摘 要:提出車(chē)削大螺距螺紋軸向分層切削方法，通過(guò)刀工接觸關(guān)系及切削層參數(shù)的研究，揭示出關(guān)鍵工藝控制變量，并討論螺紋螺旋升角對(duì)左右切削刃工作前角和后角的影響，以及切削次序?qū)η邢餍实挠绊? 以切削效率、左右螺紋面加工表面一致性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以刀具幾何角度、切削參數(shù)及切削次序?yàn)樵O(shè)計(jì)變量，提出大螺距螺紋軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)方法; 設(shè)計(jì)并磨制兩把刀具，提出與其匹配的工藝設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行車(chē)削大螺距螺紋切削工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方法獲得的工藝方案，可使大螺距螺紋在螺距誤差、加工表面形貌及其分布上得到明顯改善，滿足大螺距螺紋加工質(zhì)量的要求．
關(guān)鍵詞:螺紋; 大螺距; 車(chē)削; 軸向分層切削; 工藝設(shè)計(jì)
0 引言
螺 距 大 于 4 mm 的 螺 紋 定 義 為 大 螺 距 螺紋［1，它屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，牙型槽寬且深． 此類(lèi)大螺距螺紋常用于大型壓力機(jī)調(diào)整組件的螺桿和螺母，以及自行火炮上的端口螺紋，并且在各個(gè)裝備中起著重要的作用［2-4］． 因此，研究大螺距螺紋的切削方式，提出大螺距螺紋的工藝設(shè)計(jì)方法對(duì)保障和提高調(diào)整及裝配精度至關(guān)重要［5-7］． 已有的研究主要為中小型螺距螺紋的加工方法及精度控制方法，并沒(méi)有考慮螺距非標(biāo)準(zhǔn)的大螺距螺紋的情況，無(wú)法具體揭示大螺距螺紋的加工及精度控制方法［6-9］． 大螺距螺紋去除余量大，不可能一次切削完成螺紋的加工，其精加工階段需要采用多次進(jìn)刀的方式來(lái)完成［10-12］．大螺距螺紋軸向分層切削過(guò)程中，若切削次數(shù)過(guò)少，則無(wú)法獲得滿足加工質(zhì)量要求的螺紋表面，若切削次數(shù)較多，多次切削時(shí)切削熱和切削力的累積將會(huì)縮短刀具壽命，進(jìn)而影響螺紋加工表面質(zhì)量，使得加工效果降低; 因此，采用軸向分層車(chē)削方式進(jìn)行大螺距螺紋精加工時(shí)，必須有相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，以保證采用較少的切削次數(shù)，獲得的螺紋加工表面質(zhì)量．本文在滿足技術(shù)要求的前提下，以切削效率、左右螺紋面加工表面一致性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以刀具幾何角度、切削參數(shù)及切削次數(shù)為設(shè)計(jì)變量，揭示各變量間的約束關(guān)系，提出大螺距螺紋軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)方法; 依據(jù)該方法設(shè)計(jì)兩種不同的工藝方案，進(jìn)行大螺距螺紋精加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性．
1 、軸向分層切削方式及其切削層參數(shù)
由于傳統(tǒng)徑向分層切削方式無(wú)法達(dá)到車(chē)削大螺距螺紋加工精度和表面質(zhì)量要求，本文針對(duì)大螺距螺紋的加工特點(diǎn)，提出軸向分層切削方式，如圖 1 所示．圖中，n 為工件轉(zhuǎn)速，vf為刀具軸向進(jìn)給速度，vc為主運(yùn)動(dòng)速度; κr1為左刃切削時(shí)刀具主偏角，κr2右刃切削時(shí)刀具主偏角; d 為試件的外徑，d2為試件的中徑，d1為試件的小徑; ap為徑向總切深，zlj為左刃單次加工余量，zrk為右刃單次加工余量，hdl為刀具左刃車(chē)削時(shí)的切削厚度，bdl為刀具左刃車(chē)削時(shí)的切削寬度，hdr為刀具右刃車(chē)削時(shí)的切削厚度，bdr為刀具右刃車(chē)削時(shí)的切削寬度; p 為試件螺距，ｒ1、ｒ2分別為試件左右側(cè)面的牙型半徑，r1、r2為刀具的左右牙尖圓弧半徑，α 為螺紋牙型角．
圖 1 軸向分層切削方式及刀工接觸關(guān)系
