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車削大螺距螺紋（wén）軸（zhóu）向分層切削的設計方法

2018-1-17 來源：哈爾濱理工地方聯合工程齊二作者：趙嬌薑（jiāng）彬李哲鄭敏利丁岩

摘要: 提出車削大螺距螺紋軸向分層切削方法，通過刀工接（jiē）觸關係及切削層（céng）參數的研究，揭示出關鍵（jiàn）工藝控製（zhì）變量，並討論螺紋螺旋升角對左右（yòu）切（qiē）削刃工作前角和後角的影響，以及（jí）切（qiē）削次序對切削效率的影響; 以（yǐ）切削（xuē）效（xiào）率（lǜ）、左右螺紋麵加工表麵一致（zhì）性為設計目標，以刀（dāo）具幾（jǐ）何角度、切削參數及切削次（cì）序為設計變量，提出大螺距螺紋軸向（xiàng）分層切削工藝設計方法; 設計並磨（mó）製兩把刀具，提出與其匹配的工（gōng）藝（yì）設計方案，進行車削大螺（luó）距螺紋切削工（gōng）藝對比實驗（yàn）．實驗結果表明，采用該（gāi）設計方法獲得的工（gōng）藝（yì）方案，可使大螺距螺紋在螺距誤差、加工表麵形貌及其分布上得到明（míng）顯改善，滿足大螺距螺紋加工質量的（de）要求．

關（guān）鍵詞: 螺紋; 大螺距（jù）; 車削; 軸向分（fèn）層切削; 工藝設計

0 引言

螺距大於 4 mm 的（de）螺紋定義為大螺距螺紋［1，它屬於非標準件（jiàn），牙型槽寬且深．此（cǐ）類大螺距螺紋常用於大型壓力機調整組件的螺杆和螺母，以及自行（háng）火炮上的端口螺（luó）紋（wén），並（bìng）且在各個裝備中起著重要的作（zuò）用［2-4］．因此，研究大螺距螺紋的（de）切（qiē）削方式，提出大螺距螺（luó）紋的工藝設計方法對保障和提（tí）高調整（zhěng）及（jí）裝配（pèi）精度至關重（chóng）要［5-7］．已有的研究主要（yào）為中小型螺距螺紋的加工方法及精度控製方法，並（bìng）沒有（yǒu）考慮螺距（jù）非標準的大螺距螺紋的情況，無法具體揭示大螺距螺紋的（de）加工及（jí）精度控製方法［6-9］．大螺（luó）距螺紋去除餘量大，不可能一次（cì）切削完（wán）成螺紋的加工，其精加工階段需要采（cǎi）用多次進刀的方式來完（wán）成［10-12］．大螺距螺紋軸向分（fèn）層切削（xuē）過程中，若切削次數過少，則無法獲得滿（mǎn）足加（jiā）工質量要求（qiú）的螺紋表麵，若切削次數較多，多次切削時（shí）切削（xuē）熱（rè）和切削力的（de）累積將會縮短刀具壽（shòu）命，進而影響螺紋加（jiā）工表麵質量，使得加工效果降低; 因此，采用軸向（xiàng）分層車削方式進（jìn）行大螺距螺紋精加工時，必（bì）須有相應的設計方（fāng）法，以保證采用較少的切削（xuē）次數，獲得（dé）最高的螺紋加工（gōng）表麵質量．本文在滿足技術要求的前提下，以切削效率、左右螺紋麵加工表麵一致性為設計（jì）目標，以刀具（jù）幾何角度、切削參數及切削次數為設計變量，揭示各變（biàn）量間的約束關係，提出大螺距螺紋軸（zhóu）向分層切（qiē）削工藝設計方法; 依據該方法設計（jì）兩種不同的工藝方案，進行大螺距螺紋精加工對比實驗（yàn），驗證設計方法的正確性．

