車削大螺距螺紋刀具后刀面磨損寬度分布特性

徐彤,姜彬,李哲,趙嬌,何田田

(哈爾濱理工大學 高效切削及刀具國家地方聯(lián)合工程實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080) *

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車削大螺距螺紋刀具后刀面磨損寬度分布特性

徐彤,姜彬,李哲,趙嬌,何田田

(哈爾濱理工大學 高效切削及刀具國家地方聯(lián)合工程實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)*

采用低速、大切深、高進給工藝方案車削大螺距螺紋時，刀具左右后刀面存在明顯不均勻磨損，直接影響左右螺紋面的加工質(zhì)量一致性和加工效率．已有的刀具后刀面磨損寬度測量方法僅反映出后刀面磨損寬度隨切削行程變化的平均性質(zhì)，無法揭示后刀面磨損寬度的分布特性．為此，設計和制磨出一把用于車削螺距16 mm梯形外螺紋的刀具，采用等參數(shù)軸向分層切削方法進行左右后刀面磨損實驗，分析刀具后刀面磨損特征，構(gòu)建刀具后刀面磨損寬度分布函數(shù)，揭示出后刀面磨損寬度分布特性．結(jié)果表明:左右后刀面磨損寬度在切削刃長度和切削行程兩個方向上均呈現(xiàn)不同的分布特性，且左后刀面磨損明顯大于右后刀面磨損，上述方法可用于定量描述車削大螺距螺紋刀具后刀面磨損狀態(tài)，評定不同切削行程條件下刀具左右后刀面磨損的差異性．

車削；大螺距螺紋；后刀面；磨損寬度；分布函數(shù)

0 引言

大螺距螺紋零件廣泛應用于大型壓力機、重型機床等制造裝備中，起著緊固、聯(lián)接、調(diào)節(jié)、傳遞動力等重要作用，是影響機床可靠性的重要部件[1-2]．采用低速、大切深、高進給工藝方案切削螺桿過程中[3-4]，刀具磨損問題突出，刀具使用壽命無法滿足長行程、大切深時高表面質(zhì)量的要求，嚴重制約車削大螺距螺紋加工效率，已成為車削大螺距螺紋加工中亟待解決關(guān)鍵問題．

已有的刀具壽命計算方法是通過刀具磨損實驗，采用切削刃平均磨損寬度、切削刃中段平均磨損寬度和切削刃中段最大磨損寬度評價方法[5-6]，反映刀具后刀面磨損寬度隨切削行程的增大而增大的特性[7-8]，再利用刀具磨鈍標準，計算刀具使用壽命[9]．切削刃平均磨損寬度評價方法無法得出刀具磨損最大值及其位置，因而無法判斷磨損最劇烈處對刀具壽命的影響是否顯著，容易造成刀具超期服役，破壞加工表面．切削刃中段平均磨損寬度評價方法同樣存在上述問題，且切削刃中間區(qū)段的范圍難以確定．同時，從刀具磨損對切削過程和加工質(zhì)量的影響作用看，影響大的或者危險區(qū)段并不是切削刃中間區(qū)段而是刀尖圓角處，這里的散熱條件差，刀刃強度弱，磨損速率快[10-11]．切削刃中段最大磨損寬度評價方法以刀具最大磨損寬度允許達到的最大值作為刀具的磨鈍標準，可能導致刀具在未達到最大使用壽命之前即被撤換，造成刀具的浪費．

車削大螺距螺紋過程中，參與切削的切削刃長度是一般外圓車刀切削刃長度的十幾倍甚至數(shù)十倍，車削大螺距螺紋時刀具切削刃上熱力載荷分布不均勻使得刀具后刀面磨損沿切削刃方向上的分布呈現(xiàn)多樣性，這種多樣性是影響刀具使用壽命的重要因素。而上述三種方法掩蓋了刀具磨損沿切削刃長度方向上的變化特性，僅反映出刀具磨損隨切削行程變化的平均性質(zhì)，僅適用于評定參與切削的切削刃長度較短的外圓車刀的使用壽命[12-13]，在評價大切削深度、長刃切削時刀具使用壽命上存在較大偏差，無法準確計算刀具使用壽命．為精確確定刀具壽命，需同時考慮刀具后刀面磨損寬度的多種分布特性，并采用最小二乘原理進行多元高次多項式擬合，構(gòu)建相應的后刀面磨損寬度分布模型[14-15].這樣得出的結(jié)果不僅計算精度較高，還能分析和發(fā)現(xiàn)測試的誤差，是較有效和常用的方法之一．

為此，本文在已有的刀具后刀面磨損寬度評價方法的基礎(chǔ)上，給出刀具后刀面磨損寬度測量方法及分布函數(shù)構(gòu)建方法，通過左右后刀面磨損實驗，提取相應的后刀面磨損寬度數(shù)據(jù)，構(gòu)建后刀面磨損寬度分布函數(shù)，揭示出刀具后刀面磨損寬度的分布特性[16-17].

