車削梯形螺紋切削用量的優(yōu)化設(shè)計

趙光霞　戴晨玉

摘要：根據(jù)切削用量的選擇原則，結(jié)合CAD/CAM軟件設(shè)計數(shù)控模型，對切削量進行控制和優(yōu)化。以加工30 °角的梯形螺紋為例，在合理選擇切削用量的基礎(chǔ)上，探討切削用量的優(yōu)化設(shè)計，為車削梯形螺紋切削用量的優(yōu)化提供借鑒。

關(guān)鍵詞：車削；梯形螺紋；優(yōu)化；切削用量；數(shù)控

中圖分類號：TG62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）01-0039-03

隨著數(shù)控機床的高速發(fā)展和數(shù)控系統(tǒng)的不斷完善，用數(shù)控車加工梯形螺紋成為一種常態(tài)。梯形螺紋作為最常用的傳動螺紋，應(yīng)合理設(shè)計加工工藝，確保切削的螺紋滿足設(shè)計需要。切削用量不僅影響數(shù)控機床的零件加工效率，而且直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)切削用量的選擇原則設(shè)定參數(shù)，結(jié)合CAD/CAM軟件設(shè)計數(shù)控模型，對切削量進行控制和優(yōu)化，才能加工出優(yōu)良的螺紋件。結(jié)合工作實際，以30°角的梯形螺紋為例，在合理選擇切削用量的基礎(chǔ)上，通過變量參數(shù)確定目標函數(shù)數(shù)控程序，實現(xiàn)車削梯形螺紋切削用量的優(yōu)化設(shè)計。

1 確定切削用量

1.1 切削深度

加工時需考慮粗加工和精加工不同階段的切削深度問題，粗加工要給精加工留下一定的加工余量。如果切削精度不高或者切削深度不大，可以考慮一次成型，這樣可以縮短加工時間和減少替換刀具消耗時間，提高加工效率。

1.2 切削寬度

在實際生產(chǎn)中，切削寬度與刀具直徑成正比，與切削深度成反比?？紤]成本因素，寬度一般設(shè)定為刀具直徑的0.6～0.9倍。

1.3 切削速度

切削速度主要取決于加工材料，切削不同材料時采用的速度不同。切削速度很大程度上決定零件的加工時間，在切削精度不高的情況下，可通過設(shè)定切削速度直接一次成型；如果精密切削，則需要設(shè)計切削速度，分步驟分層次切削。在切削過程中，應(yīng)根據(jù)實際需要調(diào)整切削量和切削速度。查詢《切削手冊》可知，切削速度可以通過計算得到：

Vc=■ （1）

式中：Vc為切削速度，m/min；dw為工件待加工表面直徑，mm；n為工件轉(zhuǎn)速，r/s。

1.4 主軸轉(zhuǎn)速

主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)由切削深度、切削寬度和切削速度確定。查詢《切削手冊》，確定機床主軸轉(zhuǎn)速可由公式得到：

ns=■ （2）

式中：ns為主軸轉(zhuǎn)速，r/s；Vc為切削速度，

m/min；dw為工件待加工表面直徑，mm。

2 設(shè)計變量

優(yōu)化設(shè)計的目的有：一次成型；快速實施切削；在合理選用切削量的同時，保證切削速度。

為達到良好的車削效率，應(yīng)適當減少走刀次數(shù)，爭取一次切削到參數(shù)要求的范圍內(nèi)。機器有一定的誤差，對零件的加工精度會有細微影響，所以應(yīng)著重降低粗切過程消耗的時間。為更快更好地實現(xiàn)這個功能，往往需要建立數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)整控制機床參數(shù)。目標函數(shù)的選取和參數(shù)的設(shè)定在很大程度上決定了切削的成敗。

3 目標函數(shù)

優(yōu)化目標應(yīng)與生產(chǎn)企業(yè)需要完成的技術(shù)經(jīng)濟指標一致。在機械制造行業(yè)中，生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟指標主要有質(zhì)量、成本、生產(chǎn)率等。在保證加工質(zhì)量的同時，盡可能降低加工成本和提高生產(chǎn)率。加工成本和生產(chǎn)率與切削用量密切相關(guān)。因此，以最小工藝成本為優(yōu)化準則，把加工成本和生產(chǎn)率作為切削用量優(yōu)化的目標函數(shù)。

