（机械制造及其自动化专业论文）切削加工过程中声音信号的实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着生活水平的提高和人们环保意识的增强，噪声问题越来越受到人们的关 注，但是国内外关于切削过程中噪声的研究，特别是可听声范围内的切削过程噪 声研究和铣削过程中声音问题的国内外文献记载很少，为了更好的解决机械加工 生产中的噪声问题，本文对车削加工和铣削加工过程中的噪声进行实验研究，具 体内容如下： ( 1 ) 介绍噪声的有关概念及术语，分析噪声的产生机理和影响因素。 ( 2 ) 在切削加工过程噪声影响因素分析的基础上，首先在普通车床上采用 单因素试验方法研究主轴转速、切削深度、进给量、刀具主偏角等对车削加工过 程中纯切削噪声的影响，得出影响规律：然后采用七因素二水平进行正交切削试 验，得出车削噪声经验公式。 ( 3 ) 在数控车削中心上研究了切肖用量对纯切削噪声的影响，得出其影响 规律，并与在普通车床上的试验规律进行比较；为了更好的解释切削用量对切削 过程纯切削噪声声压级的影响，采用不同材料的刀片研究了摩擦系数与摩擦噪声 声压级的关系；最后从摩擦学的角度对切削用量影响纯切削声压级的现象进行了 分析，并给出了降噪措施。 ( 4 ) 在铣削加工中心上，采用单因素试验方法研究切削速度和径向切削深 度对铣削过程中纯切削声压级的影响，得出二者对纯铣削声压级的影响规律，通 过对各个频率段动态铣削力峰值和纯切削声信号有效值的比较分析，发现铣削噪 声主要分布频率段为1 0 0 0 h z 左右，同时动态铣削力和纯切削声信号在频域内组 成结构上有很大的相似性，提出无论是铣削速度还是径向铣削深度都是通过动态 铣削力来影响铣削声信号的，因此可以通过研究动态铣削力来研究铣削用量对切 削噪声信号的影响 本论文得到山东省优秀博士后基金( 2 0 0 6 0 2 0 0 8 ) 和教育部新世纪优秀人才 资助计划( n c e t - 0 4 - 0 6 2 9 ) 的资助。 关键词：车削；铣削；声信号；试验研究 v 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eh n p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r da n dt h e i n c r e a s i n g a w a l b m e s 8o f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt on o i s ec o n t r o l s h o w e v e r , f e wr e s e a r c h e s0 1 1t h en o i s ed u r i n gc u t t i n gp r o c e s s , e s p e c i a l l yo nt h en o i s e d u r i n gm i l l i n g ，w e r ef o u n di nl i t e r a t u r er e v i e w i no r d e rt od e c r e a s et h en o i s ep r e s s u r e , t h em o s ti m p o r t a n tm a n u f a c t u r i n gm e t h o d si n c l u d i n gb o t ht u r n i n ga n dm i l l i n g o p e r a t i o n sa r es t u d i e di nt h i st h e s i s n 坞r e s e a r c hc o n t e n t sa r c a 8f o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p ta n dt e r m i n o l o g yo f n o i s ea r ei n t r o d u c e d ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ee f f e c tf a c t o r s0 1 1t h en o i s ed u r i n g m a c h i n i n g p r o c e s s ，t h e w o r k p i e e e s a r e m a c h i n e d o n l a t h e s f i r s t l y , t h e e f f e c t s o f s p i n d l e s p e e d , d e p t ho fc u t , a n df e e dr a t eo i lt h en o i s ed u r i n gm a c h i n i n gp r o c e s sa r es t u d i e d 1 1 1 ee f f e c tr e s u l t sp r o d u c e df i o me a c ha b o v ef a c t o ra r eo b t a i n e dt h o u g ht h et u r n i n g e x p e r i m e n t s t h e n , t h es e v e n - f a c t o r - t w w l e v e lt a a g h ie x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h en o i s e f i n a l l y , t h e t l 墟。