CN106407622A - 一种大螺距螺纹车削刀具设计方法 - Google Patents

Abstract

一种大螺距螺纹车削刀具设计方法，其技术要点包括的步骤为：一、按照所加工的大螺距螺纹工件的结构特征确定工艺方案和工序切削方式，设定适合车削大螺距螺纹工件所具备的刀具基本结构的切削刀具，切削刀具的刀具基本结构包括刀具切削刃结构及其参数；二、进行刀具切削干涉检查，若不干涉，确定使用该切削刀具对工件进行切削实验；三、输入切削方案对工件进行车削加工，获得刀具振动信号和刀具后刀面磨损图像；四、以切削刀具的左右刃动态载荷一致性、切削刀具左右后刀面磨损一致性、工件左右螺纹面的加工精度及加工表面质量一致性作为设计目标评判切削刀具的切削方案。本发明使刀具左右刃载荷达到改善，磨损减弱且一致性好，提高工件的加工质量。

Description

一种大螺距螺纹车削刀具设计方法

技术领域：

本发明设计刀具切削领域，具体涉及一种大螺距螺纹车削刀具设计方法。

背景技术：

螺距大于4mm的螺纹定义为大螺距螺纹，此类零件作为大型压力机调整组件螺杆，控制上下模板间的位置精度，对压力机整机的静、动态精度具有重要影响。大螺距外螺纹牙型槽宽且深、螺距和轴向长度大，属于非标准螺纹，加工余量大，左右螺纹面的螺距、齿形精度及螺纹表面质量一致性要求高。

已有的螺纹刀具主要有车刀、板牙、滚丝轮、搓丝板和丝锥；普通中小型螺纹切削刀具难以满足大螺距螺纹的加工要求，加工效率较低；板牙仅适用于中小型外螺纹的小批量加工；滚丝轮主要用于小螺距外螺纹的大批量加工，可以加工长度较大的螺杆；搓丝板主要用于大批量加工长度较短的螺杆；丝锥分为普通丝锥和挤压丝锥，普通丝锥主要用于小孔径，大小批量均可的内螺纹加工，挤压丝锥用于较软的材质的小螺距内螺纹大批量的加工；螺纹车刀，主要用于非标准螺距的小批量加工；但已有的螺纹车削刀具主要用于中小型螺距的螺纹加工，无法达到大螺距螺纹的左右螺纹面高一致性的要求，大螺距螺纹车削加工中存在的左右螺纹加工表面形貌及精度的差异较大，刀具左右刃切削载荷不一致导致的刀具磨损状态差别大、左右刃寿命不一致，加工效率降低等问题。如何设计车削刀具，如何控制切削过程中的载荷、排屑，以保证左右螺纹面加工精度和加工质量的一致性并提高刀具寿命，成为大型压力机大螺距螺杆加工亟待解决的关键问题。

已有的大螺距螺纹刀具设计方法主要是基于螺纹结构特征匹配，根据零件的特征参数，来选择匹配的刀具，完成切削刃结构参数的设计；依据设计出的刀具进行实验，以选择与之匹配的工艺方法；该方法中的螺纹加工表面形貌及精度只能靠改变工艺参数来进行调整，由于刀具结构而导致的切削质量问题则无法得到解决，并且切削效率无法获得保证。已有方法的设计目标只要满足表面粗糙度不超过最大值，磨损区域宽度小于最大值即可，该方法解决不了特定约束下左右螺纹面的分布一致性问题。

发明内容：

本发明为提高车削大螺距螺纹刀具左右刃动态切削的一致性，提出一种车削大螺距螺纹刀具的设计方法；该方法使得刀具左右刃载荷达到改善，磨损减弱且一致性好，使工件的加工质量得到提高。

本发明的大螺距螺纹车削刀具设计方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

一、按照所加工的大螺距螺纹工件的结构特征确定工艺方案和工序切削方式，依据工艺方案和工序切削方式设定适合车削大螺距螺纹工件所具备的刀具基本结构的切削刀具，切削刀具的刀具基本结构包括刀具切削刃结构及其参数；

二、进行刀具切削干涉检查，若干涉，对切削刀具进行干涉部位判别；若不干涉，确定使用该切削刀具对工件进行切削实验；

三、输入切削方案对工件进行车削加工，获得切削过程中的刀具振动信号和刀具后刀面磨损图像；

四、以切削刀具的左右刃动态载荷一致性、切削刀具左右后刀面磨损一致性、工件左右螺纹面的加工精度及加工表面质量一致性作为设计目标评判切削刀具的切削方案，若满足设计目标，确定刀具的切削方案；若不满足设计目标，调整切削方案重新对工件进行车削加工。

