中用硬度值预报是最为简便和精确的,为用板料的特征值来预报冲裁工艺噪 声提供了一种简便可行的方法。声学;;硬度;;冲裁噪声;;噪声发射峰值;;预报模型<1>卢险峰.板料冲裁变形力学的研究与应用
.应用科学,1992,10(3):221-226.
<2>吴永东,卢险峰.两步法冲裁降低噪声再研究,第7届全国锻压学术年会.北京:航空工业出版社,1999:347-350.
<3>吴永东,吴国荣,卢险峰.冲裁加工最大噪声声压级预测模型.锻压技术,2003,28(4):10-12.
<4>任文堂
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