車削大螺距螺紋工藝可靠性評判方法

姜彬　王森　李哲　張為　吳培軍

摘要：大螺距螺桿左右螺紋面加工誤差沿軸向的分布對壓力機(jī)滑塊的定位與重復(fù)定位精度有重要影響，車削螺紋工藝應(yīng)具有高可靠性。已有的利用誤差最大值評判加工精度的方法，忽略了加工誤差沿軸向的分布特性，無法揭示工藝的可靠性。為此，采用相同工藝方案，進(jìn)行兩次車削螺距16mm外螺紋試驗(yàn)，構(gòu)建中徑誤差和左右螺紋面的大小徑、牙型半角、螺距誤差分布行為序列，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，利用加工誤差分布行為序列的相似性評判大螺距外螺紋工藝可靠性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用該方法可有效識別和評判車削大螺距螺紋工藝可靠性。

關(guān)鍵詞：大螺距;外螺紋;加工誤差;灰色關(guān)聯(lián);工藝可靠性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.001

中圖分類號： TG714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）01-0001-07

Process Reliability Evaluation Method?of Turning Large Pitch External Thread

JIANG Bin?1，WANG Sen?1，LI Zhe?1，ZHANG Wei?1，WU Pei?jun?2

（1.Key Lab of National and Local United Engineering for High?Efficiency Cutting and Tools，

Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Qiqihar No.2 Machine Tool （Group） Co.， Ltd. Qiqihar 161000， China）

Abstract：There is a great influence of machining error distribution of large pitch screws left and right thread surface along the axial direction on positioning and repeat positioning accuracy of press slide?Thread cutting process should have high reliability?The method through judging the machining accuracy by maximum error ignores the distribution characteristics of the machining error along the axial direction and cannot reveal the reliability of the process?For all this， there are two tests of turning external thread with pitch 16mm conducted in the same process?Through the experiments， distributions of big diameter error， small diameter error，half of thread angle error，pitch and pitch diameter error of left and right thread surfaces are structured?The process reliability can be judged by the similarity between the machining error sequences through the grey correlation analysis method?Then verification of process reliability evaluation method is verified by experiment?Finally， the results show that the method is applicable to recognize and evaluate the stability， repeatability of thread surface machining error and consistence of left and right thread surface machining error

Keywords：large pitch; external thread; machining error; grey correlation; process reliability

0引言

多工位壓力機(jī)中通常有四個結(jié)構(gòu)尺寸相同的大螺距螺桿，依靠其螺旋傳動調(diào)整滑塊位置和間隙，左右螺紋面加工誤差沿軸向的分布特性對其定位與重復(fù)定位精度有重要影響[1-2]。在加工多個結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的大螺距外螺紋時(shí)，采用相同的加工工藝，但其螺紋面加工誤差沿軸向呈不同的分布特性，則工藝方案的可靠性低[3-4]。已有的利用誤差最大值評判加工精度的方法，忽視了加工誤差沿軸向的分布，無法揭示車削工藝可靠性，因此提出工藝可靠性評判方法。

工藝可靠性是指工藝在規(guī)定的期限和生產(chǎn)率下，保持加工質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)規(guī)定工藝過程的能力[5-7]。目前，在工藝可靠性研究方面，鄧超等[8]針對大型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工工況負(fù)載的實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)識別大型數(shù)控機(jī)床的動力學(xué)參數(shù)和切削力動態(tài)模型參數(shù)，建立數(shù)控機(jī)床加工過程動力學(xué)模型，并擬合加工精度進(jìn)行工藝可靠性評估。張根寶等[9]提出將產(chǎn)品的基本運(yùn)動功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解思想，并利用灰色預(yù)測理論建立裝配過程可靠性與關(guān)鍵可靠性控制點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系，以此評價(jià)和預(yù)測裝配過程可靠性?？锓业萚10]考慮制造過程中的質(zhì)量特性演化規(guī)律，提出基于Granger檢驗(yàn)及Cox回歸的工藝可靠性綜合評估方法.付桂翠等[11]提出了基于產(chǎn)品可靠性的工藝系統(tǒng)基本影響關(guān)系可靠性模型，研究了工藝系統(tǒng)可靠度和工序可靠度的定量計(jì)算方法。這些研究極大地推動工藝可靠性的發(fā)展，但從加工誤差沿軸向分布方面，對車削外螺紋工藝可靠性研究較少，有必要對此進(jìn)行研究。