4 切削量優(yōu)化實例

結(jié)合工作實際，以加工某臺階軸為例，進行車削梯形螺紋切削用量的優(yōu)化設(shè)計。此螺桿的參數(shù)通過查表計算獲得：d=φ24，d2=d-0.6495P=φ23.026。其他參數(shù)如圖1所示。

螺紋總背吃刀量ap=h=0.54P=0.81 mm。合理分配螺紋加工余量（一般粗車ap為0.10～0.50；精車ap為0.01～0.10），具體操作如表1所示。

螺紋主程序如下：

M3 S1000；

T0101；

M8；

G99；

G0 X45 Z2；

G92 X23.8 Z-22 F1.5；

X23.5；

X23.2；

X22.9；

X22.6；

X22.3；

X22.05；

G0 Z250；

M30；

子程序如下：

O0001；

#2 = #5001； （ 記錄當前 x 值）

#3 - #5002； （ 記錄當前 z 值）

IF[#2LE#24]

GOTO11； （ 如果定刀點 x 值小于公稱直徑則報警）

#4 = #24 - #9 /2； （ 計算螺紋中徑）

IF[#9GE2]

GOTO1；

#5 = 0. 15；

GOTO4；

N1 IF[#9GE6]

GOTO2；

#5 = 0. 25；

GOTO4；

N2 IF[#9GE14]

GOTO3；

#5 = 0. 5；

GOTO4；

N3 #5 = 1； （ 以上程序用來判斷牙頂間隙取值）

N4 #6 = #9 /2 + #5； （ 計算牙高）

#7 = #24 - 2* #6； （ 計算小徑）

#8 = #24； （ 記錄刀具 x 值）

N5 IF[[#8 - #21]LE#7]

GOTO9； （ 檢查是否到槽底）

#8 = #8 - #21； （ 進一層）

N6 #10 = TAN[15]* [#8 - #4]/2 + #9 /4 - #18； （ 計算當前 x值下的槽右側(cè) z 坐標，帶余量#18）

#11 = #10 - #1； （ 記錄刀具左刀尖 z 值）

#12 = - #10； （ 記錄當前 x 值下的槽左側(cè) z 坐標，帶余量#18）

N7 G0X[#2]z[#3 + #11]； （ 快速定刀）

G92X[#8]z[#26]F[#9]； （ 切螺紋）

IF[#11EQ#12]

GOTO5； （ 如果切到左側(cè)邊緣則進行下一層切削）

IF[[#11 - #23]LE#12]

GOTO8； （ 如果 z 向平移后超出邊緣則按槽左邊緣切削）

#11 = #11 - #23； （ 平移一個設(shè)定的 z 值）

GOTO7；

N8 #11 = #12；

GOTO7；

N9 IF[#8EQ#7]

GOTO10； （ 相等則進行精加工兩側(cè)）

#8 = #7； （ 當不夠一刀切且不相等，賦值為相等進行最后一層切削）

GOTO6；

N10 G00X[#2]Z[#3 + #10 - #1 + #18]； （ 移到槽左側(cè)）

G92X[#8]Z[#26]F[#9]；

G00X[#2]Z[#3 + #12 - #18]； （ 移到槽右側(cè)）

G92X[#8]Z[#26]F[#9]；

G00X[#2]Z#3]； （ 移動至定刀點）

M99；

N11 #3000 = 1（ TOOL IN WRONG POSITION）

5 結(jié)語

切削用量優(yōu)化是復(fù)雜的非線性規(guī)劃問題。隨著數(shù)控機床在生產(chǎn)實際中的廣泛應(yīng)用，數(shù)控編程成為數(shù)控加工中的關(guān)鍵問題之一。通過控制切削用量，使刀具切削受力均勻、排屑流暢，不易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，且刀具磨損較小。提高對機床認識，通過調(diào)整目標函數(shù)參數(shù)加工各種機械零件，充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)勢，對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)水平具有重要意義。

參考文獻

[1] 葛建華，霍義丹.梯形螺紋成組絲錐的設(shè)計及制造[J].金屬加工（冷加工），2016（22）：54-56.

[2] 車曉紅，葛文軍.淺析梯形螺紋加工[J].裝備制造技術(shù)，2013（11）：137-139.

[3] 楊雪玲，李曉靜.金屬切削原理與刀具[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[4] 李聰波，崔龍國，劉飛，李麗.面向高效低碳的數(shù)控加工參數(shù)多目標優(yōu)化模型[J].機械工程學(xué)報，2013，49（9）：87-96.