車削梯形螺紋切削用量的優化設計

趙光霞　戴晨玉

摘要：根據切削用量的選擇原則，結合CAD/CAM軟件設計數控模型，對切削量進行控制和優化。以加工30 °角的梯形螺紋為例，在合理選擇切削用量的基礎上，探討切削用量的優化設計，為車削梯形螺紋切削用量的優化提供借鑒。

關鍵詞：車削；梯形螺紋；優化；切削用量；數控

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

隨著數控機床的高速發展和數控系統的不斷完善，用數控車加工梯形螺紋成為一種常態。梯形螺紋作為最常用的傳動螺紋，應合理設計加工工藝，確保切削的螺紋滿足設計需要。切削用量不僅影響數控機床的零件加工效率，而且直接影響產品質量。根據切削用量的選擇原則設定參數，結合CAD/CAM軟件設計數控模型，對切削量進行控制和優化，才能加工出優良的螺紋件。結合工作實際，以30°角的梯形螺紋為例，在合理選擇切削用量的基礎上，通過變量參數確定目標函數數控程序，實現車削梯形螺紋切削用量的優化設計。

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

在實際生產中，切削寬度與刀具直徑成正比，與切削深度成反比。考慮成本因素，寬度一般設定為刀具直徑的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，可通過設定切削速度直接一次成型；如果精密切削，則需要設計切削速度，分步驟分層次切削。在切削過程中，應根據實際需要調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為工件轉速，r/s。

1.4 主軸轉速

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

ns=■ （2）

式中：ns為主軸轉速，r/s；Vc為切削速度，

m/min；dw為工件待加工表面直徑，mm。

2 設計變量

優化設計的目的有：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，應適當減少走刀次數，爭取一次切削到參數要求的范圍內。機器有一定的誤差，對零件的加工精度會有細微影響，所以應著重降低粗切過程消耗的時間。為更快更好地實現這個功能，往往需要建立數學模型，采用數學函數調整控制機床參數。目標函數的選取和參數的設定在很大程度上決定了切削的成敗。

3 目標函數

優化目標應與生產企業需要完成的技術經濟指標一致。在機械制造行業中，生產的技術經濟指標主要有質量、成本、生產率等。在保證加工質量的同時，盡可能降低加工成本和提高生產率。加工成本和生產率與切削用量密切相關。因此，以最小工藝成本為優化準則，把加工成本和生產率作為切削用量優化的目標函數。

4 切削量優化實例

結合工作實際，以加工某臺階軸為例，進行車削梯形螺紋切削用量的優化設計。此螺桿的參數通過查表計算獲得：d=φ24，d2=d-0.6495P=φ23.026。其他參數如圖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 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 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； （ 平移一個設定的 z 值）

GOTO7；

N8 #11 = #12；

GOTO7；

N9 IF[#8EQ#7]

GOTO10； （ 相等則進行精加工兩側）

#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）

G92X[#8]Z[#26]F[#9]；

G00X[#2]Z[#3 + #12 - #18]； （ 移到槽右側）

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 結語

切削用量優化是復雜的非線性規劃問題。隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控編程成為數控加工中的關鍵問題之一。通過控制切削用量，使刀具切削受力均勻、排屑流暢，不易產生扎刀現象，且刀具磨損較小。提高對機床認識，通過調整目標函數參數加工各種機械零件，充分發揮數控機床的優勢，對提高企業的經濟效益和生產水平具有重要意義。

參考文獻

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