1 、軸（zhóu）向分層切削方式及其切（qiē）削層參數

由於傳統徑向（xiàng）分層切（qiē）削方式無法達到車削大螺距螺紋加工精度和表（biǎo）麵質量要求，本（běn）文針對大螺距螺紋的加工特點，提出軸向分層切削方式，如圖 1 所示．圖中，n 為工件（jiàn）轉速，vf為刀具軸向進給速度（dù），vc為主運動速（sù）度; κr1為左刃切削時刀（dāo）具主偏角（jiǎo），κr2右刃切削時刀具主偏角; d 為試件（jiàn）的外徑，d2為試（shì）件的中徑，d1為試件的小（xiǎo）徑; ap為徑向總（zǒng）切深，zlj為（wéi）左刃單次加工餘量，zrk為右刃單次加工餘（yú）量，hDl為刀具左刃（rèn）車削時的切削厚度，bDl為刀（dāo）具左刃車削（xuē）時的切削寬度，hDr為（wéi）刀具右刃車削時的切削（xuē）厚度（dù），bDr

為刀具右刃車削時的切（qiē）削寬度; P 為試件（jiàn）螺距，Ｒ1、Ｒ2分別（bié）為試件左右側麵的牙型半徑，r1、r2為刀具的左右牙尖圓弧半徑（jìng），α 為螺紋牙型角（jiǎo）．

圖 1 軸向分層切削方式及刀工接觸關係

由於粗加工（gōng）及半精加（jiā）工工序結束後，外螺紋的徑（jìng）向尺（chǐ）寸和形狀尺寸達到（dào）精加工要（yào）求，因此大螺距螺紋精加工時，隻采用左右切削刃沿軸向交替（tì）多次進刀分層切（qiē）削的（de）方式去除工（gōng）序加工餘量，直至左右螺紋麵已加工表麵粗糙度和螺紋中徑誤（wù）差控製在預定加工質量指標以（yǐ）下為止．由圖（tú） 1 可知，軸向（xiàng）分層切削方（fāng）式為全刃參與切削，在每一（yī）次（cì）進刀過程中，切深 ap不變並且等於螺紋牙高 H，切削層麵積（jī）隻與軸向單次加工餘量有關，其變量間關係如下所示:

由上述公式可知，該切削方式采用的是（shì）全刃切削，其每一次進刀後，參與切削的切削刃長度不變，切削時的切（qiē）削層麵積與軸向單次加工餘量和總徑向切深有關．因此，采用軸向分層切削方式精加工大螺距螺紋時，其螺紋表麵形成與（yǔ）刀具左右切削刃的（de）狀態有密切（qiē）關係．

由於切削（xuē）力的大小與切削層參數密切相關，且切削（xuē）力應小於工件材料的最大承受能力，因（yīn）此切削層麵（miàn）積理應小於某一固（gù）定值，即應控製加工過（guò）程中的切削參數．因此，可得:

通過上（shàng）述軸向分層切削方式的刀工接（jiē）觸關係及切削層參數的研究（jiū）可獲得（dé），大（dà）螺距螺紋軸向分層切削方式（shì）的關鍵控製變（biàn）量，如表 1 所示

表 1 軸（zhóu）向分層切削方式的關鍵控（kòng）製（zhì）變量

表 1 中，zi為軸向分層切削（xuē）單次加工餘量; γ0為切削刃前角，α01為左（zuǒ）切削刃（rèn）後角，α02為右切削刃後角，εr1為左切削刃刀尖角（jiǎo），εr2為右切削刃刀尖角; j 為左刃一次連續（xù）切削時的次數，k 為右刃一次連續切削時的次數，t 為左（zuǒ）右刃切削循環次數．

2 、軸向分層切削工藝設計方法

大螺距螺紋軸（zhóu）向分層切（qiē）削過程中，由於螺紋螺旋升角的存在，導致切削平麵（miàn）發生改變，使得切削過程中左右刃切削的工作角度發生改變，不再等於實際標注角度，且左右刃差異增大，從而（ér）會影響螺紋左右加工表麵的（de）一致性，因此，設計刀具時必須考慮螺旋升角對左右刃工作角度的影響，對其進行合理的結構設計，切削過程中影響較大的主要為刀具的（de）前角、後角（jiǎo）．刀具左（zuǒ）切（qiē）削刃工作前（qián）角、工作後角與螺旋升角存在如下關係:

式中（zhōng），γ0e1為左切（qiē）削刃工作前角，α0e1為左切削刃（rèn）工作後（hòu）角，γ0e2為右切削刃工作前角，α0e2為右切削刃工作後角，φ 為螺旋升角．因此，要想使（shǐ）得螺杆左右螺紋（wén）麵加工一致性好，工藝設計（jì）時（shí），需合理的設計左右切削刃的角度．設（shè）計時應（yīng）遵（zūn）循，左切削刃前角小於右切削刃，其（qí）差值大致等於兩倍的（de）螺旋升角; 左切削刃（rèn）後角大於右切削刃，其差值（zhí）同（tóng）樣大致等於兩倍的螺旋升角．

同時，采用軸向分（fèn）層切削方（fāng）法進行大螺距螺紋精加工時，若切削（xuē）次數過少，則無（wú）法獲得滿足加工質量要求的螺紋表麵，若切削次數（shù）較多，則由於多次切削時切削熱和切削力的（de）累積，刀具壽命將會縮（suō）短，從（cóng）而影響螺紋加工表麵，使得加工效果降（jiàng）低; 因此，應（yīng）合理設計 j、k、t 的值，使其在滿足螺紋麵加工要求（qiú）的前提下達到最小．其關係為:

切削效率（lǜ）不僅與切削次序有關，也與切削用量三要（yào）素有一定的關係（xì）．切削參數設計的（de）合理與否對切削加工的生產效率、加工成本以及保障產品的質量至關重要，采用合理的切（qiē）削參數可以明顯（xiǎn）的降低加工成本，提高加工（gōng）效率．因此，工藝方案設計時，應選（xuǎn）擇合適的切削參數．選擇順序應為: 首先盡量選用最大徑向切削深度 ap，然後根據加工條件選用合適的加工餘（yú）量zi，最後才（cái）在刀具耐用度或機床功率所（suǒ）允許（xǔ）的情況下選取合（hé）適的（de）切削速度 vc．由上述分析（xī）可知，螺紋加工過程中，高效率、高加工表麵一致性（xìng）對螺紋切削至關重要，其中一致（zhì）性是確保螺（luó）紋車削最佳質量和生產效率的（de）關鍵．

因此（cǐ），提出大（dà）螺距螺紋軸向分層切削方式的工藝設計（jì）目標，如表 2 所（suǒ）示．

表 2 軸向分層切削工（gōng）藝設計目標

表 2 中，η 為加工效率，其與刀（dāo）具壽（shòu）命和（hé）加工次序有著（zhe）必然的聯係; ΔP 為螺紋麵的螺距誤（wù）差，分為（wéi）左螺紋麵（miàn）螺距誤差與右螺紋麵螺距誤差，其兩者均應（yīng）小於螺杆的技術要求 ΔP0; γij用於揭示（shì）左右螺紋麵螺距誤差的分布一（yī）致性，其（qí）值越大，說明（míng）一致（zhì）性越高; Ｒa為表麵輪廓的算數平均偏差，用（yòng）於揭示左右螺紋（wén）麵的表麵（miàn）粗糙度，其兩者均應小於螺杆左右螺紋麵（miàn）加工表麵粗（cū）糙（cāo）度的技術要求（qiú）值（zhí）Ｒa0．

由以上分（fèn）析，在滿足技術要求的前提下，以切削（xuē）效率、左右螺紋麵加工表麵（miàn）一致（zhì）性為設計目（mù）標，以刀（dāo）具幾何角度（dù）、切削參數及切（qiē）削次數為設計變量，提出大螺（luó）距螺紋軸向分層切削（xuē）工藝設計方法，如圖 2 所示．

圖 2 軸向分層切削設計流程

3 、螺距 16 mm 外（wài）螺紋軸（zhóu）向分層切削實驗方案

采用上述軸向分層切（qiē）削方式，利用（yòng）刀具左右切削刃分別多次切削形成左（zuǒ）右螺（luó）紋麵，依據（jù）工藝設計方法設計出兩種不同的精加工車削工藝方案，進行大螺距（jù）外螺紋精加工（gōng）切削對比實驗．製備用於車削大螺（luó）距螺紋精加工實（shí）驗的試件，該試件材料為 35Cr Mo 調質處理，結構為右旋（xuán）梯形外螺（luó）紋，頭數 1，螺紋長度為 160 mm，大徑為120mm，小徑為 104 mm