进一步地，步骤三中，切削刀具的左右刃动态载荷一致性是以振动作用下切削刀具左右刃的瞬态切削力一致作为评判标准，

刀具左右刃切削大螺距螺纹时，振动作用下的刀具瞬态切削力计算公式，如式(1)所示。

式中，F_cly(t)、F_cry(t)分别为左、右刃切削时刀具所受瞬态切削力，k_c为单位切削力，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)分别为左、右刃切削时振动作用下刀具瞬态切削宽度和切削厚度(其中i＝1，2…n)，z_li、z_ri、a_pli、a_pri分别为左、右刃切削时刀具理论轴向单次加工余量和径向切削深度，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)分别为刀具左刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)分别为刀具右刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，λ_sl(t)、λ_sr(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作刃倾角，γ_l(t)、γ_r(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作前角，k_c值可由实验获得，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)值根据切削参数及角度计算得来，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)、S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)值由振动试验获得，λ_sl(t)、λ_sr(t)、γ_l(t)、γ_r(t)值根据实验及刀具设计角度计算获得；

切削刀具左右后刀面磨损一致性是以切削刀具的后刀面磨损宽度一致作为评判标准；

工件左右螺纹面的加工精度及加工表面质量一致性是以工件螺纹面加工表面不平度w和粗糙度作为评判标准。

进一步地，所述粗糙度的参数包括表面轮廓算数平均偏差R_a、轮廓单元平均宽度RSm及轮廓高度不对称分布参数RS_k。

进一步地，步骤二中，所用机床为CA6140车床。

本发明的有益效果是：本发明对不同的切削方案提出统一的刀具的设计目标，分别为：左右刃动态切削载荷变化相近、刀具左右切削刃的使用寿命一致、左右螺纹面加工误差一致及左右螺纹面加工表面形貌一致。通过满足以上设计目标的要求而获得的刀具切削方案，使得刀具左右刃载荷达到改善，使刀具后刀面的磨损减弱且一致性好，使工件的加工质量得到提高。

采用本发明的设计方法，可控制切削载荷，避免刀具因载荷过大而产生变形和磨损过快等问题，显著提高了螺纹加工精度和加工表面质量一致性；该设计方法以最后一刀的切削效果为加工目的，达到外螺纹的加工精度和加工表面质量要求，获得的左右螺纹面无接刀痕，螺距误差控制在-0.01mm～0.01mm范围内，可满足大螺距外螺纹的高效、高品质车削加工要求。

本发明相对于现有的刀具设计方法，是基于切削效率而确定的工艺方案的设计，同时通过控制切削过程中的载荷及磨损一致性来控制切削过程，以获得一致性好的螺纹表面；该方法是以刀具左右刃结构参数为设计变量，以追求左右螺纹面加工表面及精度一致、刀具左右后刀面磨损程度相近及左右刃瞬态切削力一致为设计目标进行的刀具设计，该设计方法更贴近大螺距螺纹的切削特点，有利于大螺距螺纹切削过程的控制。

附图说明：

图1为本发明的流程图；

图2为大螺距外螺纹结构尺寸及其变量表示图；

图3为大螺距内螺纹结构尺寸及其变量表示图；

图4为车削大螺距内外螺纹刀具结构参数图；

图5为车削大螺距内外螺纹刀具刃口结构图；

图6为刀具左右刃瞬态切削力对比曲线图；

图7刀具左后刀面磨损宽度变化图；

图8刀具右后刀面磨损宽度变化图；

图9为梯形螺杆螺距误差测量结果图，图(a)为左螺纹面图，图(b)为右螺纹面图；

图10左右螺纹面加工表面不平度曲线图，(a)切削速度方向波纹宽度对比曲线，(b)垂直于切削速度方向波纹宽度对比曲线。

具体实施方式：

参照图1，本发明的大螺距螺纹车削刀具设计方法，包括以下步骤：

一、按照所加工的大螺距螺纹工件的结构特征确定工艺方案和工序切削方式，依据工艺方案和工序切削方式设定适合车削大螺距螺纹工件所具备的刀具基本结构的切削刀具，切削刀具的刀具基本结构包括刀具切削刃结构及其参数；

