1、第 33 卷 第 3 期Vol .33No. 3FORGING &STAMPINGTECHNOLOGY2008 年 6 月Jun. 2008板料成形冲压加工噪声树 冲裁工艺噪声发射模型卢险峰, 戴源德, 揭小平(南昌大学 机电工程学院, 江西 南昌 330031)摘要 :依据噪声控制学中噪声控制工程评价方法的分类原理、 冲压工艺模具学中冲裁变形细观理论模型分析各个变形阶段的噪声影响的定性认识, 以及冲裁工艺噪声的实际情况,选择钢、 铝、 铜几种金属板料, 先后用 FFT( CF -920)和东华测试分析系统采集数据, 进行了冲裁曲线和冲裁工艺噪声发射声压波形图的测试。 根据实验结果, 综合提出
2、了冲压加工噪声树的概念, 给出了描述冲裁工艺噪声发射声压波形图全貌的树廓形模型, 为探寻冲裁工艺噪声发射规律及其控制研究提供一种新资料讯息。关键词:冲裁工艺;噪声发射;树廓形模型;冲压;噪声控制中图分类号:TG386 .2文献标识码:A文章编号:1000 -3940 (2008) 03-0019-04Press working noise tree-blanking process noise emission modelLU Xian -feng, DAI Yuan -de, JIE Xiao -ping( School of Mechanical and Electrical Engnee
3、ring, Nanchang University, Nanchang 330031, China)Abstract:According to the classification fundamental of noise control engineering evaluation methods in noise controltheory, qualitative understanding of each deformation stage s effect on noise through using meso-theoretic model ofblanking deformati
4、on in press technology and its die, and the factual condition of blanking process noise, selectingsheet steels, sheet aluminum and sheet coppers as blanked materials to do blanking experiments for measuring blankingforce and blanking noise, two kinds of diagram were tested successively with FFT (CF
5、-290) analyzer and Donghua testand analysis system, one is blanking curve, and the other is noise emission sound-pressure wave graph in blankingprocess.Based on several long-time experimental results, the integrated concept of Press Working Noise Tree wasbrought forward, and a tree model to describe
6、 the whole noise emission sound-pressure wave graph in blanking processwas given, consequently, a new kind of information was provided for exploring the principle of noise emission in blan-king process and its control research.Keywords: blanking process;noise emission;tree model;press working;noise
7、control收稿日期:2007-05 -22;修订日期:2007-07 -20基金项目:江西省自然科学基金资助项目 ( 0450042)作者简介:卢险峰 ( 1942-) , 男, 教授, 博士生导师电子信箱:lxfncu163 . com1 引言冲压加工存在两大公害 振动与噪声 1-4,各国都在积极解决这两个问题 。近年来, 国际标准化组织 ISO 已经将噪声控制技术规范化列入了工作组项目, 并在研究推行把噪声及指标正式列为产品铭牌一项基本内容的规定 5。现今, 国内外对冲压加工噪声规律及控制问题的研究进展可以概括为:研究的理论指导为撞击与振动原理 6-7;研究的对象为液压机与机械压力机,
8、即冲压加工设备, 和冲压分离工序中的冲裁工艺 ( 例如落料、 冲孔) , 因冲裁较之其它分离工序及冲压成形工序中的各种工序 ( 例如拉深 、 翻边、 胀形) 为噪声最大的工艺;研究的方法为实验研究和数学 、 物理模拟, 包括计算机模拟 。这些研究使对冲压加工噪声的识别与控制,尤其在降噪措施方面取得了较多的成果 。比如:在前人已指出冲压加工条件对冲压噪声的一些影响,以及冲裁变形过程中材料突然断裂分离时的噪声为最大的认识的基础上,进行了冲裁加工噪声与模具间隙 、 润滑情况、 刃口平斜的实验研究, 以及噪声产生的原因与传播途径分析 8-9; 研究了机械压力机中传动 、 撞击噪声机理, 提出了离合器
