多頭大導(dǎo)程矩形螺紋數(shù)控加工研究

余松林，黃勇，馬生俊, 王宏

(新疆工程學(xué)院 a. 工程技能實(shí)訓(xùn)學(xué)院； b. 機(jī)電工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830023)

0 引言

矩形螺紋作為傳動(dòng)效率最高的螺紋，廣泛地應(yīng)用于機(jī)械工程、煤炭煤化工、礦山機(jī)械等領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。但矩形螺紋具有制造困難、加工精度差、加工效率低、螺旋副磨損后的間隙難以補(bǔ)償或修復(fù)等問(wèn)題。特別是多頭大導(dǎo)程矩形螺紋，可以使機(jī)械傳動(dòng)效率成倍的增加，但是在加工過(guò)程中存在刀具磨損極快，刀具振動(dòng)嚴(yán)重和扎刀等現(xiàn)象，大大地降低了刀具的使用壽命，嚴(yán)重地影響零件加工精度和加工效率[1]。滕淑珍等人研究了影響大螺距多頭梯形螺紋數(shù)控車削的主要因素,采用單因素試驗(yàn),分析切削參數(shù)對(duì)切削力與振動(dòng)的影響規(guī)律和特點(diǎn)[2]；彭熙熙等人對(duì)蝸桿和大導(dǎo)程螺紋切削工藝進(jìn)行了改進(jìn)型研究[3]；李軍委對(duì)車削大螺距螺紋刀具振動(dòng)磨損進(jìn)行了深入研究[4]。

本文對(duì)多頭矩形螺紋進(jìn)行切削受力分析，建立特定的刀具模型，采用橫線進(jìn)刀線性遞減、縱向刀具軌跡偏移的方式完成刀具切削路徑規(guī)劃，并通過(guò)數(shù)控加工的實(shí)現(xiàn)和零件加工質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)證其可行性，大大地提高了零件加工精度和加工效率，降低了刀具的切削受力，延長(zhǎng)了刀具的使用壽命，為類似該幾何特征零件加工提供參考。

1 大導(dǎo)程矩形螺紋加工刀具模型建立

多頭大導(dǎo)程矩形螺紋常見的加工方法主要有普通車削、數(shù)控車削和四軸加工中心銑削。普通車床加工精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；四軸加工中心雖然能夠保證零件的加工精度，但是加工效率低且成本高。因此數(shù)控車削加工的方式被廣泛應(yīng)用，但在數(shù)控車削過(guò)程中存在易斷刀和零件加工精度低等問(wèn)題，因此需要對(duì)大導(dǎo)程矩形螺紋進(jìn)行切削受力分析，建立刀具模型[5]。

車削過(guò)程中，刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)速度主要包括：軸向進(jìn)給速度Vf、主切削速度Vc和實(shí)際切削速度Vs。在小螺距車削和外圓車削過(guò)程中，軸向進(jìn)給速度Vf相對(duì)于主切削速度Vc極小，主切削速度Vc近似于實(shí)際切削速度Vs。所以主切削力Fc做功占機(jī)床所做總功的95%以上，進(jìn)給力Ff做功僅占機(jī)床所做總功的1%～5%，理想狀態(tài)下Fp不做功，任何零件車削加工，都滿足如下公式[6]：

(1)

Vf=nP

(2)

式中：d為工件直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速；P為導(dǎo)程。

由式(2)可知，導(dǎo)程P越大，進(jìn)給速度Vf越大，進(jìn)給力Ff也明顯增加。在加工過(guò)程中極易增加刀具的抗力，導(dǎo)致切削過(guò)程中刀具出現(xiàn)劇烈震動(dòng)甚至斷裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工件的加工質(zhì)量和刀具使用壽命。

由圖1受力分析示意圖可知，因大導(dǎo)程矩形螺紋加工軸向進(jìn)給速度Vf對(duì)實(shí)際切削速度的影響很大，因此實(shí)際切削速度Vs應(yīng)該是主切削速度Vc和軸向進(jìn)給速度Vf的合成。從切削力角度考慮，刀具的實(shí)際切削力Fs則是進(jìn)給力Ff和主切削力Fc的合成。

圖1 車削刀具受力分析示意圖

在矩形螺紋車削過(guò)程中，由于螺旋升角的影響，如果采用傳統(tǒng)切槽刀具水平安裝，則靜態(tài)后角α0和副后角α′0小于理想工作后角β，導(dǎo)致刀具主后刀面與矩形槽發(fā)生干涉，或因靜態(tài)后角α0過(guò)大刀具強(qiáng)度不夠，切削力過(guò)大導(dǎo)致刀具斷裂。