二、进行刀具切削干涉检查，若干涉，对切削刀具进行干涉部位判别；若不干涉，确定使用该切削刀具对工件进行切削实验；

三、输入切削方案对工件进行车削加工，获得切削过程中的刀具振动信号和刀具后刀面磨损图像；

四、以切削刀具的左右刃动态载荷一致性、切削刀具左右后刀面磨损一致性、工件螺纹面左右刃的加工精度及加工表面质量一致性作为设计目标评判切削刀具的切削方案，若满足设计目标，确定刀具的切削方案；若不满足设计目标，调整切削方案重新对工件进行车削加工。

步骤三中，切削刀具的左右刃动态载荷一致性是以振动作用下切削刀具左右刃的瞬态切削力一致作为评判标准，

刀具左右刃切削大螺距螺纹时，振动作用下的刀具瞬态切削力计算公式，如式(1)所示。

式中，F_cly(t)、F_cry(t)分别为左、右刃切削时刀具所受瞬态切削力，k_c为单位切削力，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)分别为左、右刃切削时振动作用下刀具瞬态切削宽度和切削厚度，z_li、z_ri、a_pli、a_pri分别为左、右刃切削时刀具理论轴向单次加工余量和径向切削深度，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)分别为刀具左刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)分别为刀具右刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，λ_sl(t)、λ_sr(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作刃倾角，γ_l(t)、γ_r(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作前角，k_c值可由实验获得，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)值根据切削参数及角度计算得来，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)、S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)值由振动试验获得，λ_sl(t)、λ_sr(t)、γ_l(t)、γ_r(t)值根据实验及刀具设计角度计算获得；

切削刀具左右后刀面磨损一致性是以切削刀具的后刀面磨损宽度一致作为评判标准；

工件左右螺纹面的加工精度及加工表面质量一致性是以工件螺纹面加工表面不平度w和粗糙度作为评判标准。所述粗糙度的参数包括表面轮廓算数平均偏差R_a、轮廓单元平均宽度RSm及轮廓高度不对称分布参数RS_k。

以下结合具体工件和刀具对本发明所涉及的实验方法做详细说：

大螺距螺纹车削刀具的设计要求：

(1)、大螺距螺纹由于螺距大、牙型槽宽且深、轴向长度长，车削过程中需要采用径向分层切削及轴向分层切削两种方式完成加工。因此，大螺距螺纹车削刀具是面向不同切削方式和工艺方案来确定的。粗加工刀具主要设计要求为满足螺纹基本尺寸，而精加工刀具则主要考虑最后一刀切削时，切削载荷、加工质量及磨损是否相近，并且同时满足使用寿命。大螺距内外螺纹结构尺寸示意图如图2、图3所示。图2、图3中，o-xyz为工件坐标系，l₃为螺纹长度，d为大径，d₁为小径，d₂为中径，α/2为牙型半角，b为螺纹槽宽，P为内螺纹螺距，Δd为大径误差，Δd₁为小径误差，ΔP为螺距误差，Δ(α/2)为牙型半角误差，Δb为螺纹槽宽误差。

(2)、大螺距螺纹切削方式：

粗加工采用径向连续多次分层车削方式和左右轴向多次分层车削方式，以达到工件的径向尺寸及工序的形状尺寸要求；

半精加工及精加工采用轴向多次分层车削方式去除加工余量，以达到内外螺纹的加工精度和加工表面质量要求。

(3)车削大螺距外螺纹刀具结构与材料：

粗加工刀具结构采用整体式车刀，其材料为高速钢或硬质合金；

半精加工与精加工刀具结构均采用可换刀头式弹簧车刀，其材料为高速钢或硬质合金。

(4)车削大螺距内螺纹刀具结构与材料：

刀具结构采用可换刀头式车刀，其材料为高速钢或硬质合金；

刀杆结构采用普通刚性长刀杆，其长度依据内螺纹工件尺寸设定，以保证刀具与工件不发生干涉；

刀杆尺寸要求：为保证车削内螺纹时，工件与刀具不发生干涉，刀杆长应大于毛坯总宽与刀杆夹紧长度之和，刀杆宽应大于夹紧宽度。

大螺距螺纹车削刀具设计的约束条件：

(1)车削大螺距螺纹刀具结构尺寸要求

车削大螺距螺纹加工刀具结构尺寸如图4所示。

大螺距螺纹加工刀具由于刀杆要求，刀具结构参数约束关系如下式所示：

l₃>h₁；l₄>h₁；h＝h'；b＝b'

