CN107052364B - 一种大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法与车削工艺评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法与车削工艺评价方法，属于机械加工术技术领域，大螺距螺纹作为压力机、重型铣镗床中的重要调整组件，其螺纹加工表面形貌沿轴向分布一致性严重影响整机的工作精度，对大螺距螺纹车削工艺提出了较高要求。大型螺纹在实际加工中，其成品件不允许采用破坏螺纹的方式进行检测，大螺距螺纹加工表面形貌的在机提取与检测存在困难，需要通过加工表面形貌仿真分析对车削工艺进行评价。本发明针对加工表面形貌沿轴向分布的变化特性，提出单螺纹面和多螺纹面加工表面形貌及其一致性评价方法，该方法可有效识别满足高加工表面质量要求的刀具磨损和振动特性及刀具使用寿命，提出大螺距螺纹车削工艺评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法与车削工艺评价方法。
背景技术
大螺距螺纹作为压力机、重型铣镗床中的重要调整组件，起到传递运动和力的作用，其加工表面形貌呈现多变状态，导致螺纹面不同部位接触状态不同，螺纹面磨损不均匀性严重，传动精度和传动稳定性下降，严重影响整机工作精度，因此，对大螺距螺纹加工表面形貌提出了很高要求。目前对大螺距螺纹加工表面形貌的研究较少，由于大螺距螺纹特殊的工作状态，其加工表面形貌的研究与静态接触面的加工表面形貌研究有所不同，大螺距螺纹工作时，左右螺纹面均处于接触状态，因此，除考虑局部加工表面形貌外，还必须考虑单个螺纹面和左右螺纹面之间的加工表面形貌分布一致性。
大螺距螺纹加工表面形貌检测过程复杂，通过破坏螺纹进行加工表面形貌检测的方法成本较高，因此，通过仿真方法进行大螺距螺纹加工表面形貌的研究是一种可行的方法。大螺距螺纹车削时，由于刀杆长、刀具刚度低、切削力大，切削时振动较为剧烈；在载荷较大、切削温度较高时，切削刃磨损严重，切削刃刃形保持性差，进行仿真分析时，需要考虑切削过程中的刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响。以往对加工表面形貌的仿真，多数为平面加工表面形貌的仿真，忽略了曲面的曲率特征对加工表面形貌的影响，同时，忽略了刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌沿工件轴向分布特性的影响，加工表面形貌仿真模型的准确性有待提高。
大螺距螺纹对加工表面形貌沿轴向分布一致性的要求，对大螺距螺纹车削工艺提出了较高要求。已有的大螺距螺纹车削工艺评价方法，只考虑加工表面形貌指标水平，如加工表面粗糙度、加工表面残留高度等，无法保证大螺距螺纹左右螺纹面加工表面形貌沿轴向分布的一致性，大螺距螺纹车削工艺评价方法有待进一步研究。
本项发明针对大螺距螺纹切削刃磨损特性，提出刀具切削刃磨损后的刃形表征方法；针对刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响，提出刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌影响的表征方法，进而提出刀具磨损和刀具与工件相对振动影响下的大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法及大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果的验证方法；为提高大螺距螺纹加工表面形貌沿轴向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征与评价方法及大螺距螺纹车削工艺评价方法。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法与车削工艺评价方法。针对大螺距螺纹切削刃磨损特性，提出刀具切削刃磨损后的刃形表征方法；针对刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响，提出刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌影响的表征方法，进而提出刀具磨损和刀具与工件相对振动影响下的大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法及大螺距螺纹加工表面形貌仿真模型的验证方法；为提高大螺距螺纹加工表面形貌沿轴向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征与评价方法及大螺距螺纹车削工艺评价方法。
发明技术方案：
大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法，包括以下步骤，
步骤一、进行大螺距外螺纹精加工车削实验，提取切削刃刃形磨损量，用以构建切削刃刃形方程，
式中，F(l)为切削刃刃形磨损量，l为刃形磨损量检测位置点距刀尖的距离，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)为拟合方程的系数；
步骤二、确定刀具切削刃在机床和工件两坐标系中的位置关系，结合切削刃刃形方程，获得刀具磨损对大螺距螺纹加工表面形貌的影响特性方程，
式中，Zlwit'为t时刻磨损作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，其中，点il'为第i个磨损测量点对应的左切削刃上的位置点，Zlw10为左切削刃刀尖点在Zw轴上的初始坐标值，Δlli为左切削刃上il'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，κγ为主偏角，P为螺距，n为工件转速，lli为左切削刃上il'点与刀尖的距离，F(lli)为左切削刃上i'点处的刃形磨损量；Zrwit'为t时刻磨损作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，其中，点ir'为第i个磨损测量点对应的右切削刃上的位置点，f为螺纹牙顶宽度，d为螺纹大径，d1为螺纹小径，Δlri为右切削刃上ir'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，F(lri)为右切削刃上ir'点处的刃形磨损量；
步骤三、在步骤一所述大螺距螺纹车削实验中，提取切深方向、切削速度方向和沿轴向进给方向的工件、刀具振动时域信号，利用matlab软件进行正弦函数拟合，得到振动加速度信号拟合方程，二次积分得到振动位移方程；对刀具与工件相对振动作用下，切削刃一点在工件坐标系中的坐标值进行解算，解算得到刀具与工件相对振动对切削刃一点位置的影响特性方程，
Xwit″＝Xwit+Fgx(t)+Fdx(t)
Ywit″＝Ywit+Fgy(t)+Fdy(t)
Zwit″＝Zwit+Fgz(t)+Fdz(t)
式中，Xwit”、Ywit”、Zwit”为振动作用下t时刻切削刃上i'点在基准坐标系中的坐标值，Xwit、Ywit、Zwit为t时刻切削刃上i'点在OwXwYw平面上投影点的坐标值，Fgx(t)、Fgy(t)、Fgz(t)分别为工件坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，Fdx(t)、Fdy(t)、Fdz(t)分别为刀具坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，其中，x方向为切削速度放向，y方向为切深方向，z方向为轴向进给方向；
