大螺距多头梯形螺纹数控车削单因素影响研究

2020-05-08滕淑珍韦志钢宋良永王晓慧

机械工程师 2020年4期

滕淑珍，韦志钢，宋良永，王晓慧

（浙江工贸职业技术学院汽机学院，浙江温州325000）

0 引言

近年来，机械制造业不断飞速发展，数控加工具有准确度高、加工速度快、可靠性高的特点，不断取代传统加工方式，逐渐成为目前加工制造业的主流加工方式。但针对大螺距多头梯形螺纹的加工，受被加工工件本身的振动、切削力、刀具的磨损及车床本身的影响[1-3]，加工难度较大，成为如今企业生产大螺距多头梯形螺纹的瓶颈。

目前大螺距多头螺纹的主要在普通车床和数控车床上加工，普通车床的优点是齿轮传动力矩大、刚性好、大切深、快开粗，可变超低速精加工，用锋利的高速钢白钢刀挤压工件表面，达到较理想表面质量；其缺点是劳动强度大、对操作技巧要求高、尺寸与配合精度差、产品互换性差、设备的运行刚度和稳定性差、加工效率低。数控车床加工相比普通车床具有自动化程度高、劳动强度小、尺寸与装配精度高、互换性好和加工效率高的特点；其缺点是设备要求高、主轴电动机容易失力、切削参数掌控难和编程繁琐，一旦选择不合理就容易造成乱牙、扎刀和崩刀现象。因进给速度F值大，受线速度限制，无法实现高转速加工，硬质合金刀具加工表面质量差[4-8]。如何在经济型数控车床上加工出较理想的大导程螺纹是需要解决的实际问题。

在切削方式方面，高晓东[9]提出数控高速车削梯形螺纹的方法，指出数控车床上加工梯形螺纹有一定的技术难度，特别是在高速切削时难度更大，加工时不容易观察和控制，安全可靠性也较差。通过正确的刀具几何形状和加工工艺，分析了一种安全可靠的加工方法。郭洪志[10]提出利用数控车床车削螺纹，相对于普通卧式车床加工可大幅提高效率，但对于大螺纹多头梯形螺纹的数控高速车削有一定难度，应合理使用刀具及编程，防止出现扎刀、崩刀现象。卢万强[11]提出基于大螺距螺纹分层车削的参数编程研究，分析普通螺纹的进刀方式，提出采用参数编程实现分层车削大螺距螺纹的加工方法。并给出一个大螺纹多头梯形螺纹的参数化编程的应用实例，提出了一些解决大螺距螺纹加工难的办法。

1 单因素试验方案

单因素试验方案主要分为3个部分，即主轴转速n对切削力的影响、径向切深ae对切削力的影响、螺纹头数Z对切削力的影响。通过控制单个变量主轴转速n、径向切深ae、螺纹头数Z对切削力，保持其它变量不变，进行单因素试验。其试验过程切削参数如表1所示。

表1 切削参数

1.1 主轴转速n对切削力的影响试验方案

主轴转速n对切削力的影响试验过程中，设备正常运行，保证装夹的一致性，按照试验条件给定的运行参数，保证径向切深ae、螺纹头数Z不变，控制主轴转速变化，进行有载切削振动试验。其实验参数选取如表2所示。

表2 实验参数选取表

1.2 径向切深a对切削力的影响试验方案

径向切深ae对切削力的影响试验过程中，设备正常运行，保证装夹的一致性，按照试验条件给定的运行参数，保证主轴转速、螺纹头数Z不变，控制径向切深ae变化，进行有载切削振动试验。其实验参数选取如表3所示。

表3 实验参数选取表

1.3 螺纹头数Z对切削力的影响试验方案

螺纹头数Z对切削力的影响试验过程中，设备正常运行，保证装夹的一致性，按照试验条件给定的运行参数，保证主轴转速n、径向切深ae不变，控制螺纹头数Z变化，进行有载切削振动试验。其实验参数选取如表4所示。