本文根據(jù)軸向分層切削方式和大螺距外螺紋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定螺紋面幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及其加工誤差種類;采用一種工藝方案進(jìn)行兩組大螺距外螺紋車削實(shí)驗(yàn)，獲取螺紋面大徑、小徑、牙型半角、螺距和中徑誤差沿軸向的分布曲線，并建立上述加工誤差的行為序列，對螺紋面加工誤差沿軸向行為序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，定量表征螺紋面加工誤差的保持性、可重復(fù)性和左右螺紋面加工誤差的一致性，從而評價(jià)車削大螺距螺紋工藝方案的可靠性，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明工藝評判方法的有效性，為車削大螺距螺紋工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1螺紋面加工誤差沿軸向的分布特性

實(shí)驗(yàn)采用兩把結(jié)構(gòu)相同的可換刀頭彈簧式車

刀，在機(jī)床（CAX6140）上分別對兩個試件進(jìn)行軸向分層切削，試件材料均為35CrMo調(diào)質(zhì)處理，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù)為1，螺紋長度為160.mm，大徑為120.mm，小徑為104.mm，中徑為112.mm，螺距為16.mm，牙型半角為15°，牙槽寬為6?2.mm。

刀具材料為高速鋼（W18Cr4V），左刃前角、主偏角、刃傾角、后角分別為0°、76°2′、0°、8°50′，右刃前角、主偏角、刃傾角、后角分別為0°、106°14′、0°、6°15′。精加工采用相同的切削方案，進(jìn)給量均為16.mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為10.rpm，先右刃切削10次，而后采用左刃切削13次，軸向單次加工余量均為0?05.mm。

依據(jù)軸向分層車削的切削方式，將加工誤差分為中徑誤差，左螺紋面大徑、小徑、螺距和牙型半角誤差，右螺紋面大徑、小徑、螺距和牙型半角誤差。

通過三坐標(biāo)測量機(jī)提取中徑誤差特征點(diǎn)和左右螺紋面大小徑、牙型半角誤差特征點(diǎn)處的坐標(biāo)值，通過解算得到各特征點(diǎn)處的誤差值;采用萬能工具顯微鏡測量實(shí)際螺距值，通過解算得到左右螺紋面螺距誤差。

以螺紋各加工誤差值作為縱坐標(biāo)，誤差特征點(diǎn)繞螺紋軸線旋轉(zhuǎn)的角度作為橫坐標(biāo)，建立試件1和試件2螺紋面加工誤差沿軸向分布曲線，如下圖所示。

由圖1～圖3可知，試件1和試件2的螺紋面大徑誤差在?-0?017.9?～?0?017.4?mm范圍內(nèi)頻繁變動，螺紋面小徑誤差在?-0?018.7?～?0?018.8?mm范圍內(nèi)頻繁變動，螺紋面牙型半角誤差的波動范圍是?-0?52°～?0?53°，螺距誤差的波動范圍是-0?012～0?013.mm，中徑誤差的波動范圍是?-0?018.8?～?0?017.9?mm;左右螺紋面大徑、小徑、牙型半角、螺距誤差和中徑誤差均滿足螺紋加工精度要求。但螺紋面加工誤差沿軸向分布頻繁變動，誤差分布的平穩(wěn)性較差;同側(cè)及左右螺紋面加工誤差沿軸向的分布具有較大差異性，該實(shí)驗(yàn)方案的可靠性有待揭示。