由于粗加工及半精加工工序結(jié)束后，外螺紋的徑向尺寸和形狀尺寸達(dá)到精加工要求，因此大螺距螺紋精加工時(shí)，只采用左右切削刃沿軸向交替多次進(jìn)刀分層切削的方式去除工序加工余量，直至左右螺紋面已加工表面粗糙度和螺紋中徑誤差控制在預(yù)定加工質(zhì)量指標(biāo)以下為止．由圖 1 可知，軸向分層切削方式為全刃參與切削，在每一次進(jìn)刀過(guò)程中，切深 ap不變并且等于螺紋牙高 h，切削層面積只與軸向單次加工余量有關(guān)，其變量間關(guān)系如下所示:
由上述公式可知，該切削方式采用的是全刃切削，其每一次進(jìn)刀后，參與切削的切削刃長(zhǎng)度不變，切削時(shí)的切削層面積與軸向單次加工余量和總徑向切深有關(guān)． 因此，采用軸向分層切削方式精加工大螺距螺紋時(shí)，其螺紋表面形成與刀具左右切削刃的狀態(tài)有密切關(guān)系．
由于切削力的大小與切削層參數(shù)密切相關(guān)，且切削力應(yīng)小于工件材料的承受能力，因此切削層面積理應(yīng)小于某一固定值，即應(yīng)控制加工過(guò)程中的切削參數(shù)． 因此，可得:
通過(guò)上述軸向分層切削方式的刀工接觸關(guān)系及切削層參數(shù)的研究可獲得，大螺距螺紋軸向分層切削方式的關(guān)鍵控制變量，如表 1 所示
表 1 軸向分層切削方式的關(guān)鍵控制變量
表 1 中，zi為軸向分層切削單次加工余量; γ0為切削刃前角，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; j 為左刃一次連續(xù)切削時(shí)的次數(shù)，k 為右刃一次連續(xù)切削時(shí)的次數(shù)，t 為左右刃切削循環(huán)次數(shù)．
2 、軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)方法
大螺距螺紋軸向分層切削過(guò)程中，由于螺紋螺旋升角的存在，導(dǎo)致切削平面發(fā)生改變，使得切削過(guò)程中左右刃切削的工作角度發(fā)生改變，不再等于實(shí)際標(biāo)注角度，且左右刃差異增大，從而會(huì)影響螺紋左右加工表面的一致性，因此，設(shè)計(jì)刀具時(shí)必須考慮螺旋升角對(duì)左右刃工作角度的影響，對(duì)其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，切削過(guò)程中影響較大的主要為刀具的前角、后角．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:
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．因此，要想使得螺桿左右螺紋面加工一致性好，工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需合理的設(shè)計(jì)左右切削刃的角度． 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循，左切削刃前角小于右切削刃，其差值大致等于兩倍的螺旋升角; 左切削刃后角大于右切削刃，其差值同樣大致等于兩倍的螺旋升角．
同時(shí)，采用軸向分層切削方法進(jìn)行大螺距螺紋精加工時(shí)，若切削次數(shù)過(guò)少，則無(wú)法獲得滿足加工質(zhì)量要求的螺紋表面，若切削次數(shù)較多，則由于多次切削時(shí)切削熱和切削力的累積，刀具壽命將會(huì)縮短，從而影響螺紋加工表面，使得加工效果降低; 因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì) j、k、t 的值，使其在滿足螺紋面加工要求的前提下達(dá)到最?。?其關(guān)系為:
切削效率不僅與切削次序有關(guān)，也與切削用量三要素有一定的關(guān)系． 切削參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否對(duì)切削加工的生產(chǎn)效率、加工成本以及保障產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，采用合理的切削參數(shù)可以明顯的降低加工成本，提高加工效率． 因此，工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的切削參數(shù)．選擇順序應(yīng)為: 首先盡量選用徑向切削深度 ap，然后根據(jù)加工條件選用合適的加工余量zi，最后才在刀具耐用度或機(jī)床功率所允許的情況下選取合適的切削速度 vc．由上述分析可知，螺紋加工過(guò)程中，高效率、高加工表面一致性對(duì)螺紋切削至關(guān)重要，其中一致性是確保螺紋車(chē)削質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵．
因此，提出大螺距螺紋軸向分層切削方式的工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表 2 所示．
