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          數控機床主軸故障分析和處理

          時間:2022-02-19 10:08:23?? 作者:創始人 點擊:0

          一、主軸噪聲故障分析

          在很多數控銑床中,由于主軸的變速系統仍采用若干傳動軸、齒輪和軸承,因此在工作中不可避免地要產生振動噪聲、摩擦噪聲和沖擊噪聲。而數控銑床主傳動系統的變速是在機床不停止工作的狀態下,由計算機控制完成的,因此它比普通機床產生的噪聲更為連續,更具有代表性。

          某數控銑床,在初次使用時噪聲就較大,并且噪聲聲源主要來自主傳動系統,隨著使用時間的延長噪聲越來越大,用聲級計在主軸2000r/min的轉速下,測得噪聲為85.2dB。

          故障檢查與分析

          機械系統受到外界任何的激振力,系統就會因對此激振力產生響應而出現振動。這個振動能量在整個系統中傳播,當傳播到輻射表面,這個能量就轉換成壓力波,經空氣再傳出去,即聲輻射。因此,激發響應、系統內部傳遞及聲輻射這三個步驟就是振動噪聲、摩擦噪聲和沖擊噪聲的形成過程。

          數控銑床的主傳動系統土作時,正是由于齒輪、軸承等零部件經過激發響應,并在系統內部傳遞和輻射而出現了噪聲,且這些部件又由于出現了異常情況,使激振力加大從而使噪聲增大。

          (1)齒輪噪聲分析。數控銑床的主傳動系統主要是靠齒輪來完成變速和傳動的因此,齒輪的嚙合傳動是主要噪聲源之一。

          機床主傳動系統中齒輪在運轉中產生的噪聲主要有:

          ①齒輪在嚙合中,齒與齒之間出現連續沖擊而使齒輪在嚙合頻率下產生受迫振動并帶來沖擊噪聲。

          ②因齒輪受到外界激振力的作用而產生齒輪固有頻率的瞬態自由振動并帶來噪聲。

          ③因齒輪與傳動軸及軸承的裝配出現偏心而引起旋轉不平衡慣性力,由此產生了與轉速相一致的低頻振動。隨著軸的旋轉,每轉一次發出一次共鳴噪聲。

          ④因齒與齒之間的摩擦導致齒輪產生的自激振動并帶來摩擦噪聲。如果齒面凸凹不平,會引起快速周期性的沖擊噪聲。

          (2)軸承噪聲分析。該數控銑床的主軸變速系統共有滾動軸承38個。軸承與軸頸及支承孔的裝配、預緊力、同心度、潤滑條件以及作用在軸承上負荷的大小、徑向間隙等都對噪聲有很大影響。而且軸承本身的制造偏差,在很大程度上決定了軸承的噪聲。滾動軸承最易產生變形的部位就是其內外環。內外環在外部因素和自身精度的影響下,有可能產生搖擺振動、軸向振動、徑向振動、軸承環本身的徑向振動和軸向彎曲振動。

          與齒輪同理,軸承的轉速越高,回轉基頻就越大,噪聲也就隨之增大軸承滾動體內外環各自的精度如果不高,將成為影響軸承噪聲的主要因素滾動體或軸承的內外環上凹陷點很多,在頻譜上表現出這些頻率的高次諧波,引起的噪聲也就越高。

          二、主軸噪聲故障處理

          1.齒輪噪聲控制

          由于齒輪噪聲的產生是多因素引起的,其中有些因素是齒輪設計參數決定的針對故障銑床出現的主軸運動系統齒輪噪聲的特點,在不改變原設計的基礎上,在原有齒輪上進行修理和改進,以減少噪聲。

          (1)齒頂修緣。由于齒形誤差和齒距的影響,在輪齒承載產生了彈性變形后,造成齒輪嚙合時瞬時頂撞和沖擊。因此,為了減少齒輪在嚙合時由于齒頂凹凸而造成的嚙合沖擊,可進行齒頂修緣。齒頂修緣的目的是校正齒的彎曲變形和補償齒輪誤差,從而降低齒輪噪聲。修緣量取決于齒距誤差和承載后齒輪的彎曲變形量,以及彎曲方向等。修緣時主要針對該機床嚙合頻率最高的那幾對齒輪和這些齒輪在模數為3、4、5mm時所采取的不同修緣量。在修緣時一定要注意修緣量的控制,并采取重復試驗的方法,以免修緣量過大而破壞有效的工作齒廓,或修緣量過小起不到修緣的作用齒形修緣時,可根據這幾對齒輪的具體情況只修齒頂或只修齒根,只有在單獨修齒頂或修齒根達不到良好效果時,齒頂和齒根才共同修修緣量的徑向和軸向值可分配給一個齒輪,也可根據情況分配給兩個齒輪。