綜合以上分析可知，由于矩形螺紋大導(dǎo)程和螺旋升角的影響，若采用傳統(tǒng)切槽刀具加工，刀具后角極易與矩形槽發(fā)生干涉。如果刀具的后角過(guò)大，刀具強(qiáng)度較低，呈負(fù)前角的刀具產(chǎn)生過(guò)大的切削力容易造成刀具斷裂。因此傳統(tǒng)的切槽刀具不能滿足大導(dǎo)程矩形螺紋的加工要求，需要根據(jù)加工螺紋的基本參數(shù)對(duì)刀具參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。令螺紋的螺旋升角為γ，刀具的靜態(tài)基面與實(shí)際工作基面夾角為γ，刀具刃傾角λ與刀具的靜態(tài)基面與實(shí)際工作基面夾角γ相等時(shí)，可以有效避免刀具后角與矩形槽發(fā)生干涉和降低切削抗力。大導(dǎo)程矩形螺紋加工的刀具模型如圖2所示，其中Kr為主偏角，K′0為副主偏角，γ0為前角，α0為后角，α′0為副后角，λ為刃傾角。

圖2 刀具模型示意圖

2 多頭大導(dǎo)程矩形刀具路徑規(guī)劃

刀具切削路徑規(guī)劃是影響零件加工質(zhì)量和加工效率的主要因素。多頭大導(dǎo)程矩形螺紋具有螺紋頭數(shù)多、導(dǎo)程大和矩形槽深等特點(diǎn)。為了優(yōu)化數(shù)控加工程序，避免多次定義螺紋起始點(diǎn)角度偏移量，刀具路徑規(guī)劃宜逐頭對(duì)大導(dǎo)程矩形螺紋進(jìn)行加工。由于螺旋槽不僅深而且寬，無(wú)法采用刀具直接成型，需要將刀具所走的螺紋輪廓分別沿縱橫兩個(gè)方向多次偏移才能完成螺紋加工。為了減小切削抗力，避免排屑不暢，橫向吃刀深度應(yīng)線性遞減[7-9]。

f(n)=f(n1)+(n-1)d

式中：f(n)為第n次背吃刀量；f(n1)為第1次背吃刀量；d為進(jìn)刀線性遞減量。

令縱向刀具切削總深度為

其中：n為第n次縱向偏移完成零件加工；x為第x次切削。

由于矩形紋導(dǎo)程大，背吃刀量過(guò)大，刀具加工過(guò)程因切削受力過(guò)大極易導(dǎo)致刀具折斷或加工表面出現(xiàn)振紋。以大徑為40mm、導(dǎo)程為48mm、截面矩形槽尺寸長(zhǎng)寬均為6mm的矩形螺紋為例，進(jìn)刀線性遞減量d是決定矩形螺紋加工質(zhì)量和加工效率的核心要素之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得d為0.05mm，最大背吃刀量為0.12mm較為合理，即d=0.05mm，f(n1)=0.12mm。由以上分析可得

S(n)=nf(n1)+n(n-1)d/2=6，

則：n1=13.708，n2=-16.169 1。

由于刀具軌跡縱向偏移次數(shù)n為正整數(shù)，因此需要對(duì)n進(jìn)行修正得n=14，將n代入上式反求得d=0.047。

刀具軌跡縱向偏移決定矩形螺紋的寬度尺寸，令矩形槽寬度為d，刀具寬度w，縱向偏移量為Δx，可得

則刀具軌跡縱向偏移次數(shù)為

多頭大導(dǎo)程矩形螺紋的幾何特征就是單頭大導(dǎo)程矩形螺紋幾何特征沿軸線的圓周整列。單頭大導(dǎo)程矩形螺紋路徑規(guī)劃如圖3所示，多頭大導(dǎo)程矩形螺紋路徑僅需要多對(duì)單頭大導(dǎo)程矩形螺紋路徑繞軸線變換，為了避免矩形槽內(nèi)留有接刀痕，刀具軌跡縱向偏移時(shí)Δx應(yīng)小于刀具寬度w。

圖3 單頭矩形螺紋加工刀具路徑規(guī)劃示意圖

3 多頭大導(dǎo)程矩形螺紋數(shù)控加工的實(shí)現(xiàn)