1 車削螺距16 mm梯形外螺紋刀具

設計和磨制出一把用于車削螺距16mm梯形外螺紋的可換刀頭彈簧式車刀，其材料為高速鋼(W18Cr4V)，如圖1所示．上述刀具切削刃為左右對稱式結(jié)構(gòu)，并由頂刃與左右兩個切削刃連接，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖1 可換刀頭彈簧式車刀

圖2 刀具切削刃結(jié)構(gòu)圖

圖2中，Pre為基面，Pse0為頂切削刃切削平面，Pse1為左切削刃切削平面，Pse2為右切削刃切削平面，W0為頂切削刃刃長，θ為左右切削刃夾角，λs1為左切削刃刃傾角，λs2為右切削刃刃傾角，κr1為刀具左切削刃切削時主偏角，κr2為刀具右切削刃切削時主偏角，γ00為頂切削刃前角，γ01為左切削刃前角，γ02為右切削刃前角，α00為頂切削刃后角，α01為左切削刃后角，α02為右切削刃后角，εr1為左切削刃刀尖角，εr2為右切削刃刀尖角．ρ1為左切削刃刀口半徑，ρ2為右切削刃刀口半徑，r1為左切削刃刀尖圓弧半徑，r2為右切削刃刀尖圓弧半徑.

刀具左切削刃工作前角、工作后角與螺旋升角存在如下關(guān)系：

(1)

刀具右切削刃工作前角、工作后角與螺旋升角存在如下關(guān)系：

(2)

式中,γ0e1為左切削刃工作前角，α0e1為左切削刃工作后角，γ0e2為右切削刃工作前角，α0e2為右切削刃工作后角，φ為螺旋升角．

刀具左右切削刃主偏角與牙型半角存在如下關(guān)系：

(3)

采用左右切削刃軸向分層切削時，刀具切削刃結(jié)構(gòu)參數(shù)測量結(jié)果如表1所示；經(jīng)計算，本文車削的大螺距螺紋的螺旋升角為2° 5′，刀具工作角度換算結(jié)果如表2所示.

表1 刀具切削刃結(jié)構(gòu)參數(shù)及檢測結(jié)果

表2 刀具工作角度計算結(jié)果

該刀具可用于車削螺距16mm右旋梯形外螺紋，其幾何角度和幾何參數(shù)能夠使試件達到螺距16mm右旋梯形外螺紋的結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量要求，并使其左右切削刃可分別重復切削50次以上，以保證刀具滿足車削大螺距螺紋的長切削行程工藝要求．

2 左右后刀面磨損實驗設計

試件材料為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的35CrMo，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù)為1，螺紋長度為190 mm，大徑為148 mm，小徑為132 mm，中徑為140 mm，螺距為16 mm，牙型半角為15°，螺紋槽寬為6.22mm．左右后刀面磨損實驗后，螺紋槽寬為11.22 mm．

采用刀具左右切削刃軸向分層切削的切削方式，即利用刀具的左右切削刃分別形成左右螺紋面，并最終達到螺紋牙型工序尺寸及加工表面質(zhì)量要求．

具體的左右切削刃軸向分層切削方式以及相應的參數(shù)圖3所示.

圖3 軸向分層切削方式及其參數(shù)

圖3中，o-xyz為試件坐標系，n為工件轉(zhuǎn)速，vf為刀具軸向進給速度，d為大徑，d1為小徑，d2為中徑，P為螺距，H為試件牙高，ap為左右刃軸向分層切削時的徑向切削深度，Zli為左刃切削單次加工余量，Zrj為右刃切削單次加工余量，α/2為螺紋牙型半角．

利用CA6140車床和上文所述刀具車削右旋梯形外螺紋，其切削方案為：通過100次軸向分層切削完成左右后刀面磨損實驗；左側(cè)軸向去除余量為2.5 mm，右側(cè)軸向去除余量為2.5 mm；實驗中途停刀，采用超景深顯微鏡VHX-1000測量刀具磨損，每次測量完成后使用原刀具繼續(xù)切削，實驗共計測量10次磨損．具體實驗參數(shù)列于表3中.