          (2)控制齒形誤差。齒形誤差是由多種因素造成的,觀察故障銑床傳動系統中的齒輪,發現齒形誤差主要是在加工過程中出現的,其次是因長期運行條件不好所致。齒形誤差在齒輪嚙合時出現的噪聲比較常見。一般情況下,齒形誤差越大出現的噪聲也就越大。對于中凹齒形,輪齒在一次嚙合中受到兩次沖擊,噪聲很大,并且齒形越凹噪聲就越大。因此將齒輪輪齒修形,使之適當呈中凸形,以達到降低噪聲的目的。

          (3)控制嚙合齒輪中心距的改變。嚙合齒輪實際中心距的變化將引起壓力角的改變,如果嚙合齒輪的中心距出現周期性變化,那么也將使壓力角發生周期性變化,噪聲也會周期性增大。對嚙合中心距的分析表明,當中心距偏大時噪聲影響并不明顯,而中心距偏小時噪聲就明顯增大在控制嚙合齒輪的中心距時,對齒輪的外徑、傳動軸的變形、傳動軸與齒輪和軸承的配合都應控制在理想狀態。這樣可盡可能消除由于嚙合中心距的改變而出現的噪聲。

          (4)注意潤滑油對控制噪聲的作用。潤滑油在潤滑和冷卻的同時,還起一定的阻尼作用,噪聲隨油量和黏度的增加而變小。若能在齒面上維持一定的油膜厚度,就能防止嚙合齒面直接接觸,可衰減振動能量,從而降低噪聲,所以用黏度大的油對減少噪聲有利。該故障銑床的主傳動系統采用的是飛濺潤滑,而飛濺潤滑會增加油的擾動噪聲。實際仁齒輪潤滑需油量很少,其主要目的是為了形成壓力油膜,以利于潤滑。實驗證明,齒輪潤滑以嚙入側給油最佳。這樣,既起到了冷卻作用,又在進入嚙合區前,在齒面上形成了油膜。如果能控制濺起的油少量進入嚙合區,降噪效果更佳。據此,將各個油管重新布置,使潤滑油按理想狀態濺入每對齒輪,以控制由于潤滑不利而產生的噪聲。

          2.軸承噪聲控制

          (1)控制內外環質量。故障銑床的主傳動系統中,所有軸承都是內環轉動,外環固定。這時內環如出現徑向偏擺就會引起旋轉時的不平衡,從而出現振動噪聲。如果軸承的外環,配合孔形狀和位置公差都不好時,就會出現徑向擺動,這樣就破壞了軸承部件的同心度。如果內環與外環端面的側向出現較大跳動,還會導致軸承內環相對于外環發生歪斜。軸承的精度越高,上述的偏擺量就越小,出現的噪聲也就越小。除控制軸承內外環幾何形狀偏差外,還應控制內外環滾道的波紋度,降低表面粗糙度,嚴格控制在裝配過程中滾道的表面磕傷和劃傷,否則不可能降低軸承的振動噪聲。經觀察發現,滾道的波紋度為密波或疏波時,滾動體在滾動時的接觸點顯然不同,由此引起的振動頻率相差很大。

          (2)控制軸承與孔和軸的配合精度。該故障銑床的主傳動系統中,軸承與軸和孔的配合,應保證軸承有必要的徑向間隙。徑向工作間隙的最佳數值,是由內環在軸上和外環在孔中的配合,以及在運動狀態下內環和外環所產生的溫差所決定的。因此軸承中初始間隙的選擇對控制軸承的噪聲具有重要意義。過大的徑向間隙會導致低頻部分的噪聲增加,而較小的徑向間隙又會引起高頻部分的噪聲增加。一般間隙控制在0.01mm時最佳。外環在孔中的配合形式會影響噪聲的傳播。較緊的配合會提高傳聲性,從而使噪聲加大。過緊的配合,會迫使滾道變形,從而加大軸承滾道的形狀誤差,使徑向間隙減小,也導致噪聲的增加。軸承外環過松的配合同樣會引起較大噪聲。只有松緊適當的配合可使軸頸與孔接觸處的油膜對外環振動產生阻尼,從而降低噪聲。另外,配合部位的形位公差和表面粗糙度,應符合所選軸承精度等級的要求。如果軸承很緊地安裝在加工不準確的軸上,那么軸的誤差就會傳遞給軸承內環滾道,并以較高的波紋度形式表現出來,噪聲也就隨之增大。


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