2車削大螺距螺紋工藝可靠性評判

大徑、小徑、螺距、牙型半角和中徑誤差是反映大螺距外螺紋螺紋面質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，利用上述誤差沿軸向的分布特性分析螺紋面加工誤差的保持性、可重復(fù)性和左右螺紋面加工誤差的一致性，便能夠評判工藝可靠性。

采用相同加工工藝加工?m（m>1）?個大螺距螺紋試件，建立其工藝可靠性評判方法，如圖4所示。

通過構(gòu)建各加工誤差分布行為序列，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，進(jìn)行加工誤差分布行為序列的相似性評判。以加工誤差沿軸向分布序列與其誤差絕對值的最小值的等值序列的絕對關(guān)聯(lián)度，表征螺紋面加工誤差的保持性;在同側(cè)螺紋面加工誤差行為序列中，以螺紋面加工誤差保持性最高的序列與其它誤差序列的絕對關(guān)聯(lián)度，表征同側(cè)螺紋面加工誤差的可重復(fù)性;利用左右螺紋面加工誤差行為序列的絕對關(guān)聯(lián)度，表征左右螺紋面加工誤差的一致性，進(jìn)而評判工藝可靠性。

3螺紋面加工誤差的保持性評判

車削螺紋過程中，伴隨著刀具磨損和振動等因素的變化，螺紋面加工誤差沿軸向不斷變化。以試件1左螺紋面大徑誤差為例，如圖1（a）所示，左螺紋面大徑誤差在?-0?016.5?～?0?017.4?mm范圍內(nèi)頻繁變動。因此，以其誤差沿軸向分布曲線與該誤差絕對值最小值的等值曲線的形狀相似程度，定量表征左螺紋面大徑誤差沿軸向分布的保持性，形狀相似度越高，螺紋面加工誤差的保持性越高。

以試件1左螺紋面大徑誤差為例，以左螺紋面大徑誤差繞螺紋軸線的實(shí)際檢測值建立比較序列如下：

X?1=（a?1，a?2，…，a?p?）（1）

以左螺紋面大徑誤差絕對值的最小值a??min?建立等值參考序列如下：

Y?1=（a?（1）?min?，a?（2）?min?，…，a?（?p?）?min?）（2）

式中：a?（1）?min?=a?（2）?min?=…=a?（?p?）?min?;p為沿工件軸向誤差測量點(diǎn)的個數(shù);a?p為左螺紋面大徑誤差沿軸向的第p個加工誤差值。

依據(jù)灰色絕對關(guān)聯(lián)度分析法[12]，以序列X?1與Y?1的絕對關(guān)聯(lián)度值ε?11?，定量表征左螺紋面大徑誤差沿軸向分布曲線與其誤差絕對值最小值等值分布曲線的幾何形狀相似程度。絕對關(guān)聯(lián)度值越接近于1，形狀相似度越高，螺紋面加工誤差的保持性越高。

同理，采用灰色絕對關(guān)聯(lián)分析法解算m個大螺距螺紋的螺紋面加工誤差行為序列與其誤差絕對值最小值等值參考序列的絕對關(guān)聯(lián)度，并構(gòu)建關(guān)聯(lián)度值的集合Sε1?，?關(guān)聯(lián)度值越接近于1，則說明螺紋面加工誤差的保持性越高。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得螺紋加工誤差沿軸向的分布曲線，采用上述方法，求解試件1和試件2螺紋面加工誤差的絕對關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度解算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，試件1和試件2的螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值范圍分別為?0?508.4?～?0?557.3?和?0?661.7?～?0?730.6，?雖然試件2的單側(cè)螺紋面加工誤差關(guān)聯(lián)度值均高于試件1，試件2大螺距外螺紋的螺紋面加工誤差的保持性較試件1高，但試件1和試件2單個螺紋面加工誤差的保持性均低，其螺紋面加工誤差的保持性有待提高。

