肖軍，王尚斌

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為金屬板材加工領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，至今已有近60年的發(fā)展歷程。現(xiàn)代制造業(yè)不僅要求數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床能夠高速、重載運(yùn)行，還應(yīng)更加節(jié)能環(huán)保。近年來，隨著數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床向著高速度、大噸位的方向發(fā)展，隨之而來的噪聲問題逐漸引起人們的高度關(guān)注，據(jù)測算，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沖裁噪聲聲壓級(jí)一般在90～110dB之間，振動(dòng)和噪聲已經(jīng)成為產(chǎn)品檔次的重要指標(biāo)，對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的噪聲控制進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)外數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的沖頭主流結(jié)構(gòu)有四種，分別為日本村田的肘桿結(jié)構(gòu)、芬蘭FINN-POWER的絲桿楔塊結(jié)構(gòu)、德國通快的中空電機(jī)結(jié)構(gòu)以及AMADA公司的曲柄連桿結(jié)構(gòu)。曲柄連桿結(jié)構(gòu)相對(duì)其他結(jié)構(gòu)雖然存在所需電機(jī)功率大、公稱力行程范圍小等缺點(diǎn)，但其勝在結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性好，維護(hù)方便且可靠性高，國內(nèi)的轉(zhuǎn)塔沖床生產(chǎn)廠家如亞威、金方圓、揚(yáng)力等仍采用該沖頭結(jié)構(gòu)。本文也將以此結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)塔沖床為分析對(duì)象，對(duì)其噪聲產(chǎn)生的原因及降噪方法進(jìn)行研究。

噪聲源分析

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的噪聲是脈沖式的瞬態(tài)噪聲，其聲壓級(jí)峰值達(dá)到100～120dB，分為運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和沖裁噪聲。沖裁噪聲主要發(fā)生在模具與板料接觸瞬間和板料斷裂瞬間，一般遠(yuǎn)大于運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，主要由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副間隙碰撞產(chǎn)生的噪聲、模具與板材撞擊產(chǎn)生的噪聲以及機(jī)身儲(chǔ)存的能量通過振動(dòng)輻射產(chǎn)生的噪聲構(gòu)成。模具與板材撞擊的噪聲可通過優(yōu)化沖床運(yùn)動(dòng)速度、改進(jìn)模具刃角方式進(jìn)行降噪；機(jī)身振動(dòng)輻射噪聲比較低沉，且遠(yuǎn)小于機(jī)構(gòu)碰撞產(chǎn)生的噪聲。因此本文主要就沖床間隙產(chǎn)生的噪聲機(jī)理及降噪方法進(jìn)行研究。

噪聲產(chǎn)生機(jī)理

間隙產(chǎn)生噪聲機(jī)理

沖床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由曲軸、連桿、滑塊組成，曲軸與機(jī)身、連桿間通過軸承連接，連桿與滑塊間通過柱銷連接，軸承內(nèi)圈采用過盈配合，因此，沖床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙主要位于軸承外圈和柱銷連接處。

滑塊向下死點(diǎn)方向運(yùn)行過程中，其速度逐漸減小，說明此時(shí)滑塊的加速度方向向上，即慣性力方向向上，滑塊在豎直方向的作用力由連桿通過柱銷傳遞，因此連桿上承受的是拉應(yīng)力載荷，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙示意圖如圖1（a）所示。

滑塊上的模具與板材接觸瞬間，連桿上的拉伸應(yīng)力瞬間轉(zhuǎn)換為壓縮應(yīng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副間隙瞬間從圖1（a）的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D1（b）狀態(tài)，這種瞬間碰撞必然產(chǎn)生巨大的沖擊噪聲，間隙越大，產(chǎn)生的沖擊噪聲越大。

圖1 沖裁前后間隙變化示意圖

機(jī)身能量釋放產(chǎn)生噪聲機(jī)理

沖裁時(shí)，模具一旦接觸金屬板料，沖裁力開始增加。與此同時(shí)，由于機(jī)身及其他受力構(gòu)件的變形而積蓄了彈性能。板料斷裂瞬間，機(jī)身儲(chǔ)存的彈性變形能瞬間釋放，機(jī)身上橫梁與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)快速向下運(yùn)動(dòng)，上橫梁運(yùn)動(dòng)到初始位置后將不再繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，而是轉(zhuǎn)為圍繞初始位置振動(dòng)，通過振動(dòng)方式釋放機(jī)身儲(chǔ)存的能量，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，由于上橫梁的運(yùn)動(dòng)突然停止，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于上橫梁將產(chǎn)生較大的相對(duì)加速度，且方向向下；曲柄連桿的運(yùn)動(dòng)副接觸狀態(tài)分離，并撞向間隙側(cè)，從而產(chǎn)生二次沖擊噪聲。