表4 实验参数选取表

1.4 精修余量对切削力和表面质量的影响试验方案

精修量对切削力和表面质量试验过程中，设备正常运行，保证装夹的一致性，按照试验条件给定的运行参数，保证主轴转速n、径向切深ae，开粗状况一致，头数不变，进行有载切削振动试验。其实验参数选取如表5所示。

2 单因素试验结果

2.1 主轴转速n对切削力的影响试验结果

通过保证径向切深ae、螺纹头数Z不变，控制主轴转速变化，进行3组负载切削振动试验。经过标准差值计算结果如表6所示，最终求得其实验切削力与振动结果如表7所示，S190-F48-Y轴切削振动如图1所示。

表5 实验参数选取表

表6 3组数据标准偏差σ计算结果

表7 实验切削力与振动结果

2.2 径向切深ae对切削力的影响试验结果

通过保证主轴转速n、螺纹头数Z不变，控制径向切深ae变化，进行3组有载切削振动试验。经过标准差值计算结果如表8所示，最终求得实验切削力与振动结果如表9所示。

2.3 螺纹头数Z对切削力的影响试验结果

图1 S190-F48-Y轴振幅图

表8 3组数据标准偏差σ计算结果

表9 实验切削力与振动结果

通过保证主轴转速n、径向切深ae不变，控制螺纹头数Z变化，进行3组有载切削振动试验。经过标准差值计算结果如表10所示，最终求得实验切削力与振动结果如表11所示。

表10 3组数据标准偏差σ计算结果

表11 实验切削力与振动结果

2.4 精修余量对切削力和表面质量影响试验结果

通过保证主轴转速n、径向切深ae不变，开粗状况一致，头数Z不变，进行3组有载切削振动试验。经过标准差值计算结果如表12所示，最终求得实验切削力结果如表13所示。

表12 三组数据标准偏差σ计算结果

表13 实验切削力结果

3 试验结果分析

根据表7实验切削力结果，绘制主轴转速n对切削力的影响曲线如图2所示。

根据图2主轴转速n对切削力的影响分析，当主轴转速为60～220 r/min所有机床可切削转速时，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力都没有明显变化。

由于经济型机床通常采用变频电动机，在切削力大的时候，在低速时容易失力，自动降转速，螺距不准，还容易扎刀、撞刀。在高转速比如200 r/min的时候，由于导程大（F=48 mm/r），实际F值达9.8 m/min ，超过线速度时，机床会报警，如图 3 所示。同时对Z向丝杆、轴承、溜板、导轨磨损非常大，严重影响机床寿命，结合振动振幅图谱（图1）所以正交试验我们选取100 r/min、140 r/min、180 r/min，这样较有实用性。

图2 主轴转速n对切削力的影响

图3 机床超线速度报警

根据表11实验切削力结果，绘制径向切深ae对切削力的影响曲线如图4所示。

图4 径向切深ae对切削力的影响

根据图4径向切深ae对切削力的影响分析，当径向切深ae为6时，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力最高，当径向切深ae继续减小，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力不断降低，Fy、F合方向尤为明显。结合生产效率、切削力均衡考虑，我们正交试验选择3、4、5 mm首层切深。

根据表12实验切削力结果，绘制螺纹头数Z对切削力的影响曲线如图5所示。

图5 螺纹头数Z对切削力的影响

根据图5螺纹头数Z对切削力的影响分析，当螺纹头数Z为4时，Fx方向所需要的切削力最低，当螺纹头数Z增多时，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明显升高，Fy、F合方向尤为明显。由于机床受限，头数多少直接影响加工速度，实际生产中也很少能碰到大于8头的多头螺纹，所以本次试验选取4、6、8头参与正交试验。

根据表13实验切削力结果，绘制精修量对切削力的影响曲线如图6所示。