大螺距多頭梯形螺紋數(shù)控車削單因素影響研究

滕淑珍， 韋志鋼， 宋良永， 王曉慧

（浙江工貿職業(yè)技術學院汽機學院，浙江溫州325000）

0 引 言

近年來，機械制造業(yè)不斷飛速發(fā)展，數(shù)控加工具有準確度高、加工速度快、可靠性高的特點，不斷取代傳統(tǒng)加工方式，逐漸成為目前加工制造業(yè)的主流加工方式。但針對大螺距多頭梯形螺紋的加工，受被加工工件本身的振動、切削力、刀具的磨損及車床本身的影響[1-3]，加工難度較大，成為如今企業(yè)生產(chǎn)大螺距多頭梯形螺紋的瓶頸。

目前大螺距多頭螺紋的主要在普通車床和數(shù)控車床上加工，普通車床的優(yōu)點是齒輪傳動力矩大、剛性好、大切深、快開粗，可變超低速精加工，用鋒利的高速鋼白鋼刀擠壓工件表面，達到較理想表面質量；其缺點是勞動強度大、對操作技巧要求高、尺寸與配合精度差、產(chǎn)品互換性差、設備的運行剛度和穩(wěn)定性差、加工效率低。數(shù)控車床加工相比普通車床具有自動化程度高、勞動強度小、尺寸與裝配精度高、互換性好和加工效率高的特點；其缺點是設備要求高、主軸電動機容易失力、切削參數(shù)掌控難和編程繁瑣，一旦選擇不合理就容易造成亂牙、扎刀和崩刀現(xiàn)象。因進給速度F值大，受線速度限制，無法實現(xiàn)高轉速加工，硬質合金刀具加工表面質量差[4-8]。如何在經(jīng)濟型數(shù)控車床上加工出較理想的大導程螺紋是需要解決的實際問題。

在切削方式方面，高曉東[9]提出數(shù)控高速車削梯形螺紋的方法，指出數(shù)控車床上加工梯形螺紋有一定的技術難度，特別是在高速切削時難度更大，加工時不容易觀察和控制，安全可靠性也較差。通過正確的刀具幾何形狀和加工工藝，分析了一種安全可靠的加工方法。郭洪志[10]提出利用數(shù)控車床車削螺紋，相對于普通臥式車床加工可大幅提高效率，但對于大螺紋多頭梯形螺紋的數(shù)控高速車削有一定難度，應合理使用刀具及編程，防止出現(xiàn)扎刀、崩刀現(xiàn)象。盧萬強[11]提出基于大螺距螺紋分層車削的參數(shù)編程研究，分析普通螺紋的進刀方式，提出采用參數(shù)編程實現(xiàn)分層車削大螺距螺紋的加工方法。并給出一個大螺紋多頭梯形螺紋的參數(shù)化編程的應用實例，提出了一些解決大螺距螺紋加工難的辦法。

1 單因素試驗方案

單因素試驗方案主要分為3個部分，即主軸轉速n對切削力的影響、徑向切深ae對切削力的影響、螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響。通過控制單個變量主軸轉速n、徑向切深ae、螺紋頭數(shù)Z對切削力，保持其它變量不變，進行單因素試驗。其試驗過程切削參數(shù)如表1所示。

表1 切削參數(shù)

1.1 主軸轉速n對切削力的影響試驗方案

主軸轉速n對切削力的影響試驗過程中，設備正常運行，保證裝夾的一致性，按照試驗條件給定的運行參數(shù)，保證徑向切深ae、螺紋頭數(shù)Z不變，控制主軸轉速變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數(shù)選取如表2所示。

表2 實驗參數(shù)選取表

1.2 徑向切深a對切削力的影響試驗方案

徑向切深ae對切削力的影響試驗過程中，設備正常運行，保證裝夾的一致性，按照試驗條件給定的運行參數(shù)，保證主軸轉速、螺紋頭數(shù)Z不變，控制徑向切深ae變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數(shù)選取如表3所示。

表3 實驗參數(shù)選取表

1.3 螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響試驗方案

螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響試驗過程中，設備正常運行，保證裝夾的一致性，按照試驗條件給定的運行參數(shù)，保證主軸轉速n、徑向切深ae不變，控制螺紋頭數(shù)Z變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數(shù)選取如表4所示。

表4 實驗參數(shù)選取表

1.4 精修余量對切削力和表面質量的影響試驗方案

精修量對切削力和表面質量試驗過程中，設備正常運行，保證裝夾的一致性，按照試驗條件給定的運行參數(shù)，保證主軸轉速n、徑向切深ae，開粗狀況一致，頭數(shù)不變，進行有載切削振動試驗。其實驗參數(shù)選取如表5所示。