表3 切削實驗方案

以大螺距螺紋的中徑為基準將螺紋面展開，整個螺紋面長5.226 m，即每軸向分層切削一次，單次切削行程為5.226 m．因此，每次測量磨損時左右切削刃對應的切削行程如表4所示．

表4 左右切削刃切削行程對比 m

3 刀具后刀面磨損特征表征方法

通過上述實驗，獲得刀具左右后刀面磨損圖如圖4、5所示．

(a)切削行程78.39 m (b)切削行程261.30 m

(a)切削行程78.39 m (b)切削行程261.30 m

以刀尖為原點，對圖4、5中的磨損帶進行特征提取，繪出刀具左右后刀面磨損帶，如圖6所示．

圖6中，O為刀尖，X為沿切削刃長度方向磨損位置距刀尖距離,mm，Z為刀具后刀面磨損寬度,μm，S為參與切削的切削刃的長度,mm；R1為切削行程78.39 m時刀具右后刀面磨損帶邊界；R2為切削行程261.30 m時刀具右后刀面磨損帶邊界；L1為切削行程78.39 m時刀具左后刀面磨損帶邊界；L2為切削行程261.30 m時刀具左后刀面磨損帶邊界．

由圖6可知，刀具左右后刀面磨損寬度分布沿切削刃長度方向呈現(xiàn)不均勻性，且不均勻性隨著切削行程的改變而改變；刀具左右后刀面磨損寬度極值點的數(shù)量和位置隨著切削行程變化；不同切削行程下，刀具左右后刀面磨損寬度最大值的位置不同；在同一切削行程下，刀具左后刀面和右后刀面磨損寬度在以上幾個方面表現(xiàn)出不同的分布特性.

(a)刀具右后刀面

(b)刀具左后刀面

已有的研究采用平均值和最大值描述磨損無法體現(xiàn)出磨損寬度的分布特性，因此，必須測量整條切削刃對應的刀具磨損，定量描述表達刀具后刀面磨損寬度分布特性。

由于車削大螺距螺紋時始終保持刀具徑向切深與試件螺紋槽深相一致，因此，不同切削行程下刀具左右后刀面磨損帶長度始終不變．首先，測量刀具左右后刀面磨損長度S；其次，以刀尖為原點，沿切削刃長度方向，將磨損帶平均分為k份，每隔距離S/k取一點，進行后刀面磨損寬度的測量，共計選取k個等間距的點．得出沿切削刃長度方向磨損位置不同點處，左右后刀面上磨損寬度隨切削行程的變化．

以測量刀具右后刀面磨損寬度為例，給出刀具右后刀面磨損測量方法如圖7所示，左后刀面測量方法同理．

圖7 右后刀面磨損寬度測量方法示意圖

圖7中，Y為切削行程(m)，Zy1～Zyk為在切削行程為Y時，k個測量點處刀具后刀面磨損寬度,μm．

由圖7可知，k值越大，獲得的磨損寬度分布曲線越逼近于真實狀態(tài)，考慮刀具后刀面磨損寬度沿切削刃長度和切削行程兩個方向上的變化特性，進行二元高次多項式擬合，得出刀具后刀面磨損寬度分布函數(shù)的表達式：

(4)

式中,M和N分別是在二元高次多項式擬合中出現(xiàn)的X和Y的最高次冪，U、V分別是X和Y的次冪，PUV為多項式中各項系數(shù)．

由式(4)可知，P00為擬合的誤差，PU0XU反映了后刀面磨損寬度隨切削刃長度方向磨損位置的改變而變化的特性，P0VYV反映了后刀面磨損寬度隨切削行程增大而變化的特性，PUVXUYV則反映了切削刃長度方向磨損位置和切削行程的改變對后刀面磨損寬度的共同影響．

4 左右后刀面磨損寬度分布函數(shù)

采用沿切削刃長度方向等間距測量法，獲得10次左右后刀面磨損實驗測量結(jié)果；結(jié)合實驗結(jié)果，采用最小二乘法準則，得到刀具左右后刀面磨損寬度變化圖，如圖8、9所示．

圖8 左后刀面磨損寬度變化

圖9 右后刀面磨損寬度變化

由圖8、9可知，刀具左切削刃前段磨損最為嚴重，中段其次，后段最輕；前段磨損明顯比后段嚴重.刀具右切削刃中段和后段磨損相對嚴重，前段最輕；沿切削刃長度方向個別點處磨損較為嚴重，明顯大于其他部位.