砒a le x p l a n a t i o ni sg i v e n ( 3 ) e f f e c t so fc u t t i n gp a r a m e t e r so nn o i s ed u r i n gt u r n i n ga r ea l s os t u d i e do n c h i ct a m i n go o n t e r , w h i c hs h o w st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e n o i s e t 1 l er e s u l t sf r o mp l a i nl a t h ea n dt h o s ef r o mc n ct a m i n gc e n t e ra r cc o m p a r e d r e s e a r c ho f t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o e 伍c i e n to f f r i c t i o na n ds o u n dp r e s s u r el e v e lo f f r i c t i o nw i t hs e v e r a ld i f f e r e n ti n s e r t s ，w h i c hi st oe x p l a i nt h ee f f e c t so fc u t t i n g p a r a m e t e r so nt h en o i s ed u r i n gc u t t i n gp r o c e s s n 坞r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc u t t i n g p a r a m e t e r sa n dt h en o i s ep r 髓s o r el e v e la r ee x p l a i n e db yt r i b o l o g y , t h en 埔a s i 】r c f o r r e d u c i n gn o i s ed u r i n gt u r n i n gi s 垂v e n ( 4 ) 1 1 坞e f f e c t so fc u t t i n gs p e e da n dr a d i a ld e p t ho fc u t0 1 1p u r ec u t t i n gn o i s e a r es t u d i e d 耐t hm i l l i n ge x p e r i m a n t so nac n cv e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e r i tc o m e st o t h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a i np u r ec u t t i n gn o i s ef r e q u e n c yb a n di sa t1 0 0 0 h zo r8 0 b y t h ea n a l y s i so ft h em i l l i n gf o r c ed y n a m i cs i g n a l sa n dt h es o u n d 鼬d u r i n g m a c h i n i n gp r o c e s s , i ts h o w st h a tt h ec o m p o s i n go f t h em i l l i n gf o r c ed y n a m i cs i g n a l si s s i m i l a rw i t ht h a to ft h es o u n ds i g n a l sd u r i n gm a c h i n i n gp r o c e s s i ta l s os h o w st h a tt h e e f f e c to nt h ep u r ec u t t i n gs o u n dp r e s s u r es i g n a lc a u s e db yt h ec u t t i n gs p e e d sa n dr a d i a l d e p t ho f c u ta r er e l a