4螺紋面加工誤差的可重復(fù)性評判

采用相同車削工藝軸向分層車削多個大螺距外螺紋時(shí)，其同側(cè)螺紋面加工誤差沿軸向分布應(yīng)具有高相似性。以試件1和試件2左螺紋面大徑誤差為例，如圖5所示。

由圖5可知，試件1和試件2的左螺紋面大徑誤差均在?-0?016.5?～?0?017.4?mm范圍內(nèi)頻繁變動，但兩條誤差分布曲線呈不同的分布特性。為此，比較其曲線形狀，來評判分布特性的相似性，相似度越高，則螺紋面加工誤差的可重復(fù)性越高。

以試件1和試件2的左螺紋面大徑誤差為例，選擇試件1和試件2左螺紋面大徑誤差沿軸向分布保持性最高的曲線，并以其作為參考序列，以其它曲線作為比較序列，解算絕對關(guān)聯(lián)度。

同理，當(dāng)采用相同車削工藝加工?m個螺紋時(shí)，依據(jù)上述方法，構(gòu)建m個螺紋的關(guān)聯(lián)度值的集合S?ε2?，若關(guān)聯(lián)度值越接近于1，則說明同側(cè)螺紋面加工誤差沿軸向分布相似性越高，螺紋面加工誤差的可重復(fù)性越高。

依據(jù)上述方法，求解試件1和試件2同側(cè)螺紋面加工誤差沿軸向分布行為序列的絕對關(guān)聯(lián)度值，絕對關(guān)聯(lián)度解算結(jié)果如下表所示。

由表2可知，左螺紋面加工誤差序列與右螺紋面加工誤差序列的絕對關(guān)聯(lián)度值各不相同，其絕對關(guān)聯(lián)度值范圍為?0?608.8?～?0?705.8，?說明同側(cè)螺紋面加工誤差沿軸向分布曲線形狀相似性低，左螺紋面加工誤差可重復(fù)性和右螺紋面加工誤差可重復(fù)性均有待提高。

5左右螺紋面加工誤差的一致性評判

車削螺紋時(shí)，由于刀具左右刃結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削參數(shù)等因素的不同，左右螺紋面加工誤差沿軸向呈不同分布特性。以試件1左右螺紋面大徑誤差為例，如圖1（a）所示，其左右螺紋面大徑誤差的波動范圍雖然都是?-0?017.9?～?0?017.4?mm，但其誤差沿軸向的分布曲線呈現(xiàn)不同的分布特性。

左右螺紋面加工誤差的一致性是指，左右螺紋面加工誤差沿軸向分布的相似性，相似性越高，則左右螺紋面加工誤差的一致性越高。

以試件1左右螺紋面大徑誤差為例，選擇左右螺紋面中大徑誤差沿軸向分布保持性最高的序列作為參考序列，與其他序列解算關(guān)聯(lián)度。

當(dāng)采用相同車削工藝加工?m個螺紋時(shí)，依據(jù)上述方法，構(gòu)建m個螺紋的關(guān)聯(lián)度值集合S?ε3?，若關(guān)聯(lián)度值越接近于1，則說明左右螺紋面加工誤差沿軸向分布相似性越高，左右螺紋面加工誤差沿軸向分布的一致性越高。

依據(jù)上述方法，求解試件1和試件2左右螺紋面加工誤差沿軸向分布行為序列的灰色絕對關(guān)聯(lián)度。絕對關(guān)聯(lián)度解算結(jié)果若下表所示。

由表3可知，試件1與試件2左右螺紋面加工誤差序列的絕對關(guān)聯(lián)度值范圍分別為?0?519.0?～?0?736.0?和?0?631.2?～?0?655.0，?左右螺紋面加工誤差沿軸向分布曲線的形狀相似度低，左右螺紋面加工誤差的一致性低。

綜上所述，采用上述工藝方案獲得的大螺距外螺紋試件1和試件2，其螺紋面加工誤差均滿足加工精度要求，但其單個螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值在?0?508.4?～?0?730.6?之間，同側(cè)螺紋面加工誤差的絕對關(guān)聯(lián)度值在?0?608.8?～?0?705.8?之間，左右螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值在?0?519.0?～?0?736.0?之間，該工藝方案不滿足工藝可靠性要求。