式中，H为螺纹要求牙高，α为螺纹牙型角，h₁为刀杆定位深度，h'为刀杆定位高度，b'为刀杆定位宽度。

(2)刀具参与切削部分的结构参数约束条件

刀具参与切削部分的结构尺寸约束关系如下所示：

ε_r1＝π-κ_r1；ε_r2＝κ_r2；r₁≤R₁；r₂≤R₂；h>H

(3)刀具刃口结构参数及其约束条件

螺纹车削时，粗加工及精加工刀具均采用左右对称式成型车刀，其刃口结构如图5所示。图5中，P_re为基面，P_se0为顶切削刃切削平面，P_se1为左切削刃切削平面，P_se2为右切削刃切削平面，W₀为顶切削刃刃长，θ为左右切削刃夹角，λ_s1为左切削刃刃倾角，λ_s2为右切削刃刃倾角，κ_r1为左切削刃切削时主偏角，κ_r2为右切削刃切削时主偏角，γ₀₀为顶切削刃前角，γ₀₁为左切削刃前角，γ₀₂为右切削刃前角，α₀₀为顶切削刃后角，α₀₁为左切削刃后角，α₀₂为右切削刃后角，ε_r1为左切削刃刀尖角，ε_r2为右切削刃刀尖角。

切削外螺纹与内螺纹时，刀具左右切削刃主偏角与牙型半角存在如下关系：

切削外螺纹时：

刀具左切削刃、右切削刃的工作前角、工作后角与螺旋升角存在如下关系：

α₀₀>0；α₀₂>0；γ₀₁>0；

切削内螺纹时：

刀具左切削刃、右切削刃的工作前角、工作后角与螺旋升角存在如下关系：

α₀₀>0；α₀₁≥0；γ₀₂≥0；

上述式中，γ_0e1为左切削刃工作前角，α_0e1为左切削刃工作后角，γ_0e2为右切削刃工作前角，α_0e2为右切削刃工作后角，为螺旋升角。

车削螺距16mm梯形外螺纹的精加工刀具设计方案与实验方案：

(1)采用图1的设计方法，进行螺距16mm的梯形外螺纹刀具设计；试件材料为35CrMo调质处理，结构为右旋梯形外螺纹，头数1，螺纹长度为190mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°，牙槽宽6.33mm；

(2)刀具采用可换刀头弹簧式车刀，材料为高速钢(W18Cr4V)，可在刀体上安装和拆卸，刀具参与切削的部分均由顶刃与左右两个切削刃组成，其中，刀头悬伸量L为16.80mm；左刃前角为0°、后角为7°10'、主偏角为75°10'和刃倾角为0°；右刃前角为0°、后角为5°、主偏角为105°46'和刃倾角为0°；

(3)将刀具安装在CA6140车床上，以机床主轴转速n为10rpm、刀具径向切深量a_p为8mm、刀具轴向加工余量z_i为0.025mm对上述工件进行车削加工实验，利用左右切削刃以轴向分层切削方式分别车削外螺纹左右螺纹面各10次，获得切削过程中的刀具振动信号，根据瞬态切削力模型计算刀具左右刃瞬态切削力F_cy的值，并获得瞬态切削力随着切削行程的变化曲线；实验后，检验并测量刀具左右后刀面磨损宽度值Z、左右螺纹面螺距误差值、左右螺纹面已加工表面不平度w及粗糙度值，按照步骤四进行设计目标的检测和评判。

车削大螺距16mm梯形外螺纹刀具左右刃瞬态切削力：

对工件进行的切削实验，其刀具左右刃的瞬态切削力变化曲线如图6所示，由图6可知，左右刃切入、切出时，其瞬态切削力的正向突变较弱；正常切削阶段，刀具左右刃的瞬态切削力具有相近的变化特性，并且其左右刃瞬态切削力的水平差异较小，变化较一致。

螺距16mm梯形外螺纹的车削刀具后刀面磨损宽度：

根据刀具后刀面磨损宽度测量方法(此方法为已公开的现有技术，在此不做详细说明)，获得左右后刀面磨损实验测量结果如表1、2所示，左右后刀面磨损宽度变化如图7、8所示。

表1左后刀面磨损数据

表2右后刀面磨损数据

由图7、8可知，在切削过程中刀具后刀面磨损宽度始终未超过额定的最大磨损宽度300μm，并且刀具左右后刀面的磨损宽度变化接近，因此，满足车削大螺距螺纹加工时对刀具的要求。

车削螺距16mm梯形外螺纹的螺距误差：

实验获得的左右螺纹面螺距误差沿工件轴向分布如图9所示。图9中，任意螺纹槽中靠近工件左端面的螺纹面为左螺纹面，任意螺纹槽中靠近工件右端面的螺纹面为右螺纹面。由图9可知，尽管左右螺纹面的螺距误差分布明显不同，但其误差均在-0.01mm～0.01mm之间变动，满足梯形螺杆加工精度要求；