，中徑為112 mm，螺距為16 mm，牙（yá）型半角為 15°，螺紋（wén）槽寬為 6． 33 mm．設計並磨製（zhì）出兩把用於車削螺距 16 mm 梯形外螺（luó）紋左右螺紋麵的（de）刀具，采用可換刀頭彈簧式車刀，材料（liào）為高速鋼( W18Cr4V) ，均可在刀體上安裝和拆卸，兩把刀具參與切削的部（bù）分均由頂刃與左右（yòu）兩個切削刃（rèn）組成（chéng），具體結構如圖 3 示．

圖 3 刀具切削刃結（jié）構圖

圖中，Pre為基麵，Pse0為主（zhǔ）切削刃切削平麵，Pse1為左切削刃切（qiē）削平麵，Pse2為右切削刃切削（xuē）平麵，W0為頂切削刃刃長，θ 為左（zuǒ）右（yòu）切（qiē）削刃（rèn）夾角，λs為刃傾角，γ00為頂切削（xuē）刃前角，γ01為左切削刃前角，γ02為右切削刃前角，α00為頂切削（xuē）刃後角，α01為左切削刃後角，α02為右切削刃後角，εr1為（wéi）左（zuǒ）切削刃刀尖角，εr2為右切削刃刀尖角．該刀具幾何角度如表 3 所示．

表（biǎo） 3 刀具幾何角度

利用上述兩把刀具在 CA6140 車床上，以轉速 n 為 10 r/min，保持刀具徑向切深與工件（jiàn）螺紋槽（cáo）深相一致，以車刀左右切削刃分別沿軸向單側逐層切削的方（fāng）式進行螺杆試件精加工切削，直至其左右螺紋麵已加工表麵粗糙度和螺（luó）紋中徑誤差控製在預定加工質量指標以下為止（zhǐ），兩種切削方案如表 4 所示．

表 4 精加（jiā）工實驗方案

4 、螺紋軸向（xiàng）分層切削實驗結果

上述實驗獲得螺杆左右螺紋麵的螺距誤差數據曲線（xiàn）如圖 4、圖 5 所示

圖 4 方案一（yī）螺紋麵（miàn）螺距誤差實驗測量結果

如圖 4 所示（shì），方案一，左曲（qǔ）麵螺距誤差的波動範圍為－0． 019 ～ 0． 019 mm，右曲（qǔ）麵螺距誤（wù）差的波動範圍為－0． 017 ～ 0． 019 mm，左（zuǒ）刃（rèn）切削時的螺距誤（wù）差比（bǐ）右刃切削時的波動範圍大，且右側較左側分布（bù）密集．其中（zhōng），右（yòu）曲麵螺距誤差好於左曲麵（miàn），且均（jun1）在－ 0． 02 ～ 0． 02 mm 之間，滿足加工要求。

圖 5 方案二螺紋麵螺距誤差實（shí）驗測量結果

如圖（tú） 5 所示，方案二，左曲麵（miàn）螺距誤差的（de）波動（dòng）範圍為（wéi）－ 0． 009 9 ～ 0． 01 mm，右曲麵螺距誤差的波動範圍（wéi）為－ 0． 01 ～ 0． 01 mm，左刃切削時的螺距誤差比右刃切削時的波動範圍大，且左側較右側分布密（mì）集．其（qí）中，右曲麵螺距誤差（chà）好（hǎo）於左曲麵（miàn），且均在－ 0． 02 ～ 0． 02 mm 之間，滿足加工要求（qiú）．為了定量分析兩（liǎng）種（zhǒng）方案螺紋左右側麵加工精度的優劣，取量級 10－ 4mm，對左右螺紋麵（miàn）的螺距誤差進（jìn）行關（guān）聯分析，結果為: 方案一螺紋試件左右（yòu）螺紋麵螺距誤差關聯度為 0． 863 2，方案二螺紋試件左右螺紋麵螺距誤差關（guān）聯度為（wéi）0. 6217 ，因此，可知方案（àn）二中的螺紋麵分布一致（zhì）性好於方案一．實驗獲得的螺杆的左右螺紋麵的加工表麵形貌如（rú）圖 6 所示。