t e dt ot h ed y n a m i cm i l l i n gf o r c es i g n a l s v i i 山尔人学硕十学何论文 t h i st h e s i si s s u p p o s e db ye x c e l l e n tp o s t d o c t o r a l f o u n d a t i o no fs h a n d o n g p r o v i n c e ( 2 0 0 6 0 2 0 0 8 ) a n dt h ep r o g r a mf o r n e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si n u n i v e r s i t y ( n c e t - 0 4 - 0 6 2 9 ) k e y w o r d s ：t t t m i n g ；m i l l i n g ；s o u n ds i g n a l ；e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承 担。 论文作者签名：娶啦一一日期：2 珥鲮：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亟塑 导师签名：丕：1 数盘日期：兰里垒丝 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着环保意识的增强，噪声污染问题引起了社会的普遍关注，噪声控制已成 为环保的重要指标。噪声可以引起人体的多种疾病，据国内外调查，噪声不仅可 以致人耳聋，而且还可能引起心血管和神经系统疾病，在高噪声车间，噪声使人 耳聋的发病率高达5 0 6 傩，高血压和冠心病的发病率比低噪声车阈高三倍。此 外，噪声会影响人们的情绪，分散人们的注意力，使工作效率降低，甚至成为意 外事故的隐患【1 1 ，对工人健康非常不利( 2 1 ，所以从绿色制造的角度讲，对加工过 程噪声的研究具有很大的意义。 声音由物体振动引起，以波的形式在一定的介质( 如固体、液体、气体) 中 进行传播，根本地解决噪声问题和噪声控制在于声源的研究，机器运转时根本不 发声或发声低，噪声自然就降低了。所以根本闯题是机器运转时的发声机理：振 动力、固体部分的振动、振动力的来源与共振的关系、固体间的摩擦、碰撞、气 流中的湍流、气流与固体间的相互作用、流体流动等等，都是产生振动和噪声的 根源。在声源问题上，每类设备、甚至每件设备都有其特殊情况，要求具体研究 其机理f 3 】。 切削噪声中含有切削过程的信息，它反映了切削过程的状态，有经验的工人 能够凭耳朵听切翻时的噪声就可以判断出刀具磨损、刀具崩刃及其它各种切削过 程的异常情况。为了适应机床全面自动化的要求，现在研究人员正在进行切削过 程的各种在线检测与控制的研究，利用到各种传递切削过程信息的载体，即光、 力、熟、声振动等信号噪声与其它信息载体相比较，有其自身的许多优点：声 信号在采集和测量过程中不会影响切削过程：声信号测量系统比较简单，易于在 机床上安装而不需要改变机床本身的结构，不需要更多的设备等。可以说，如果 能够利用声信号实现机床切削过程的在线控制，将会对机床的自动化控制产生深 远的影响，实用价值很大。然而，在可听声范围内排除干扰信号是一项难度很大 的工作。对于切削噪声的产生机理的研究及其影响因素、性质与规律的分析，可 以为切削过程的在线检测奠定应用基础，有利于自动化生产系统声控技术的研究 山东大学硕士学位论文 与发展，有利于改善切削过程。 切削控制因素( 如切削用量、刀具几何参数、工件刀具材料) 对切削物理因 素的影响( 如切削力、切削温度、切削稳定性) 都已有了较系统的研究，但对加 工过程中的切削声音，还很少有人研究，从完善加工机理体系而言，本课题具有 其理论意义和实用价值。 在金属切削加工中，主要噪声源有电机噪声、变速箱噪声、皮带轮噪声、主 轴箱轴承噪声、齿轮噪声以及油泵噪声，刀具与工件之间的切削噪声等【4 】，对于 前者国内外已经有较多的学者进行了较为系统的研究，但是由于切削噪声的影响 因素很多，时变效应明显，关于切削噪声的研究目前很少见于文献，但是由于它 是切削加工过程中的主要噪声，一般高出常规用作机床噪声评价的空转噪声声压 级约3 1 0 d b 【习，有时机床空转噪声与切削噪声相比相差很大，表1 - 1 列出了不 同机床加工情况下和空转情况下的噪声值嘲，因此设法研究并加以降低切削噪声 意义重大。 表卜1 机加工车间几种典型工序的噪声值f 6 】 1 2 国内外研究现状 切削加工过程是一个复杂的物理化学过程，伴随这一过程的声音信号也十分 复杂。切削时的声源很多，电机声、传动系统声、刀具与工件的撞击摩擦声以及 2 山东入学硕士学位论文 金属破裂声等交混在一起。