6工藝可靠性評判方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以上述1所述實(shí)驗(yàn)方案為工藝方案1，在工藝方案1的基礎(chǔ)上改變試件材料、刀具主偏角、后角和切削次數(shù)獲得工藝方案2。其中，試件材料為45#鋼，刀具左刃主偏角為73°46′，后角為5°50′;右刃主偏角為105°;刀具的切削次序?yàn)椋河胰星邢?5次，左刃切削21次。采用與工藝方案1相同的加工誤差特征點(diǎn)選取方法和解算方法，獲得螺紋面加工誤差沿軸向的分布曲線如圖6和圖7所示。

由圖6～圖8可知，試件3和試件4的左右螺紋面大徑、小徑、牙型半角、螺距誤差和中徑誤差均滿足螺紋加工精度要求。將圖6、圖7的螺紋面加工誤差分布曲線與圖2、圖3對比可知，改變工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序，螺紋面加工誤差沿軸向分布特性發(fā)生改變。

采用上述工藝可靠性評判方法對工藝方案2進(jìn)行評判。螺紋面加工誤差關(guān)聯(lián)度值如下所示。

由表4、表5和6可知，工藝方案2得到的大螺距螺紋的單側(cè)螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值范圍為?0?783.2?～?0?876.6，?同側(cè)螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值范圍為?0?757.8?～?0?888.9，?左右螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值均范圍是?0?759.6?～?0?904.3。?對比方案1的螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值均明顯提高，說明工藝方案2的工藝可靠性明顯提高。

由表4可知，試件3與試件4的左螺紋面牙型半角誤差的絕對關(guān)聯(lián)度值為?0?783.2?和?0?799.6，?試件3的右螺紋面小徑誤差的絕對關(guān)聯(lián)度值為?0?788.9，?其余絕對關(guān)聯(lián)度值均在?0?802.3?～?0?876.6?之間;由表5可知，左螺紋面小徑誤差、右螺紋面小徑誤差和左螺紋面螺距誤差的絕對關(guān)聯(lián)度值分別為?0?769.1、?0?757.8?和?0?791.6，?其余絕對關(guān)聯(lián)度值均在?0?840.9?～?0?888.9?之間。由表6可知，試件3的左右螺紋面小徑誤差、螺距誤差的絕對關(guān)聯(lián)度值分別為?0?788.4?和?0?759.6，?其它左右螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值均在?0?818.6?～?0?904.3?之間。工藝方案2的絕對關(guān)聯(lián)度值水平高，滿足工藝可靠性要求。

對比工藝方案1和工藝方案2的切削實(shí)驗(yàn)方案和加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度發(fā)現(xiàn)，改變工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序會引起加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度的變化，表明上述評判方法可有效識別大螺距螺紋工藝可靠性。

7結(jié)論

1）車削大螺距外螺紋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大螺距外螺紋左右螺紋面加工誤差均滿足加工精度要求;但螺紋面加工誤差沿軸向頻繁變動。中徑誤差和左右螺紋面大徑、小徑、牙型半角、螺距誤差沿軸向的分布呈不穩(wěn)定的狀態(tài)，同側(cè)及左右螺紋面加工誤差沿軸向分布存在明顯的差異。

2）提出一種工藝可靠性評判方法。該方法利用螺紋面加工誤差沿軸向的分布特性，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，定量表征單螺紋面加工誤差沿軸向分布的保持性、多螺紋面加工誤差沿軸向分布的可重復(fù)性和左右螺紋面加工誤差沿軸向分布的一致性。

3）工藝可靠性評判結(jié)果表明，改變工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序，可有效提高螺紋面加工誤差絕對關(guān)聯(lián)度值，該評判方法可有效識別和評判大螺距螺紋工藝可靠性。

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