圖 6 左右螺紋麵加工表麵形貌對（duì）比

為了定量分析整條螺紋左右側麵粗糙度參數值的優劣（liè），對粗糙度參數曲線（xiàn）進行處理分析，結果如表 5 所示．

表 5 粗糙度Ｒa參數值分析

由表5 可以看出，方案（àn）二中的大（dà）螺（luó）距（jù）外螺紋的3個粗糙度指標（biāo）值的變動範圍、平均（jun1）值及標準差均相對較小，說明方案二中的大螺距外螺紋的螺紋麵粗糙（cāo）度（dù）值小，且沿（yán）整條螺紋麵分布（bù）較均勻，一致性好．

由上述兩工藝（yì）方案對（duì）比也可知，方案二的加工次數（shù）遠大於方案一，但加工效果好於方案一，因此，可說明設計目標中切削效率與其他目（mù）標有衝突，要想保證其他目標滿足（zú）要求，隻需（xū）給出合理的設計（jì）參（cān）數，在其他（tā）目標滿足技術（shù）要求並達到最高值時，再考慮（lǜ）並選擇（zé）出合（hé）理的切削效率

通過以上分析可知，由於設計變量的差異，加工同樣的大螺距外螺紋工件，其（qí）螺紋麵加工表麵形貌可能會有很大差別，這是（shì）由於工藝設計變量（liàng）的不同導致的（de）; 這種差（chà）別會導致在運動和力的傳動過程中出現偏差，不同的工（gōng）藝設計條件下，其加工表麵質量差異較大，且螺紋表麵一致（zhì）性與分布特性也會有較大的差異，因此，控製工藝（yì）設計變量，優化出（chū）適合大螺距（jù）螺（luó）紋切削（xuē）的工藝方案對高精度、高質量的大（dà）螺距螺紋加工至關重要．

5 、結論

( 1 ) 通過軸向分層切削大螺距外螺紋刀工接觸（chù）關係及切削層參數的研究（jiū），確定了刀具幾何角度、切削參數以（yǐ）及左右刃切削次數等 18 個參數為工（gōng）藝設計變量; 關鍵工藝設計變量分析結果表明，左右（yòu）切削刃設計前角均為 0°時，受右旋螺旋升角的影響，左刃為正前角（jiǎo）切削，右刃為負前（qián）角切削，且螺紋螺（luó）旋（xuán）升角對左右切削刃工作後角具有相反的影響（xiǎng）效果，左右切削刃采用相同工（gōng）藝設計變量切削大螺（luó）距外螺紋，其左右螺紋麵的形成過程明顯不同;

( 2 ) 以切削效率、左（zuǒ）右螺紋麵加工表麵一致性為設（shè）計目標，提出大螺距外螺紋軸向（xiàng）分層切削工（gōng）藝設計方法，該方法通（tōng）過調整（zhěng）刀具左右刃（rèn）後角、左右（yòu）螺紋麵加（jiā）工次數及（jí）單次切（qiē）削的加工餘量，在保障效率（lǜ）的條件下（xià），有效提高了螺紋的加（jiā）工質量;

( 3 ) 依據設（shè）計方法，設計並提出了兩種（zhǒng）不（bú）同的切削工藝方案，進行大螺距外螺紋軸向分層切削精加工切（qiē）削工藝對比實驗，確定了最終（zhōng）的工藝（yì）設計方案．該方案中左刃車（chē）削共進行了 16 次（cì），右刃車（chē）削共進行了 10 次，采用的刀具前角（jiǎo）為 0°，左刃後角為 8°52'，右刃後角為 5°58'; 實驗結果表明，采用該設計（jì）方法，可使大（dà）螺距螺紋在螺距誤差、表麵（miàn）粗糙度及其相應（yīng）分布方麵得到明顯改善，達到大螺（luó）距螺紋的加工要求，該方法可用於軸向分層車削大螺距螺紋精加工（gōng）的設計。

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