目前国内外对结构噪声( 包括机床运转传动系统的声 音、液压系统的声音、电气系统声音) 的研究较多，而对切削过程中声音研究较 少，下面对该方面国内外研究现状进行综述： i 2 1 机床传动系统噪声研究 车床运转时的噪声源有齿轮啮合噪声、轴承噪声、电机的电磁噪声和风扇噪 声、皮带噪声等多种噪声源，每种噪声源都有自己的特征频率但是实践证明， 影响车床噪声声压级超标的主要影响因素是车床主轴箱内主传动链齿轮的啮合噪 声因此，目前机床传动系统噪声研究方面主要是针对齿轮传动系统产生的噪声 进行研究，齿轮噪声是机械噪声的一种，机床传动系统的转速越来越高，作为主 要传动元件之一的齿轮传动副，随转速的增加，产生和辐射的声音越来越大，为 了降低齿轮噪声，只靠提高齿轮的加工精度是不行的，还要从改进齿轮参数等设 计手段上考虑。齿轮的噪声频率中有齿轮啮合频率和其固有频率。齿轮的啮合频 率是指齿轮回转过程中，受到强制性的连续冲击，每秒冲击的次数就是齿轮的啮 合频率，这是齿轮噪声产生的重要原因。齿轮的啮合频率为z = 罢，其中，广 q u 一齿轮转速，r r a i n ；r 齿轮齿数。 齿轮噪声的研究主要是通过研究机床的噪声频谱和齿轮的啮合频率来进行 的。如刘显慧【7 】在对机床噪声源进行分析的基础上，对c w 6 1 3 6 车床进行了噪声测 试实验，利用i 3 倍频程滤波器对机床进行噪音的频谱分析，得出传动系统中各 齿轮组的噪声频率，即传动系统的噪声源，提出了提高齿轮加工精度、主轴组件 动平衡、电动机平衡、改进挂轮架结构及箱体的加工工艺等降低机床传动系统噪 声的措施。渝州大学的李玉盛1 8 】应用频谱分析技术对c 6 1 3 2 普通车床在现场作长 时间运转振动噪声测试，并进行了可靠性研究和分析，查找出了主要噪声源。林 国光 9 丑p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪对切削加工现场声音信号进行采集以后，用通 讯电缆传送到通用微型计算机，再应用p d m 2 0 0 0 动态信号系统分析软件进行分 析，在对各齿轮组噪声频率进行计算后与频谱图进行比较得出影响噪声的主要齿 轮组，并指出可通过提高齿轮加工精度来降低传动噪声。杜玉波掣1 0 】以) 【5 2 k 铣床 为例，进行了噪声的频谱测试，对噪声频谱图进行了分析，总结出了铣床的噪声 山东人学硕十学位论文 特点，并提出了降噪措施。郭永环l 从降低各种噪声发生体的发生能量入手，用 减少阻尼和吸声等措施阻止发生体发出冲击声和高频尖叫声，对c w 6 1 6 3 、 c 5 1 1 2 a 车床进行了降噪研究。赵雪松【1 2 l 在对国内某专业机床厂生产的立式铣床 噪声源进行分析的基础上，结合工厂实际情况，找出了噪声产生的基本原因，提 出：( 1 ) 对高速档啮合齿轮中的从动齿轮进行齿顶修缘；( 2 ) 对端面大、齿宽 薄的齿轮在端面钻孔；( 3 ) 在加工齿轮时控制小齿轮的基节略大于大齿轮的基 节等三项降低这些噪声的措施，使机床噪声降低了1 l d b 。王叶萍”1 从机械系统和 切削加工工艺两方面提出了降低机床噪声的方法，在机械系统降噪方面提出通过 控制齿轮的噪声、控制轴承的噪声、采用圆筒形箱体、将阻尼板材粘贴到机床振 动源处或喷涂在形状复杂的机床齿轮箱体内表面等方法来降低噪声；在切削加工 工艺方面提出制订合理加工工艺，选择正确切削用量、选择合适的刀具、及时更 换磨损的刀具、提高加工件的刚度、增加机床的刚度或采用隔声减振装置等方法 来降低噪声。 1 2 2 刀具磨损对加工过程中声音的影响 机械加工中，刀具的磨损程度直接反映刀具的工作状态，刀具不同磨损状态 下产生的声音有所不同，从理论上讲可通过声音检测来确定加工过程是否正常， 但是声音监测还没有广泛应用于刀具失效监测及加工过程监控中。 天津大学吴建华等【1 4 】研究了y t l 5 硬质合金刀具加1 4 5 # 钢时，其后刀面在 不同磨损阶段时切削声在可听声范围内的变化规律，研究结果表明可采用切削声 的频带声压级中心频率作为判别刀具磨损状态的特征量，还通过切削试验研究了 切削用量和刀杆悬伸长度对频带声压级中心频率的影响，通过最小二乘法回归得 出了频带声压级中心频率与切削用量和刀杆悬伸长度的关系方程： z = 9 8 8 9 6 0 4 1 0 3 l + 0 0 0 3 2 v + 0 2 3 6 l a p + 2 0 4 3 4 f ( 1 1 ) 其中】：频带声压级中心频率，k h z ；l - - t j 秆长度，f m l ； 切削速度，m m i m4 广切削深度，m m ； 卜谶给量，m r 。 天津大学的王太勇等【”1 对车削加工中刀具磨损的切削声信号和振动信号进行 了功率谱多参数分析，提出在诸多影响参数中，滤波功率谱值之和随刀具磨损量 4 山东大学硕士学位论文 之自j 的变化最为明显，刀具磨损声信号的频率集中在2 k h z s k h z 之间。给出了刀 具声信号功率谱值之和随刀具磨损量增大而增大的结论d e l i ot ，t l u s t yj 【l 6 1 发现可听声可以作为检测铣削过程颤振的一种有效方法m i n g - - c h y u a nl u t 】假设 粘结磨损作为刀具磨损的主要磨损机理，切削过程中发出的可听声信号被作为噪 声源来监测车削过程中刀具的磨损情况s a d a ta b 等【1 8 】研究得出： ( 1 ) 刀具前刀面磨损的影响在频谱图的2 7 5 k h z 3 5 咐k 处； ( 2 ) 随着刀具磨损的加大直至破损，声音声压级变大； ( 3 ) 随着切削速度的升高，切削声压级变小； ( 4 ) 刀具悬伸的增加会使切削声压级变大。 