降噪措施

施加預(yù)沖裁力

沖床在沖裁板材前，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙如圖1（a）所示，如果在滑塊下端施加一個(gè)作用力，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙調(diào)整到圖1（b）所示狀態(tài)，將很好的避免沖裁瞬間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙產(chǎn)生的噪聲。

常用的作用力施加方式如圖2所示，在滑塊下端設(shè)計(jì)一個(gè)氣缸，內(nèi)通高壓氣體，高壓氣作用于滑塊上的作用力要大于滑塊自身的慣性力，才能使連桿上的拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙達(dá)到圖1（b）狀態(tài)。

板料斷裂瞬間，機(jī)身能量釋放會(huì)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙二次沖擊，高壓氣的作用類似于阻尼彈簧，能夠減小二次沖擊力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量越小，其慣性力越小，二次沖擊力也越小。單從降低噪聲角度而言，氣壓越高越好，但氣壓過高，勢必分擔(dān)一部分電機(jī)扭矩，沖床的許用沖裁力減小，因此高壓氣的氣壓選擇應(yīng)結(jié)合沖床的沖裁力進(jìn)行裁定。

圖2 氣缸作用滑塊示意圖

減小機(jī)身儲(chǔ)存能量

沖床沖裁板材過程中，板材斷裂前，機(jī)身儲(chǔ)存一定的變形能，儲(chǔ)存能量的大小與機(jī)身的剛度有關(guān)，定義機(jī)身上橫梁剛度為k1，立柱剛度為k2，板材對(duì)沖床的作用力為p，機(jī)身的剛度k=k1k2/(k1+k2)，機(jī)身儲(chǔ)存的能量Q=p2/2k。由此可看出，?沖裁力不變的情況下，機(jī)身儲(chǔ)存的能量與其剛度成反比，機(jī)身剛度越大，沖裁過程中其變形量越小，儲(chǔ)存的能量越少，機(jī)身的振動(dòng)噪聲及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙的二次沖擊噪聲越小。

減振墊能量轉(zhuǎn)換

在機(jī)身與地基間裝配減振墊，通過減振墊，在沖床沖裁板材過程中，保證機(jī)身的加速度方向向上，進(jìn)而減小機(jī)身上橫梁吸收的變形能；在板材斷裂瞬間，將機(jī)身儲(chǔ)存的變形能轉(zhuǎn)換為機(jī)身的整體運(yùn)動(dòng)，減小機(jī)身內(nèi)部振動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到降低沖床噪聲目的。

改變?動(dòng)副連接方式

與球頭式連接機(jī)構(gòu)相比，柱銷式連接機(jī)構(gòu)雖然加工容易，裝配方便，但其裝配間隙較大，且運(yùn)動(dòng)副間的接觸面積小，相同的沖擊力情況下，球頭的接觸面積更大，對(duì)應(yīng)的沖擊噪聲也較小。

結(jié)束語

本文對(duì)曲柄式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙噪聲機(jī)理，以及機(jī)身儲(chǔ)能釋放產(chǎn)生的二次沖擊噪聲機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了四種降低沖床沖裁噪聲的措施，分別為提前施加預(yù)沖裁力、增強(qiáng)機(jī)身剛度減小機(jī)身儲(chǔ)存能量、通過減振墊的能量轉(zhuǎn)化減小機(jī)身內(nèi)部振動(dòng)、增大運(yùn)動(dòng)副間的接觸面積降低沖擊噪聲。后續(xù)還有兩點(diǎn)需要進(jìn)一步研究：

⑴作用于滑塊上的預(yù)沖裁力具體需要多大，才能保證機(jī)身釋放能量時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副不分離，氣壓選擇過大，空氣噪聲必然增大，可否用電磁懸浮方式取代氣缸。

⑵減振墊如何選擇才能保證沖床沖裁過程中減小機(jī)身儲(chǔ)能，板料斷裂后減小機(jī)身內(nèi)部振動(dòng)。

——摘自《鈑金與制作》2017年第9期P42-44頁