2 單因素試驗結果

2.1 主軸轉速n對切削力的影響試驗結果

通過保證徑向切深ae、螺紋頭數(shù)Z不變，控制主軸轉速變化，進行3組負載切削振動試驗。經(jīng)過標準差值計算結果如表6所示，最終求得其實驗切削力與振動結果如表7所示，S190-F48-Y軸切削振動如圖1所示。

表5 實驗參數(shù)選取表

表6 3組數(shù)據(jù)標準偏差σ計算結果

表7 實驗切削力與振動結果

2.2 徑向切深ae對切削力的影響試驗結果

通過保證主軸轉速n、螺紋頭數(shù)Z不變，控制徑向切深ae變化，進行3組有載切削振動試驗。經(jīng)過標準差值計算結果如表8所示，最終求得實驗切削力與振動結果如表9所示。

2.3 螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響試驗結果

圖1 S190-F48-Y軸振幅圖

表8 3組數(shù)據(jù)標準偏差σ計算結果

表9 實驗切削力與振動結果

通過保證主軸轉速n、徑向切深ae不變，控制螺紋頭數(shù)Z變化，進行3組有載切削振動試驗。經(jīng)過標準差值計算結果如表10所示，最終求得實驗切削力與振動結果如表11所示。

表10 3組數(shù)據(jù)標準偏差σ計算結果

表11 實驗切削力與振動結果

2.4 精修余量對切削力和表面質量影響試驗結果

通過保證主軸轉速n、徑向切深ae不變，開粗狀況一致，頭數(shù)Z不變，進行3組有載切削振動試驗。經(jīng)過標準差值計算結果如表12所示，最終求得實驗切削力結果如表13所示。

表12 三組數(shù)據(jù)標準偏差σ計算結果

表13 實驗切削力結果

3 試驗結果分析

根據(jù)表7實驗切削力結果，繪制主軸轉速n對切削力的影響曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2主軸轉速n對切削力的影響分析，當主軸轉速為60～220 r/min所有機床可切削轉速時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力都沒有明顯變化。

由于經(jīng)濟型機床通常采用變頻電動機，在切削力大的時候，在低速時容易失力，自動降轉速，螺距不準，還容易扎刀、撞刀。在高轉速比如200 r/min的時候，由于導程大（F=48 mm/r），實際F值達9.8 m/min ，超過線速度時，機床會報警，如圖 3 所示。同時對Z向絲桿、軸承、溜板、導軌磨損非常大，嚴重影響機床壽命，結合振動振幅圖譜（圖1）所以正交試驗我們選取100 r/min、140 r/min、180 r/min，這樣較有實用性。

圖2 主軸轉速n對切削力的影響

圖3 機床超線速度報警

根據(jù)表11實驗切削力結果，繪制徑向切深ae對切削力的影響曲線如圖4所示。

圖4 徑向切深ae對切削力的影響

根據(jù)圖4徑向切深ae對切削力的影響分析，當徑向切深ae為6時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力最高，當徑向切深ae繼續(xù)減小，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力不斷降低，F(xiàn)y、F合方向尤為明顯。結合生產(chǎn)效率、切削力均衡考慮，我們正交試驗選擇3、4、5 mm首層切深。

根據(jù)表12實驗切削力結果，繪制螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響曲線如圖5所示。

圖5 螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響

根據(jù)圖5螺紋頭數(shù)Z對切削力的影響分析，當螺紋頭數(shù)Z為4時，F(xiàn)x方向所需要的切削力最低，當螺紋頭數(shù)Z增多時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高，F(xiàn)y、F合方向尤為明顯。由于機床受限，頭數(shù)多少直接影響加工速度，實際生產(chǎn)中也很少能碰到大于8頭的多頭螺紋，所以本次試驗選取4、6、8頭參與正交試驗。

根據(jù)表13實驗切削力結果，繪制精修量對切削力的影響曲線如圖6所示。

圖6 精修量對切削力的影響

根據(jù)圖6精修量對切削力的影響分析，當精修量增大后，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高。實際生產(chǎn)中由于接觸面積大，精修余量一般在0.05 mm以內，為體現(xiàn)試驗效果，故采用0.02、0.04、0.06 mm精修量參與正交試驗。

4 結 論

1）當主軸轉速為60～220 r/min所有機床可切削轉速時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力都沒有明顯變化。在高轉速如200 r/min的時候，由于導程大，實際F值達9.8 m/min，超過線速度時，機床會報警。同時對Z向絲桿、軸承、溜板、導軌磨損非常大，嚴重影響機床壽命。

2）當徑向切深ae為6時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力最高，當徑向切深ae變小，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力不斷降低，F(xiàn)y、F合方向尤為明顯。

3）當螺紋頭數(shù)Z為4時，F(xiàn)x方向所需要的切削力最低，當螺紋頭數(shù)Z增多時，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高，F(xiàn)y、F合方向尤為明顯。

4）當精修量增大后，F(xiàn)x、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高。