1 2 3 锯切切削声音的研究 目前对圆锯机的锯切噪声研究比较多，关于这方面研究的情况如下：华中科 技大学的肖杰【1 9 】以直径为1 8 0 m m 的圆盘为研究对象，通过有限元软件a n s y s 建立圆锯盘的有限元模型，对圆盘锯的固有特性和动态特性进行了理论分析；通 过对噪声源的分析，确定了锯切噪声的主要噪声源是圆锯片在脉冲激励下的冲击 噪声在此基础上，得出圆盘锯锯切噪声是由轴向( 横向) 脉冲激励引起锯片的轴 向高频振动造成的根据圆盘锯的轴向位移变化曲线，求得锯片表面振动速度的 均方值，再进一步将其转化为圆盘锯锯切噪声的声功率级。将仿真计算结果和实 验结果进行对比，并利用模拟试验狈4 试各种降噪方法的降噪效果，确定出适合锯 切现场的综合降噪方案，并对综合降噪方案的降噪量进行预测 岳国富刚对锯切噪声产生机理进行探讨，认为锯切过程存在五个基本噪声 源：空气动力噪声、锯片振动噪声、工件振动发出的噪声、锯机结构噪声、摩擦 与锯切噪声，其中圆锯片结构振动是主要的噪声源，在试验研究的基础上提出了 采用隔声结构进行降噪的措施 王成勇等【2 1 1 通过改变切削参数、进给量、切削深度以及采用不同基体结构的 锯片，研究了不同切削参数以及锯片的结构对锯片振动和噪声的影响，在不同的 锯切工艺参数和锯片结构下，测量了噪声值、噪声功率、噪声电压、振动功率和 振动幅值，并对其进行频谱分析，从而得出从锯片基体结构、金刚石节块的结 构、锯切工艺以及锯机的整体性能等方面来进行改进，达到降低噪声的目的。 山东大学硕十学位论文 1 2 4 加工过程声音产生的研究现状 切削噪声取决予切削机理、工件刀具一刀架的声振特性，由于其机理复杂 及其相应切削参数都不断变化，目前的研究还很局限，吴永东等 2 2 】采用石英晶体 压力传感器等测试手段，测出了冲压加工噪声声压波形图，定量地发现了冲压噪 声的大小规律，得出了最大冲压噪声产生于突然分离阶段的结论。华中科技大学 的吴雅等【2 3 】分别在c w 6 1 6 3 、c w 6 1 8 0 、c w 6 1 1 0 0 ，c 6 3 0 四台卧式车床上进行切 削实验，根据切削噪声实验结果，提出在强烈切削振动情况下，切削噪声与刀具 主切削力方向的振动在时域中具有强烈的相关性，在频域中具有极大的频率结构 相似性，并进而提出了稳态切削噪声和动态切削噪声的概念，解释了切削噪声发 声的物理机理。同时采用倒谱剔除观测切削噪声中的回声信号来分析原始切削噪 声的频率结构，并将切削振动作为主要输入，切削噪声作为输出，采用二维 a r m a v 模型辨识切削噪声发声系统与辨识结构描述发声系统对切削振动的传输 关系，该模型还能解释原始切削噪声的主要频率成分和来源。 南京航空航天大学的韩荣耀等洲通过研究分析刨床空载运转过程中产生的声 音信号，运用数字信号处理技术，包括时域分析和频域分析的方法，提取出声音在 不同域内的特征参数，可以将该特征参数用于刨削加工过程的识别与诊断。 余旅滨嘲对切削噪声的产生机理进行了分析，认为切削噪声主要是有冲击、 挤压和撕裂造成的，并对切削过程噪声的传播路径进行了研究，提出影响切削过 程单调噪声的主要声源是刀具和工件，当刀具固有频率接近工件频率时会产生单 调噪声，如图1 - 1 所示。 天津大学的王太勇等口6 】指出切削过程的声辐射主要由传动系统噪声和纯切削 声构成，传动系统噪声主要分布在2 k t - l z 以内，可通过改善传动系统及机床动态 特性加以改善。在分析切削噪声产生与激励特性后，指出声频范围主要产生在 2 k h z s k h z 范围内的原因，即切削噪声主要由动态切削力激励刀具一刀架系统 的某阶模态振动所致，并通过对刀具采用结构阻尼措施取得了明显减振降嗓效 果。针对刀杆设计了相应的阻尼结构，并从理论上就采用图1 - 2 所示4 号粘弹性 阻尼刀具结构和6 号干摩擦阻尼二层刀具结构进行了最佳阻尼参数的优化，取得 了比较明显的减振降噪效果。同时提出进一步的降噪必须致力于优化切削过程、 6 山东火学硕士学位论文 最大程度的减少切削激振力。 青 压 级 ( 分 贝 ) 6 31 2 52 5 0 0l o 2 9 0 i 0 删8 a 倍频程中心频率( h z ) l 一空载噪声2 穆定切削噪声3 - 单调噪声 图1 - 1 车削时不同频率声压级 图卜2 阻尼刀杆截面示意图 z h a n gj i s u o ，l i ub a o s h u n 2 7 也通过切削试验指出切削声的低频成分与主轴 箱的振动频率相对应，高频成分与刀具的振动频率能很好的吻合，峰值的频率与 刀杆的悬伸长度密切相关。 