表 2 軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)
表 2 中，η 為加工效率，其與刀具壽命和加工次序有著必然的聯(lián)系; δp 為螺紋面的螺距誤差，分為左螺紋面螺距誤差與右螺紋面螺距誤差，其兩者均應(yīng)小于螺桿的技術(shù)要求 δp0; γij用于揭示左右螺紋面螺距誤差的分布一致性，其值越大，說(shuō)明一致性越高; ｒa為表面輪廓的算數(shù)平均偏差，用于揭示左右螺紋面的表面粗糙度，其兩者均應(yīng)小于螺桿左右螺紋面加工表面粗糙度的技術(shù)要求值 ｒa0．
由以上分析，在滿足技術(shù)要求的前提下，以切削效率、左右螺紋面加工表面一致性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以刀具幾何角度、切削參數(shù)及切削次數(shù)為設(shè)計(jì)變量，提出大螺距螺紋軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)方法，如圖 2 所示．
圖 2 軸向分層切削設(shè)計(jì)流程
3 、螺距 16 mm 外螺紋軸向分層切削實(shí)驗(yàn)方案
采用上述軸向分層切削方式，利用刀具左右切削刃分別多次切削形成左右螺紋面，依據(jù)工藝設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出兩種不同的精加工車(chē)削工藝方案，進(jìn)行大螺距外螺紋精加工切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)．制備用于車(chē)削大螺距螺紋精加工實(shí)驗(yàn)的試件，該試件材料為 35cr mo 調(diào)質(zhì)處理，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù) 1，螺紋長(zhǎng)度為 160 mm，大徑為120mm，小徑為 104 mm
，中徑為112 mm，螺距為16 mm，牙型半角為 15°，螺紋槽寬為 6． 33 mm．設(shè)計(jì)并磨制出兩把用于車(chē)削螺距 16 mm 梯形外螺紋左右螺紋面的刀具，采用可換刀頭彈簧式車(chē)刀，材料為高速鋼( w18cr4v) ，均可在刀體上安裝和拆卸，兩把刀具參與切削的部分均由頂刃與左右兩個(gè)切削刃組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 3 示．
圖 3 刀具切削刃結(jié)構(gòu)圖
圖中，pre為基面，pse0為主切削刃切削平面，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(zhǎng)，θ 為左右切削刃夾角，λs為刃傾角，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． 該刀具幾何角度如表 3 所示．
表 3 刀具幾何角度
利用上述兩把刀具在 ca6140車(chē)床上，以轉(zhuǎn)速 n 為 10 r/min，保持刀具徑向切深與工件螺紋槽深相一致，以車(chē)刀左右切削刃分別沿軸向單側(cè)逐層切削的方式進(jìn)行螺桿試件精加工切削，直至其左右螺紋面已加工表面粗糙度和螺紋中徑誤差控制在預(yù)定加工質(zhì)量指標(biāo)以下為止，兩種切削方案如表 4 所示．
表 4 精加工實(shí)驗(yàn)方案
4 、螺紋軸向分層切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述實(shí)驗(yàn)獲得螺桿左右螺紋面的螺距誤差數(shù)據(jù)曲線如圖 4、圖 5 所示
圖 4 方案一螺紋面螺距誤差實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
如圖 4 所示，方案一，左曲面螺距誤差的波動(dòng)范圍為 －0． 019 ～ 0． 019 mm，右曲面螺距誤差的波動(dòng)范圍為 －0． 017 ～ 0． 019 mm，左刃切削時(shí)的螺距誤差比右刃切削時(shí)的波動(dòng)范圍大，且右側(cè)較左側(cè)分布密集． 其中，右曲面螺距誤差好于左曲面，且均在－ 0． 02 ～ 0． 02 mm 之間，滿足加工要求。
圖 5 方案二螺紋面螺距誤差實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