根據(jù)不同切削行程條件下測量的后刀面寬度數(shù)據(jù)，通過二元高次多項式擬合，構(gòu)建刀具后刀面磨損寬度分布函數(shù)：

P12XY2+P13XY3+P21X2Y+

(5)

同時，獲得回歸方程的系數(shù),如表5所示．

表5 回歸方程系數(shù)表

對比P10、P20、P30可知，左右后刀面磨損寬度沿切削刃長度方向的分布特性相同，對比P01～P04可知，左右后刀面磨損寬度隨切削行程的變化特性相同，但切削行程的增大對左后刀面磨損寬度的影響程度明顯大于右后刀面．

式(5)對X求偏導后得：

3P31X2Y+2P22XY2

(6)

由式(6)可知，刀具左右后刀面存在多個磨損寬度極值點，左右后刀面磨損寬度極值點和磨損最嚴重點的位置不同，且隨著切削行程的改變而改變．

式(5)對Y求偏導后得：

2P12XY+3P13XY2+2P22X2Y

(7)

由式(7)可知，刀具左右后刀面磨損速率不同且隨著切削行程的增大而改變；同一切削行程下，隨著磨損位置的改變，刀具磨損速率亦不同．

式(7)對X求偏導后得：

2P12Y+3P13Y2+4P22XY

(8)

由式(8)可知，同一切削行程下，左右后刀面存在多個磨損速率極值點且位置不同；隨著切削行程的改變，后刀面磨損速率的極值點的位置亦發(fā)生變化．

5 結(jié)論

(1)提出沿切削刃長度方向等間距測量法和后刀面磨損寬度分布函數(shù)構(gòu)建法，揭示出參與切削的切削刃長度范圍內(nèi)不同位置處后刀面磨損寬度隨切削行程的演變特性；該方法可用于定量描述車削大螺距螺紋刀具后刀面磨損狀態(tài)，評定不同切削行程條件下刀具左右后刀面磨損的差異性，為進一步揭示刀具后刀面磨損分布特性，精確計算刀具使用壽命和大螺距螺紋高效車削工藝方案設計提供了一種有效手段;

(2)實驗結(jié)果表明，刀具左后刀面沿切削刃長度方向各點處磨損寬度差值約為0～45 μm，后刀面磨損不均勻性顯著；沿切削刃長度方向上同一位置處，后刀面磨損速率隨著切削行程不斷改變；隨著切削行程的增大，沿切削刃長度方向磨損寬度差值先增大后減小再增大;

(3)刀具右后刀面沿切削刃長度方向各點處磨損寬度差值約為0～12 μm，存在后刀面磨損不均勻現(xiàn)象但不明顯；沿切削刃長度方向上同一位置處，后刀面磨損速率基本不隨切削行程改變；沿切削刃長度方向磨損寬度差值在初期磨損階段略微增大，之后基本不變;

(4)后刀面磨損寬度分布函數(shù)分析結(jié)果表明，左后刀面磨損比右后刀面磨損嚴重；左后刀面磨損不均勻性更顯著，磨損速率隨切削行程的變化更明顯；刀具左右后刀面在切削刃長度方向和切削行程兩個方向上呈現(xiàn)不同的分布特性.

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Distribution Characteristics of Wear Width on Rear Faces in Turning Large Pitch Thread

XU Tong, JIANG Bin, LI Zhe, ZHAO Jiao, HE Tiantian

(National & Local United Engineering Laboratory of High Efficiency Cutting and Tools, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

In turning large pitch thread, the features of process scheme are low speed, large cutting depth and feeding. There is obviously uneven wear on the left and right rear faces. It will directly affect the processing quality consistency and processing efficiency of left and right threaded surface. The existing methods of measuring wear width on rear face only reflect the average properties of wear width on rear face changing with cutting stroke, unable to reveal the distribution characteristics of wear width on rear face. To this end, a tool is designed and manufactured which can turn trapezoidal external thread which pitch is 16 mm. The experiment of wear on left and right rear faces is carried out by using isoparametric axial stratified cutting. The analyzing wear characteristics and constructing the distribution function of wear width on rear faces show that the wear widths of left and right rear faces exhibits different distribution characteristics in the length direction of cutting edge and cutting stroke direction, and the wear on left rear faces is more obvious. The above method can be used to describe quantitatively the wear condition of rear faces in turning large pitch thread, and evaluate the difference of wear between left and right rear faces under different cutting strokes.

turning; large pitch thread; rear face; wear width; distribution function

1673- 9590(2016)06- 0059- 07

2016-04-01

黑龍江省應用技術(shù)研究與開發(fā)計劃資助項目(GC13A404)

徐彤(1992-)，女，碩士研究生姜彬(1967-)，男，教授，博士，主要從事高速高效切削及刀具技術(shù)方面的研究

A

E- mail:13903611465@163.com.