z a f e rt c k i n 盯等( 2 8 】通过奥氏体不锈钢a i s l 3 0 4 的切削加工试验，研究了切削 用量( 切削速度、切削深度、进给量) 对切削噪声声压级的影响，得出声压级与 切削用量的关系如图1 - 3 所示，a 图为进给量一切削声压级关系图，横坐标为进 给量，单位i n l i f t ，纵坐标为纯切削声压级，单位d b ；b 图为切削速度一纯切削 声压级关系图，横坐标为切削速度，单位m r a i n ，纵坐标为纯切削声压级，单位 d b ；横坐标进给量，单位m m r ，纵坐标纯切削声压级，单位d b ；c 图为表面粗 糙度一纯切削声压级关系图，横坐标为表面粗糙度，单位微米，纵坐标纯切削声 7 山东人学硕十学位论文 压级，单位d b ( a ) a ) 进给量一切削声压级关系图 翻脚i 却确 b ) 切削速度一纯切削声压级关系图 0 u 蝴隧r a q 呻螂黼驴胁 ，c ) 表面粗糙度一纯切削声压级关系图 图1 3 声压级与切目用量的关系图川 g 而p ，l e s k o v a rp 2 9 1 主要研究了切削过程中产生噪声的很重要的影响因 素切削用量即切削速度，切削深度，进给量。采用一台无级变速车床，通过调节 切削深度、切削速度、进给量测量切削噪声来研究随切削用量的改变切削噪声频 谱的变化，研究的切削噪声的频率范围为2 0 k h z 5 0 k h z ，通过研究得出：( i ) 随着切削深度的增大，声压升高，声信号频谱各峰值增大，但是频谱的形状变化 不大；( 2 ) 当进给量增大时，噪声的频谱峰值和形状都没有明显变化；( 3 ) 当切 削速度增大时，噪声频谱某些峰值增大，同时频率向高频移动，噪声的频谱形状 发生变化。但是该文研究过程中只是讨论了切削用量改变时切削噪声频谱的变化 规律，没有结合切削过程来讨论其变化原因，同时切削研究范围只是在高频范 围，而在可听声范围( 频率为2 0 1 4 _ z - - 2 0 0 0 0 h z ) 没有进行研究。 一咖帅帅舳咖一 一圆懈伽愤恤一 雨莨塞一 罄i曩峨童嚣霉芷謦嘉霉器 山东大学硕士学位论文 1 2 5 切削液对切削加工过程声音影响的研究 广西工学院的李宝灵等1 3 0 1 研究了采用不同的切削润滑液对加工过程中噪声的 影响，广西工学院的高中庸川在分析切削颤振的原因基础上，论述了通过润滑油 膜控制切削颤振及其噪声所应具备的基本条件，介绍了正交试验法在配置减振降 噪油中的作用以及降噪油的使用效果，得出了微凸体油膜弹性支承效应是抗振降 噪关键的结论。 1 2 6 切削加工过程声发射的研究 唐英等【3 2 1 研究了金属切削过程的声发射机理，认为金属切削过程的声发射源 主要来自于：( 1 ) 第一变形区材料的剪切变形；( 2 ) 第二变形区的切屑变形及 切屑与前刀面的摩擦，同时刀具碎裂和折断是异常切削状态的主要声发射源。指 出工件材料被剪切及切屑沿前刀面连续滑移变形过程中产生声发射能，其实质是 材料晶体问的弹性能与内聚力在材料变形及断裂时释放出来的能量。根据弹塑性 理论建立了正交切削条件下的金属切削过程声发射理论模型，即声发射信号能量 与切削参数间的关系模型，二维切削状态下的声发射理论模型为： 膦= g w l r 咖细c o s y # 丽+ 扣，c o s ( 堕# - l y o ) j 1 ) m z ， 式中：c ：厂_ 比例常数，气材料剪切强度，二_ 切削宽度，m m ， 1 ，一切削速度，m m i n ，儿刀具前角，尹剪切角，j 粘 结区长度，n l m ，以切削厚度，衄，足 据一声发射传感器信号 的均方根电压，单位m v ，与传感器接收到的声发射信号能量成正 比，故可以用来表示声发射能量。 北京理工大学的杨大勇在唐英等的基础上，研究了第三变形区的声发射理 论模型，对其研究进行了完善，得出切削过程中声发射信号模型为： 膦= c - i 掣 c 2 赢吒+ 导厶，蔷+ c ( 1 - 3 ) 其中c 广诹决于检测系统的增益、刀具几何形状等的比例系数，q 、o ， 山东大学硕十学位论文 c 广信号衰减系数，表示各变形区的塑性变形功功率对传感器激励的贡献，与 传感器的结构，安装方式和位置有关，可由实验方法求得，其他参数同公式( 卜 2 ) 王瑛1 3 4 ) 对木工刀具加工噪声产生的原因和控制木工刀具噪声的方法进行了研 究，提出木工刀具噪声包括木工刀具的空气动力性噪声和机械性噪声，并对各自 的噪声源进行了分析，同时提出如选择最佳刀具结构、选择良好修整方法和工 艺、降低转速、提高刀具的安装质量等措施可对噪声进行有效控制。 1 2 7 加工制造系统声音的研究 赖华清【3 5 1 总结了铸造车间噪声的来源和种类，并对铸造车间的噪声控制提出 了控制措施，郝滨海p 6 1 分析总结了冲压车间噪声的来源和种类，并对冲压车间的 噪声控制提出了控制措施。武汉科技大学的张立华 3 7 1 主要从加工系统整体调度方 面对噪声进行了研究。对机床一车间体系噪声特性进行了分析，根据噪声的产 生、传播理论，针对噪声源的不同特点的基础上，提出降低机床运转噪声的措 施，并对具体零件的设计加工装配等进行分析。建立了多工件多机床机械加工体 系的降噪优化模型，根据该加工系统中各机床加工噪声特性的差异，通过机床与 工件间的优化调度与安排，给出最优组合方案，降低制造系统加工噪声。 通过以上综述分析，可以得到以下结论： ( 1 ) 国内外关于加工声音的研究主要是针对机床传动系统产生噪声、刀具磨损 在线检测、声发射、锯切过程噪声研究、铸造车间、锻压车间工艺系统噪声研 究、切削液对噪声的影响研究等。 ( 2 ) 对切削过程声音的产生机理在超声范围内国内外研究已经比较成熟，而在 可听声范围内，关于切削过程声音的产生机理却只有少数人通过试验的方法，采 用改变切削用量进而研究切削噪声的变化规律，并且这些研究只是初步的研究， 而对切削用量改变为什么会造成这些变化并没有进行深入的理论探讨。 ( 3 ) 关于铣削过程中声音的问题国内外文献记载很少，作为断续切削加工方式 的铣削过程中的声音研究应该受到更多关注。 l o 山东人学硕士学位论文 1 3 课题研究主要内容 切削过程中的噪声的影响因素如图1 - 4 所示。 切削过程中的总噪声 传动系统声 毳髦毳衰声 f 材料破损声 与切削有关的声 刀具工件摩擦声 i 切削系统振动声 f 润滑与冷却系统 其他干扰噪声 电控系统 l 环境本底噪声 图l - 4 切削过程总噪声影响因素 本文主要研究切削过程中纯切削声，纯切削声的影响因素如图1 5 所示 纯切削噪声 工件方面 切削用量 切削速度 f 切深 l 进给量 切削系统方面 自激振动 传动系统振动 切削过程冲击 切削热 刀具方面 至茎曩萎囊釜度 切屑方面 图1 - 5 纯切削噪声影响因索 通过图1 5 可以看出，影响纯切削噪声的因素有工件、切削用量、切削系 统、刀具、切屑等五个方面，结合目前研究现状及试验条件限制，本课题准备就 以下方面进行讨论： 织状形组形变性 料寸塑断材尺弹剪 断动击结破振冲缠屑屑屑屑切切切切 山东人学硕士学位论文 ( 1 ) 试验研究车削过程中噪声产生的主要声源及切削用量( 进给量、切削速 度、切削深度) 、刀具几何角度( 主偏角、后角) 对切削过程中纯切削噪声的影 响，并通过分析试验结果得出上述各因素对纯切削噪声的影响规律，并分析其影 响机理，在此基础上给出车削加工过程降噪措施。 ( 2 ) 试验研究铣削过程中，铣削用量( 主要包括铣削速度、径向切深) 对切削 过程中纯切削噪声的影响，并通过分析试验结果得出上述各因素对纯切削噪声的 影响规律，分析其影响机理，在此基础上给出铣削加工过程降噪措施。 山东大学硕七学位论文 第2 章噪声基本理论及切削过程噪声理论 本章分为两个部分：第一部分主要是对噪声的定义、噪声的基本术语、噪声 测量的方法和仪器等进行介绍；第二部分主要是对切削加工过程中噪声产生进行 介绍，本章主要是为本文试验章节作理论准备 2 1 噪声基本理论 2 1 1 噪声的定义 当弹性介质的某局部区域由于振动而产生扰动，在该局部地区周围的介质就 离开平衡位置开始运动，从而压缩临近的介质发生疏密交替的波形，该介质由于 具有质量，从而产生一种波向四周扩散，从而形成声波。当声波传入人耳时，引 起鼓膜振动，发出信号传入大脑，从而人就有了声的感觉。同时，人的耳朵能否 感觉到声的存在，还取决于声音的频率及其强度，人能听到声，即可听声的频率 范围为2 0 2 0 0 0 0 h z ，强度为o 1 3 0 d b ，频率低于2 0 h z 的叫次声波，高于 2 0 0 0 0 h z 的声叫超声波，人的耳朵是不能听到次声波和超声波的，噪声属于声音 的一种状态，噪声有以下两个特点： ( 1 ) 从主观需要上进行判断，一切不希望存在的声音。 。 ( 2 ) 从物理现象上进行判断，一切不规则的或是随机的声信号。 2 1 2 噪声的基本术语l a g l ( 1 ) 声功率( w ) 声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在 噪声监测中，声功率是指声源总声功率，单位为w ( 2 ) 声强( i ) 声强是指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，单 位为w m 2 。 ( 3 ) 声压( p ) 声压是空气受声波干扰而产生的压力增值，单位为p a 。声波在空气中传播时 形成压缩和稀疏交替变化，所以压力增值是正负交替的。但通常讲的声压是取均 方根值，叫有效声压，故实际上总是正值，对于球面波和平面波，声压与声强的 山东火学硕士学位论文 关系： ，：- p 2 ( 2 - 1 ) 式中：卜一声强，w m 2 ；卜声压，n m 2 ；p 一空气密度，k g m 3 ； c _ 声速，m s 。 ( 4 ) 分贝 由于声压的听阈与痛阈的绝对值之比为1 ：1 0 ，声强或声功率的听阈与痛阈 之比为l ：1 0 ”，使用声压或声强的绝对值表示声音的大小极不方便，同时由于人 体听觉对声信号强弱刺激反应不是线形的，而是成对数比例关系。所以采用分贝 来表达声学量值。所谓分贝是指两个相同的物理量( 例a l 和a o ) 之比取以1 0 为 底的对数并乘以1 0 ( 或2 0 ) 。分贝符号为“d b ”，它是无量纲的。 。n f f i l 0 1 9 ( a d a o ) ( 2 - 2 ) 式中：彳r 瑾准量( 或参考量) ，a 广- 被量度量。被量度量和基准量之比取对 数，该对数值称为被量度量的“级”。 ( 5 ) 声压级 声压级定义为：该声音的声压p 与基准声压p o 的比值取以1 0 为底的对数再 乘以2 0 ，记作上，( 船) 声压级的数学表达式为： l pf f i 2 0 唔( 2 - 3 ) 式中：印一声压级，d b ：p 一声压，p a ：昀基准声压，p o = 2 x 1 0 s p a 。 