如圖 5 所示，方案二，左曲面螺距誤差的波動(dòng)范圍為 － 0． 009 9 ～ 0． 01 mm，右曲面螺距誤差的波動(dòng)范圍為 － 0． 01 ～ 0． 01 mm，左刃切削時(shí)的螺距誤差比右刃切削時(shí)的波動(dòng)范圍大，且左側(cè)較右側(cè)分布密集． 其中，右曲面螺距誤差好于左曲面，且均在 － 0． 02 ～ 0． 02 mm 之間，滿足加工要求．為了定量分析兩種方案螺紋左右側(cè)面加工精度的優(yōu)劣，取量級(jí) 10－ 4mm，對(duì)左右螺紋面的螺距誤差進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果為: 方案一螺紋試件左右螺紋面螺距誤差關(guān)聯(lián)度為 0． 863 2，方案二螺 紋 試 件 左 右 螺 紋 面 螺 距 誤 差 關(guān) 聯(lián) 度 為0. 6217 ，因此，可知方案二中的螺紋面分布一致性好于方案一．實(shí)驗(yàn)獲得的螺桿的左右螺紋面的加工表面形貌如圖 6 所示。
圖 6 左右螺紋面加工表面形貌對(duì)比
為了定量分析整條螺紋左右側(cè)面粗糙度參數(shù)值的優(yōu)劣，對(duì)粗糙度參數(shù)曲線進(jìn)行處理分析，結(jié)果如表 5 所示．
表 5 粗糙度 ｒa參數(shù)值分析
由表5 可以看出，方案二中的大螺距外螺紋的3個(gè)粗糙度指標(biāo)值的變動(dòng)范圍、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差均相對(duì)較小，說(shuō)明方案二中的大螺距外螺紋的螺紋面粗糙度值小，且沿整條螺紋面分布較均勻，一致性好．
由上述兩工藝方案對(duì)比也可知，方案二的加工次數(shù)遠(yuǎn)大于方案一，但加工效果好于方案一，因此，可說(shuō)明設(shè)計(jì)目標(biāo)中切削效率與其他目標(biāo)有沖突，要想保證其他目標(biāo)滿足要求，只需給出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，在其他目標(biāo)滿足技術(shù)要求并達(dá)到值時(shí)，再考慮并選擇出合理的切削效率
通過(guò)以上分析可知，由于設(shè)計(jì)變量的差異，加工同樣的大螺距外螺紋工件，其螺紋面加工表面形貌可能會(huì)有很大差別，這是由于工藝設(shè)計(jì)變量的不同導(dǎo)致的; 這種差別會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)和力的傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)偏差，不同的工藝設(shè)計(jì)條件下，其加工表面質(zhì)量差異較大，且螺紋表面一致性與分布特性也會(huì)有較大的差異，因此，控制工藝設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化出適合大螺距螺紋切削的工藝方案對(duì)高精度、高質(zhì)量的大螺距螺紋加工至關(guān)重要．
5 、結(jié)論
( 1 ) 通過(guò)軸向分層切削大螺距外螺紋刀工接觸關(guān)系及切削層參數(shù)的研究，確定了刀具幾何角度、切削參數(shù)以及左右刃切削次數(shù)等 18 個(gè)參數(shù)為工藝設(shè)計(jì)變量; 關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)變量分析結(jié)果表明，左右切削刃設(shè)計(jì)前角均為 0°時(shí)，受右旋螺旋升角的影響，左刃為正前角切削，右刃為負(fù)前角切削，且螺紋螺旋升角對(duì)左右切削刃工作后角具有相反的影響效果，左右切削刃采用相同工藝設(shè)計(jì)變量切削大螺距外螺紋，其左右螺紋面的形成過(guò)程明顯不同;
( 2 ) 以切削效率、左右螺紋面加工表面一致性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出大螺距外螺紋軸向分層切削工藝設(shè)計(jì)方法，該方法通過(guò)調(diào)整刀具左右刃后角、左右螺紋面加工次數(shù)及單次切削的加工余量，在保障效率的條件下，有效提高了螺紋的加工質(zhì)量;
( 3 ) 依據(jù)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并提出了兩種不同的切削工藝方案，進(jìn)行大螺距外螺紋軸向分層切削精加工切削工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定了最終的工藝設(shè)計(jì)方案． 該方案中左刃車(chē)削共進(jìn)行了 16 次，右刃車(chē)削共進(jìn)行了 10 次，采用的刀具前角為 0°，左刃后角為 8°52'，右刃后角為 5°58'; 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方法，可使大螺距螺紋在螺距誤差、表面粗糙度及其相應(yīng)分布方面得到明顯改善，達(dá)到大螺距螺紋的加工要求，該方法可用于軸向分層車(chē)削大螺距螺紋精加工的設(shè)計(jì).