9、、 电机等撞击的函数描述 10-11; 提出了一种结合有限元、 边界元方法的模拟与优化设计处理噪声发射与传播的算法,并在汽车工业中有所应用 12;通过模拟分析, 验证了冲裁加工过程中材料突然断裂分离时噪声为最大 13;提出通过控制液压机的运动 ( 即分两种冲裁速度完成冲裁过程) 方法来降低冲裁最大噪声 14; 提出了增设液压缓冲缸来降低冲裁工艺噪声的实验分析 15;以及批量生产了全过程缓冲的液压机新设备 16等。以上事例表明,当今人们对冲压、 冲裁噪声的研究范围较广、 成果颇丰。然而,有部分研究在研究对象的概念上不甚清晰,或对高于设备噪声的冲裁工艺噪声研究得不很深入等,存在有未能尽如人意之处。
10、因此,本文基于冲裁力学研究的初步成果 17-18,对冲裁工艺噪声的规律问题进行了一些研究:导出了冲裁加工最大噪声的描述模型 19,推荐了用板料硬度预报冲裁加工最大噪声的公式 20,提出了冲裁模上施加反顶力的一种降噪措施 21,被授权一项具有积极降噪意义的级进模两步冲裁法的国家发明专利 22。本文的研究是对冲裁工艺噪声发射声压波形图全貌的一种认识。2 原理与依据2 . 1噪声控制工程评价理论噪声控制工程评价方法总的可以分为噪声发射、噪声照射和噪声暴露 3项 5-6。显然,其中的噪声发射是指声源, 是噪声的本质。冲压加工噪声源应该至少有两个 : 工艺噪声与设备噪声 。工艺噪声是指被冲材料变形过程中
11、消耗力能而产生的噪声;设备噪声是指冲压设备 ( 包括电动机) 运动部件运转过程因撞击而产生的噪声 。有了声源才会传播,认识了声源及传播规律才会有相应的降噪措施。基于此,本文仅研究冲裁工艺噪声发射的一种规律。2 . 2冲裁变形过程细观力学理论冲压工艺模具学中指出,冲裁变形的细观力学模型是将冲裁变形过程分为 :冲击压缩 压入剪切裂缝生长突然分离 推出凹模 卸离冲头共6 个阶段 1, 18,并指出在第 1 阶段有振动与噪声、第 4 阶段为产生振动与噪声最大 、 第 6 阶段也产生噪声 。可见, 冲裁工艺噪声发射曲线的声压波形图应该是具有一些特征位置的多波浪形, 具体规律性将可以通过实验测试出来 。2
12、 . 3冲裁变形后工件落地噪声在生产实际中, 冲压加工噪声源还有一个工件落地时的撞击噪声 。因为冲裁工件一般是从凹模中垂直下落, 经过一段空间距离落到地面或料箱里,即该噪声发生在冲裁变形过程中的推出凹模与卸离冲头阶段之后。此时, 设备已经停止负载或处于空载运行状态 。所以, 上述多波形冲裁工艺噪声发射曲线还应该有一个尾波。对于大尺寸或较重型落料件, 这种落地撞击噪声较大,且往往是其工件间相互撞击而发出,其噪声值大多也超过了标准规定的数值。对于这一点,往往被研究者忽略了。3 实验研究3. 1实验条件与测试结果实验材料为 SPCC 钢板 3 种 、 30CrMnSi 钢板 1种 、 铝板 2 种、
13、 黄铜板2 种, 料厚为 1 2 mm 。模具为冲裁模 ( 落料片为 36 mm) 。设备为 J23 -63 kN 开式压力机。仪器为石英晶体压力传感器 、 声级计、FFT (CF-920) 分析系统、 东华测试系统。更为具体的实验条件及测试方法, 可参见前期研究工作 19-20。采取声级计读数的方式经过了多次实验测试, 并且先后使用两种不同的分析测试系统记录了整个冲裁过程, 部分测试结果见图1 图 4。虽然每次实验测图 1FF T ( CF-920) 分析系统测得的冲裁噪声发射曲线 ( a) 及冲裁曲线 ( b)( SPCC, 厚度 t =1 . 5 mm)Fig. 1Noise emiss
14、ion sound-pressure wave graph ( a) andblanking curve ( b) tested with FFT ( CF-290) analyzer( material:SPCC, thickness:t =1 . 5 mm)图 2FF T ( CF-920) 分析系统测得的冲裁噪声发射曲线 ( a) 及冲裁曲线 ( b)( 30CrMnSi, 厚度 t=1 . 0 mm)Fig. 2Noise emission sound-pressure wave graph ( a) andblanking curve ( b) tested with FFT ( C
15、F-290) analyzer( material:30CrMnSi, thickness:t=1 . 0mm)20锻 压 技 术 第 33 卷图 3东华测试分析系统测得的冲裁曲线 ( a) 及冲裁噪声发射曲线 ( b)( SPCC, 厚度 t=1 . 5 mm)0 .本体噪声1 .冲击压缩阶段噪声4 .突然分离阶段噪声( 与图 3a 中最大冲裁力位置相对应)6 .卸离冲头阶段噪声Fig. 3Blanking curve ( a) and noise emission sound -pressurewave graph ( b) tested with Donghua test and ana
