冲裁加工最大噪声声压级预测模型

　　一、引言

　　冲裁的噪声污染在整个冲压加工中是最为严重的。随着人们环境保护意识的加强,冲裁噪声污染问题已引起了广泛关注,对这方面的研究也越来越多。现今,国内外已研究和报道了这方面的不少成果,介绍了一些降低冲裁噪声的方法,比如:采用液压缓冲器、消声器、隔音装置、吸声隔音材料、油压冲裁及斜刃冲裁等。但总的来说理论基础研究较少,降噪措施也均是消极的。文献[1]采用计算机快速分析系统及石英晶体压力传感器等测试手段,真实地测出了冲裁噪声声压波形图,定量地发现了冲裁噪声的大小规律,得出了最大冲裁噪声产生于突然分离阶段的结论。本文将在对冲头端面突然分离瞬间的自由振动进行分析的基础上,结合声传播的有关知识建立一种预测最大冲裁噪声的模型。

　　二、冲头端面自由振动方程的推导

　　理论分析和实验研究表明,在冲压加工过程中,由于冲头受到发生塑性变形的板料的反作用力,并发生相应的弹性变形;同时,由于冲头的横向尺寸相对于纵向尺寸来说较小,可忽略横向变形的影响;因此可以认为,在板料冲裁变形过程中的突然分离阶段的瞬间,冲头端面将在初始扰动的影响下(即冲头端面弹性变形的影响)发生纵向自由振动,从而引起声扰动而产生噪声。本文根据冲裁工艺知识和冲头结构特点,把冲头简化为一端固定一端自由的等直杆,并按等直杆的纵向自由振动来分析冲头端面的振动。

　　根据冲裁变形的特点,设突然分离时冲头的轴向应变为ε0(ε0=P/EA),并根据弹性力学的小变形假设,忽略横向变形,则冲头端面振动的初始条件为

　　从而正则振型、正则坐标以及正则坐标下的初始条件分别为:

　　三、突然分离阶段噪声模型的建立

　　从式(9)可以看出,自由端的振动为无穷项的叠加,而从第2项开始,位移的幅值仅为第1项的1/9,第3项的幅值只是第1项的1/25,所以,本研究中只取第1项,即

式中ε0———冲头端面的应变

　　a———波在冲头中的传播速度

　　本文将冲头端面简化为点声源,由文献[3]可知,点声源在空气中辐射的有效声压为

式中ρ空———空气的密度

　　k———波数

　　Q———声源强度

　　r———离开声源的距离

　　在此,取Q=V0S,其中S为冲头端面的有效接触面积。冲裁过程中,冲头端面处的板料会出现弯拱现象,所以冲头与板料的实际接触区仅为冲头刃边的小部分。取(R为冲头端面的半径),将式(12)代入Q的表达式,并将Q的表达式代入式(13)得