车削螺距16mm梯形外螺纹的已加工表面质量数据：

实验获得的螺杆左右螺纹面的已加工表面不平度曲线如图10所示：

螺纹左右螺纹面粗糙度参数测量结果如表3所示：

表3已加工表面粗糙度值

表3中，R_a为表面轮廓算术平均偏差，RSm为轮廓单元平均宽度，RS_k为轮廓高度不对称分布参数；其中，标准差反映的是数据的离散程度。

由图10和表3可以看出，尽管右螺纹面的加工表面质量明显好于左螺纹面，但其表面粗糙度平均值均小于3.2μm，满足加工要求。

Claims (4)

1.一种大螺距螺纹车削刀具设计方法，其特征在于包括以下步骤：

一、按照所加工的大螺距螺纹工件的结构特征确定工艺方案和工序切削方式，依据工艺方案和工序切削方式设定适合车削大螺距螺纹工件所具备的刀具基本结构的切削刀具，切削刀具的刀具基本结构包括刀具切削刃结构及其参数；

二、进行刀具切削干涉检查，若干涉，对切削刀具进行干涉部位判别；若不干涉，确定使用该切削刀具对工件进行切削实验；

三、输入切削方案对工件进行车削加工，获得切削过程中的刀具振动信号和刀具后刀面磨损图像；

四、以切削刀具的左右刃动态载荷一致性、切削刀具左右后刀面磨损一致性、工件左右螺纹面的加工精度及加工表面质量一致性作为设计目标评判切削刀具的切削方案，若满足设计目标，确定刀具的切削方案；若不满足设计目标，调整切削方案重新对工件进行车削加工。

2.如权利要求1所述的一种大螺距螺纹车削刀具设计方法，其特征在于：步骤三中，切削刀具的左右刃动态载荷一致性是以振动作用下切削刀具左右刃的瞬态切削力一致作为评判标准，

刀具左右刃切削大螺距螺纹时，振动作用下的刀具瞬态切削力计算公式，如式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{cly}\left(t\right)=k_c\·h_{Dl}\left(t\right)\·b_{Dl}\left(t\right)=\frac{k_c\·\[z_{li}\·a_{pli}-a_{pli}\·S_{zl}\left(t\right)-z_{li}\·S_{xl}\left(t\right)+S_{zl}\left(t\right)\·S_{xl}\left(t\right)\]}{{\mathrm{cos\γ}}_l\left(t\right)\·{\mathrm{cos\λ}}_{sl}\left(t\right)}\\ F_{cry}\left(t\right)=k_c\·h_{Dr}\left(t\right)\·b_{Dr}\left(t\right)=\frac{k_c\·\[z_{ri}\·a_{pri}+a_{pri}\·S_{zr}\left(t\right)-z_{ri}\·S_{xr}\left(t\right)-S_{zr}\left(t\right)\·S_{xr}\left(t\right)\]}{{\mathrm{cos\γ}}_r\left(t\right)\·{\mathrm{cos\λ}}_{sr}\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，F_cly(t)、F_cry(t)分别为左、右刃切削时刀具所受瞬态切削力，k_c为单位切削力，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)分别为左、右刃切削时振动作用下刀具瞬态切削宽度和切削厚度，z_li、z_ri、a_pli、a_pri分别为左、右刃切削时刀具理论轴向单次加工余量和径向切削深度，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)分别为刀具左刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)分别为刀具右刃切削时在x、y、z三个方向的振动位移，λ_sl(t)、λ_sr(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作刃倾角，γ_l(t)、γ_r(t)分别为振动作用下刀具左、右刃切削瞬态工作前角，k_c值可由实验获得，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)值根据切削参数及角度计算得来，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)、S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)值由振动试验获得，λ_sl(t)、λ_sr(t)、γ_l(t)、γ_r(t)值根据实验及刀具设计角度计算获得；

切削刀具左右后刀面磨损一致性是以切削刀具的后刀面磨损宽度一致作为评判标准；

工件螺纹面左右刃的加工精度及加工表面质量一致性是以工件螺纹面加工表面不平度w和粗糙度作为评判标准。

3.如权利要求2所述的一种大螺距螺纹车削刀具设计方法，其特征在于：所述粗糙度的参数包括表面轮廓算数平均偏差R_a、轮廓单元平均宽度RSm及轮廓高度不对称分布参数RS_k。

4.如权利要求1所述的一种大螺距螺纹车削刀具设计方法，其特征在于：步骤二中，所用机床为CA6140车床。