16、lysis system( material:SPCC, thickness:t=1 . 5 mm)图 4料片落于钢板 ( a) 和落于纸板 (b) 上的冲裁噪声发射曲线对比( SPCC, 厚度 t=1 . 5 mm)Fig. 4Comparison of noise emission sound-pressure wavegraphs when workpleces falling to the metal box ( a) andto the carton box ( b)( material: SPCC, thickness:t =1 . 5mm)得的数据会有所不同, 例如不同时间段和季
17、节里本体噪声 、 空载噪声与工艺噪声峰值有所不同,但由分析系统得到的测试曲线具有很好的重复性,其规律是相同的。表 1 为某次实验测试过程中声级计的读数结果 。表 1冲裁噪声实验测试结果Table 1Noise data of blanking process experiments材料厚度/mm本体噪声/dB空载噪声/dB工艺噪声峰值/dB工件落地噪声/dBSPCC1 . 56192981 . 0619296 . 8注 10 . 5619294 . 6注 1:由于工件落地噪声在声级计上读出较为困难, 故没能将具体分贝数据列于表 1 中, 但从测试分析系统获取的曲线上表现很明显( 图 3、 图
18、4) 。3. 2结果分析( 1) 前期实验采用 FFT ( CF-920) 分析系统测取冲裁曲线和冲裁噪声发射声压波形图。测得的普通钢板 、 合金钢板和黄铜板料的冲裁曲线符合冲裁变形细观力学模型,具有典型性;而纯铝板因强度 、硬度太低,其冲裁曲线不具典型性 。同步测得的噪声发射曲线有明显 3 个峰值点,即冲击压缩、 突然分离及卸离冲头阶段产生噪声 。图 1、 图 2 分别为冲裁 SPCC 和 30CrMnSi 两种钢板材料时用 FFT( CF-920) 分析系统所测得的冲裁曲线和冲裁噪声发射曲线。( 2) 近期实验采用东华测试系统获得的两种曲线, 不但与图 1、 图 2 所示的十多年来采用 F
19、FT( CF-920)测 出的冲 裁曲 线和 冲裁 噪声 发射 曲线 17-18具有重复性,而且更为完整 。实验中采用东华测试系统测得的冲裁曲线和冲裁噪声发射 ( 声压波形图) 曲线如图 3所示。其中 SPCC,30CrMnSi,H62 金属板料的冲裁曲线符合典型冲裁曲线形状,纯铝板材料 ( 同前述理由) 没有突然分离阶段 。图 3a 中最大峰值点为冲裁突然分离阶段产生的最大冲裁力 。同步测得的冲裁噪声发射 ( 声压波形图) 曲线上有明显的几个峰值点,见图 3b。由于工件落地 ( 料片掉料箱) 是在被冲材料冲裁变形过程完了之后 ( 即在卸离冲头阶段之后) 发生的,此时被冲材料已经没有受到外力作
20、用, 故在图 3a 中测不出力值, 而在图 3b 中尾部可以发现明显的突起曲线, 其峰值点 e 即为工件落地噪声 。( 3) 针对工件落地噪声的影响,实验中还专门进行了下述两种落地方式的噪声对比测试:将工件分别落在纸板与钢板上 。结果表明, 工件落于纸板上较之工件落于钢板上, 其噪声有明显的降低 。其中图 4a, 4b 分别为料片落在钢板上和纸板上的噪声测试情况。显见, 在图 4a 中冲裁噪声发射 ( 声压波形图) 曲线的尾部明显出现了高于本体环境的噪声峰值点 e, 而在图 4b 中对应点的峰值很小,这与人21第 3 期卢险峰等:冲压加工噪声树 冲裁工艺噪声发射模型的实际感觉也是相符合的 。(
21、 4) 冲裁工艺噪声发射曲线中,对应其突然分离阶段的噪声发射峰值确实为最大,研究其机理、规律是最为关键之处, 据此而提出相应的对策也是最为积极的噪声防治。另外,对高于本体环境且又超标的工件落地撞击噪声,改变常规的盛料方式,尽量避免工件落地刚性接触,包括工件与工件之间的相互撞击, 采用柔软性履带式输送机构逐件移送工件是最为有效的一种防治措施。( 5) 冲裁工艺噪声发射的规律全貌,即其声压波形图的外轮廓包络线可用树廓形模型 冲压加工噪声树加以描绘。如图 5 所示,图形中有 a, b,c,d, e 共 5 个特征位置。图5冲压加工噪声树Fig. 5Press working noise tree4
22、结论( 1) 冲裁工艺噪声发射的规律全貌可以用冲压加工噪声树的概念来定性地认识,即得到一个冲裁工艺噪声发射的物理模型 。( 2) 冲裁加工中材料变形到突然分离阶段的噪声发射峰值为最大,是噪声危害性最严重之处。( 3) 冲裁变形过程完成后工件落地时的撞击噪声发射, 如果视其为一种附加噪声,虽然其值较之最大峰值要小很多,但因其有滞后性, 也成为了噪声危害重要之处。因此,不应该忽略这种附加噪声发射的描述与研究。冲裁工艺噪声发射规律是一种非线性关系分布。本研究是对其规律分布的一种全貌认识和探究的阶段性成果。由于捕捉到的曲线重复性较好,且各个特征点的噪声声压存在规律性,故提出的概念和认识, 能为从声学
23、、 数学角度进一步揭示其实质和规律,对冲压加工中噪声控制问题的深入研究起到某种引导和参考作用。参考文献: 1卢险峰. 冲压工艺模具学 M . 2 版.北京:机械工业出版社, 2006. 2骚音振動小特集 J . 塑性加工, 1974, 15 ( 160) . 3Jianhua Mo, M asao Kondoh, Nobuhiro Koga, et al. Consid-eration on the relationship between breakthrough and noiseduring press blanking J .Journal of JST P,1997,38( 435)
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