3.1 加工刀具

參考建立的大導(dǎo)程矩形螺紋加工刀具模型，如批量生產(chǎn)可在刀具廠家定制專用刀具，單件或小批量生產(chǎn)可以采用白鋼條在線切割上按照刀具模型的幾何角度進(jìn)行切割，再采用精鋼砂輪對(duì)刀具幾何角度進(jìn)行修磨。 圖4是白鋼條制作的加工導(dǎo)程48mm的矩形螺紋刀具，其中Kr=3°，K′0=0°,α0=7°，α′0=5°，λ=52.4°，刀具寬度為4mm[10-11]。

圖4 刀具實(shí)物圖

3.2 零件加工關(guān)鍵程序分析

針對(duì)以上規(guī)劃的刀具路徑采用數(shù)控系統(tǒng)自帶的循環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多頭大導(dǎo)程矩形螺紋加工，需要通過(guò)增量編程或G91相對(duì)編程參考刀具路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型編寫子程序輪廓，通過(guò)IF條件語(yǔ)句或WHILE多次循環(huán)調(diào)用才能實(shí)現(xiàn)多頭大導(dǎo)程矩形螺紋數(shù)控加工，且進(jìn)刀和退刀安全距離的設(shè)置一定要大于矩形槽寬[12-13]。

本文以大徑D=40mm,導(dǎo)程P=48mm，截面矩形槽尺寸長(zhǎng)和寬均為6mm，螺紋頭數(shù)N=6，長(zhǎng)度為400mm，加工材料為304不銹鋼的矩形螺紋加工為例，參考規(guī)劃的刀具切削路徑，通過(guò)相對(duì)編程多次調(diào)用子程序和變量控制的方式建立循環(huán)，加工程序如下：

主程序： 子程序：

M3S20 %200

T0101M08 G91G32Z-406P[#50]F48

G0X40Z10 G0X30

#50=0 G0Z404

WHILE [#50] LE [300] G0X-30

#1=1 M99

WHILE [#1] LE [14]

#2=#1*0.12+#1*[#1-1]*0.05

G90G0X[40-#2]*0.05]Z5

M98P200L2

G90G0X60

G0Z10

#1=#1+1

ENDW

#50=#50+60

ENDW

G90G0X100

G0Z100

M30

3.3 零件加工過(guò)程及質(zhì)量檢測(cè)

由于加工零件細(xì)長(zhǎng)，為了保證零件的加工過(guò)程安全可靠，需要采用圖5所示的一夾一頂?shù)难b夾工藝；為了保證退刀安全需要加工退刀槽。切削過(guò)程中避免刀具與工件、卡盤和頂尖發(fā)生干涉，并保證加工刀具充分冷卻，加工零件如圖6所示[14]。

圖5 六頭矩形螺紋加工圖

圖6 六頭矩形螺紋實(shí)物圖

對(duì)加工零件去毛刺后，采用千分尺和深度尺對(duì)六頭矩形螺紋按螺紋起始點(diǎn)偏移角度的先后分別對(duì)A區(qū)域、B區(qū)域和C區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，令A(yù)區(qū)域、B區(qū)域、C區(qū)域槽深分別為Ha、Hb和Hc，寬度分別Wa、Wb和Wc，螺紋起點(diǎn)偏移角度為SP,測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。從表1測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，隨著加工螺紋起點(diǎn)偏移角度的不斷增加，矩形槽寬和槽深尺寸呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，是由于加工過(guò)程中刀具逐漸磨損所致；B區(qū)域的槽深略低于A區(qū)域和C區(qū)域，是因?yàn)锽區(qū)域切削剛性差，加工過(guò)程中可能出現(xiàn)讓刀所致；B區(qū)域槽寬略大于A區(qū)域和C區(qū)域槽寬，是因?yàn)锽區(qū)域切削剛性差，刀具發(fā)生相對(duì)較強(qiáng)震動(dòng)所致,但總體來(lái)講加工零件尺寸精度較高，能夠滿足一般使用場(chǎng)所的精度要求。

表1 六頭矩形螺紋矩形截面尺寸

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大導(dǎo)程矩形螺紋切削受力分析，建立了刀具模型，為刀具的定制和刃磨提供了依據(jù)。采用縱向線性遞減進(jìn)刀，橫向疊加偏移的刀具路徑規(guī)劃進(jìn)一步減小刀具切削力，為大導(dǎo)程矩形螺紋的加工精度提供了保證。通過(guò)對(duì)單頭大導(dǎo)程矩形螺紋繞軸線變換的思路，實(shí)現(xiàn)了六頭大導(dǎo)程矩形螺紋的加工，為類似的大導(dǎo)程螺紋加工提供了參考。