将听阈压、痛阈压分别代入式中，即可得出用声压级表示的听阈和痛阈为0 和1 2 0 d b 。 ( 6 ) 声强级 一个声音的声强级是这个声音的声强i 与基准声强i o 之比取以l o 为底的对数 再乘以1 0 ，记作岛( 扭) 。其数学表达式为： l i = 1 0 k 砉( 2 - 4 ) 式中：岛声强级，d b ：卜一声强，w m 2 ；驴基准声强， i o = i o 2 w i ：u 2 。 用声强级表示的听阈和痛阈分别为o d b 和1 2 0 d b 。在通常情况下，声压级与 声强级相差较小，两者近似相等 ( 7 ) 声功率级 一个声源的声功率级等于这个声源的声功率与基准声功率的比值的常用对数 乘以1 0 ，记作句( 翘) 。其表达式为； 纠峰 ( 2 - 5 ) 式中：工一声功率级，d b ；驴一声功率，w ；耽基准声功率， w o = 1 0 1 2 w 。 用声功率级表示的听阈和痛阈分别为0 d b 和1 2 0 d b 。 ( 8 ) 噪声的叠加 两个以上独立声源作用于某一点，产生噪声的叠加。声能量是可以代数相加的， 设两个声源的声功率分别为w i 和w 2 ，那么总声功率wt = w t + w 2 。而两个声源 在某点的声强为i l 和1 2 时，叠加后的总声强：i 总= 1 1 + 1 2 但声压不能直接相加。 总声压级l 总： l 总- - 1 0 1 9 1 0 伸u t o + 1 d 掣1 0 】 ( 2 - 0 3 式中：工扩一总声压级，d b ；己p 广声源1 的声压级，d b ； b 厂声源2 的声压级，d b 。 如b l _ i 越，即两个声源的声压级相等，则总声压级： l 詹- - - l p l + l o l 9 2 = l p l + 3 ( d b ) ( 2 7 ) ( 9 ) 响度 响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，用n 来表示，它不仅取决于 声音的强度，还与它的频率及波形有关。响度的单位为“宋”，1 宋的定义为声压 级为4 0 d b ，频率为1 0 0 0 h z ，且来自昕者正前方的平面波形的强度如果另一个声 音听起来比1 宋的声音大n 倍，即该声音的响度为1 2 宋。 ( 1 0 ) 响度级 响度级是建立在两个声音主观比较基础上的。定义1 0 0 0 h z 纯音声压级的分 山东火学硕十学位论文 贝值为响度级的数值，任何其他频率的声音，当调节1 0 0 0 h z 纯音的强度使之与 这声音样响时，则这1 0 0 0 h z 纯音的声压级分贝值就定为这一声音的响度级 值。响度级用l n 表示，单位是“方”。 ( 1 1 ) 响度与响度级的关系 根据大量的实验得到，响度级每改变1 0 方，响度加倍或减半 它们的数学关系式为： n - 2 f 皿n 4 0 y l o 】 ( 2 8 ) 式中： 乙_ 一响度，宋；厂一响度级，方。 2 1 3 噪声的测量 声级计是噪声测量中最常用的噪声测量和分析仪器，它可用于测量声源的声 压级、声级，亦可以和滤波器配合测定频带声压级并进行频谱分析。 在使用声级计测量噪声时，声级计接收的信号是声压。如果对接收信号不进 行任何处理就予以输出，锝到的是线性声级。为了让测量仪器输出的信号能象响 度级一样符合人耳的生理特性，在声级计内加入一套滤波网络，并参照等响曲线 对某些人耳不敏感的频率成分进行适当的衰减，对那些人耳敏感的频率成分予以 加强，以求输出的信号与人耳听觉的主观感受尽可能一致。这种修正的方法称为 频率计权，实现频率计权的网络称为计权网络，经过计权网络测得的声级称为计 权声级。现已有a 、b 、c 、d 、e 、s i 等多种计权网络，其中a 计权和c 计权最为 常用，b 计权已逐渐被淘汰，d 计权主要用于测量航空噪声。e 计权和s i 是近年 来新出现的，e 计权是根据响度计算方法做出的，也叫耳朵计权，s i 是用于衡量 噪声对语言干扰的。 a 计权网络是以4 0 方等响曲线为基准设计的，记作l ，单位为d b ( a ) 。其特 点是模拟人耳对低频噪声( ( 5 0 0 h z ) 不敏感，衰减较大，对高频噪声则可不衰减 或稍有放大。这样计权的结果，使得仪器的响应对低频声灵敏度低，对高频声灵 敏度高。实践证明，a 声级基本上与人耳对声音的感觉相一致；此外，a 声级同 人耳听力损伤程度也能对应得很好。因此，国内外在噪声测量与评价中普遍采用 a 声级。但是两个声源a 声级大小一样时，其频谱特性可能相差很大，a 声级不 1 6 山东人学颀j 二学位论文 能全面地反映噪声源的频谱特性，故a 声级不能完全代替其他的噪声评价标准。 b 计权网络是以7 0 方等响曲线为基准进行设计的，记作l ，单位为d b ( s ) 。 其特点是使通过的声音在低频段有一定衰减。 c 计权网络是以1 0 0 方等响曲线为基准进行设计的，记作k ，单位为 d b ( c ) 。其特点是只对人耳在可听声频范围内的高频段和低频段予以衰减，在大 部分频域保持平直响应，让声音在不衰减的情况下通过。因此，可以认为c 声级 是