冲床冲压噪声问题及来源分析

冲床冲压噪声问题及来源分析

一、空载噪声

1．离合器噪声。当离合器结合时，不少冲床都会发生“叮当”声。这是滑块、连杆在往复运动时的惯性力和曲轴的回转质量的离心力产生碰撞发出的间断声响。影响离合器噪声因素有：离合器接合时受到的冲量的大小，在质量一定的条件下决定于冲击速度的高低；还与接触材料本身的刚度和阻尼特性有关。离合器有刚性的和摩擦式的两种，其中转键式在中小吨位冲床上应用最广，噪声相对较高，噪声是由一系列的撞击所引发的。

2．工作机构间隙噪声。冲床的曲柄连杆滑块机构共有三对摩擦副：曲轴轴颈与曲轴瓦；曲柄颈与连杆大头轴瓦；连杆小头（球头）与滑块球头座。由于制造和装配误差以及工作需要，它们之间不可避免存在间隙。它们之间彼此的移动，从自由移动过渡到接触移动时，必然要带来强烈的撞击，这种噪声频带宽，高频部分强。间隙越大，噪声越高。另外，间隙一定时，滑块行程次数越高，噪声比例升高。

3．电动机噪声。做为动力源，电机工作时产生的噪声包括电机绕组的电磁噪声、空气动力噪声及机械噪声。电机噪声的声压级与电机的功率、转速等有关。电机的电磁噪声，主要是由交变电磁场相互作用激发转子和定子振动产生的。电磁噪声一般为高频噪声。电机的空气动力噪声主要是冷却风扇噪声，对于相当多的电机，冷却风扇噪声是主要噪声源。机械噪声主要包括一些旋转运动部件的非平衡力激发产生的噪声和一些零部件振动时产生的噪声。

二、负载噪声

引起负荷运转噪声的原因有刀具与工件或卸料板与坯料间的撞击、冲压工艺过程的扭击与冲剪。其中冲压过程的扭击与冲剪噪声最大。

1．冲剪噪声。冲压工艺工序不同，噪声差别很大。板料冲裁要比弯曲、拉深的噪声大，而压印、压波、翻边、弯曲、拉深等成形工序的噪声较小。

2．扭击噪声。同类冲床的扭击噪声与冲压部件的板厚、硬度、几何形状、锤击速度、冲模间隙等因素有关，噪声随这些量值增大而提高。冲床工作时，冲头与板料及卸料板与坯料的碰撞冲击大大增强，随着撞击速度的增加撞击声也随之升高，如图1所示。碰撞噪声与其后发生的材料断裂声可分别测得，这一测量方法已付诸实施。在同一台冲床上，冲裁厚、硬料比冲裁薄、软料的噪声大。对于厚的延展性板料，撞击噪声与断裂声达到一样大小。

冲床噪声产生的原因、频谱特性及传播途径分析

一、冲床的噪声源分析

声波是物体在媒质中振动产生的。声波是一种机械波，是物体的机械振动通过弹性媒质向远处传播的结果，产生声波的振动系统称为声源。由声波产生的机制可知，有振动产生或有空气扰动的地方，就有声波传出。对冲床而言，其冲压噪声声压级一般在90～110dB之间。

冲床噪声可分为运转噪声和工作噪声。运转噪声是冲床空载运转噪声，它包括电机、皮带、

齿轮、曲柄连杆滑块及轴承间隙、离合器等形成的噪声。其中，主要是离合器和齿轮噪声。工作噪声是冲床冲压时产生的噪声，在相同的冲床上采用不同的冲压工艺(如冲裁，拉深，弯曲)加工同样材料所产生的噪声不一致。

图1工作噪声历程及声能历程［1］

(a)冲床工作噪声历程(b)声能历程

图1a是实测冲床一个工作循环的声压历时曲线［1］，图中清楚地表现了离合器噪声、卸料噪声、凸模接触工件的碰撞声以及材料断裂时发出的噪声。可以看出：材料断裂时发出的噪声和离合器工作时产生的噪声最强烈(振幅大，衰减幅度大)。图1b是相应声能历时曲线［2］。其声能表达式为：

E＝∫p2dt(1)

式中E—声能总和，N2m-4s

p—瞬时声压

图2 冲床工作时噪声能量分布图

图2是冲床一个工作循环过程中，随着时间的不同，各个频带的声能分布情况。图中的多面体表示该声源的等效声能的大小。由于峰值声压级同其频率有关，据此可找出一些声源的本质特性。从图中也可看出冲裁噪声和离合器噪声多面体体积最大，其峰值最高。可见冲裁噪声和离合器噪声是冲床噪声的两个主要噪声源。图3是笔者利用分别运行法，在100kN冲床上冲裁2mm×φ30mm A3时的噪声实测结果。

图3 100kN冲床冲裁噪声实测值

1.离合器的接合和脱开噪声

冲床常用的离合器有牙嵌式、摩擦片式、转键式等。其中，转键式在中小吨位冲床上应用最广，噪声相对较高。冲床转键离合器接合的实质是转键与开有三个(或四个)键位的中套的其中某个键位接合。离合器接合噪声是由一系列的撞击所引发的，在接合过程中，存在三个主要撞击现象［3］：

(1)转键与中套间的撞击，即稳态转键与旋转着的中套接合过程中两者的碰撞；

(2)转键与曲轴间的撞击，即转键的一侧与中套间撞击的同时，另一侧在前者反作用力的作用下与曲轴冲击；

(3)曲轴与其支承的滑动轴承间的撞击。

图4给出了前两个撞击现象所发生的位置。这些冲床构件之间的撞击，产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力，这些作用力，是产生冲床离合器接合噪声的根本原因之所在。

图4两种撞击的发生区

1.转键与曲轴的撞击区

2.转键与中套的撞击区

离合器接合噪声的形成可用图5来说明之。冲床在激振力F(ω)作用下，激起激振速度V1(ω)，振动能量在床身内部传递，当传递到发声表面产生振动速度V2(ω)，使之与该表面接触的空气介质受到扰动而产生压力变化P(ω)，从而辐射声波。

图5冲床离合器噪声产生框图

图5中B(ω)、T(ω)和σ(ω)是说明系统的激振力—振动—声转换特性的三个重要传递函数。它们都是频率的复函数。B(ω)是构件间相互作用力点的机械导纳，表示振动响应与激振力之间的关系；传递比T(ω)表示系统的传递特性；辐射系数σ(ω)描述了零件发声表面振动多大程度上转换成声能了。激振力与声压(即F(ω)与P(ω))的关系可用下式［2］表示：

P(ω)＝F(ω)．B(ω)．T(ω)．σ(ω)(2)

总之，冲床转键离合器噪声是转键与中套键位间撞击、关闭器与键尾间撞击等一系列撞击所引发的，这些冲床构件之间的撞击，首先产生一次噪声，同时，产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力，这些作用力在床身内部传递，当传递到发声表面产生振动速度，使之与该表面接触的空气介质受到扰动而产生压力变化P(ω)，从而辐射声波。影响离合器噪声因素有：离合器接合时受到的冲量的大小，在质量一定的条件下决定冲击速度的高低；还与接触材料本身的刚度和阻尼特性有关。