步骤四、根据步骤二和步骤三中磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响特性方程，得到切削刃磨损和刀具与工件相对振动共同作用下，大螺距螺纹加工表面形貌的仿真方程，
式中，d1为螺纹小径，Δli为切削刃上i'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，其中，i'点为第i个磨损测量点对应的切削刃上的位置点，λs为切削刃刃倾角，θ0为切削刃初始角度，Zlwit”'为t时刻磨损和振动共同作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，Zrwit”'为t时刻振动和磨损共同作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，Flgz(t)、Fldz(t)分别为左刃切削时工件坐标系和刀具坐标系沿z方向的振动位移，Frgz(t)、Frdz(t)分别为右刃切削时工件坐标系、刀具坐标系沿z方向的振动位移；
采用matlab软件进行仿真，得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；
步骤五、用线切割机床，对由步骤一所述实验方案加工完成的试件螺纹面进行不同位置处的样块提取，采用超景深显微镜对样块加工表面形貌进行检测，得到大螺距螺纹加工表面形貌实验结果；根据步骤四得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证仿真结果的正确性；
进一步，所述一种加工表面形貌沿轴向分布一致性的表征与评判方法，包括以下步骤，
步骤一、检测大螺距螺纹加工表面形貌并进行评判；
步骤二、进行单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性评判；
步骤三、进行多个螺纹面加工表面形貌的一致性评判；
步骤四、根据关联度的变化范围输出评判结果，关联度变化区间越小，说明多个螺纹面的加工表面形貌一致性越好。
大螺距螺纹车削工艺评价方法，包括以下步骤，
步骤一、确定大螺距螺纹车削工艺方案；
步骤二、进行大螺距外螺纹精加工车削实验，得到q个大螺距螺纹，每个螺纹有左右两个螺纹面，则共得到2q个螺纹面；
步骤三、进行刀具磨损检测和刀具振动信号检测；
步骤四、得出大螺距加工表面形貌仿真模型，并仿真得到加工表面形貌仿真结果；
步骤五、对螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度指数进行检测；
步骤六、如果螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度不符合要求，则工艺方案不合格，如果螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度符合要求，检测单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性是否符合要求；
步骤七、如果单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性不符合要求，则工艺方案不合格，如果单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性符合要求，检测2q个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性是否符合要求；
步骤八、如果2q个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性不符合要求，则工艺方案不合格，如果符合要求，工艺方案合格。
本发明对于现有技术具有以下有益效果：本发明提供一种大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法及车削工艺评价方法，针对大螺距螺纹切削刃磨损特性，构建了切削刃的磨损刃形方程，表征刀具磨损引起的切削刃结构的改变；提出刀具磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌影响的表征方法，揭示出切削刃磨损对加工表面形貌形成过程的影响特性；建立大螺距螺纹加工表面形貌仿真模型，实验验证结果表明，采用该模型获得的加工表面形貌与实验获得的加工表面形貌之间表现出相近的分布特性，该方法可有效解决大型螺纹类零件加工表面形貌在机测量困难问题；针对加工表面形貌沿轴向分布的变化特性，提出单螺纹面和多螺纹面加工表面形貌及其一致性评价方法，该方法可有效识别满足高加工表面质量要求的刀具磨损和振动特性及刀具使用寿命；提出大螺距螺纹车削工艺评价方法，保证大螺距螺纹左右螺纹面加工表面形貌的分布一致性。
附图说明
图1是本发明100倍下的切削刃刃形；
图2是本发明500倍下的切削刃刃形；
图3是本发明切削刃刃形磨损量测量方法；
图4是本发明切削刃磨损量拟合曲线；
图5是本发明切削刃在机床和工件两坐标系中的位置关系；
图6是本发明切削刃上一点在OwXwYw平面上的投影点坐标值解算图；
图7是本发明切削刃上一点在Zw轴上的坐标值解算图；
图8是本发明振动信号检测方案及传感器位置示意图；
图9是本发明工件x、y、z三向振动加速度信号图；
图10是本发明刀具x、y、z三向振动加速度信号图；
图11是本发明x向刀具振动加速度信号拟合结果图；
图12是本发明刀具与工件相对振动作用下的切削刃一点在工件坐标系中的坐标值解算图；
图13是本发明大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果图；
图14是本发明工件左螺纹面仿真与实验形貌对比图；
图15是本发明工件右螺纹面仿真与实验形貌对比图；
图16是本发明螺纹加工表面形貌指标检测及评判方法流程图；
图17是本发明单个螺纹面加工表面形貌指标沿轴向分布一致性评判流程图；
图18是本发明多个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性评判流程图；
图19是本发明大螺距螺纹车削工艺评价方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法，包括以下步骤，
步骤一、进行大螺距外螺纹精加工车削实验，提取切削刃刃形磨损量，用以构建切削刃刃形方程，
式中，F(l)为切削刃刃形磨损量，l为刃形磨损量检测位置点距刀尖的距离，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)为拟合方程的系数；
步骤二、确定刀具切削刃在机床和工件两坐标系中的位置关系，结合切削刃刃形方程，获得刀具磨损对大螺距螺纹加工表面形貌的影响特性方程，
式中，Zlwit'为t时刻磨损作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，其中，点il'为第i个磨损测量点对应的左切削刃上的位置点，Zlw10为左切削刃刀尖点在Zw轴上的初始坐标值，Δlli为左切削刃上il'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，κγ为主偏角，P为螺距，n为工件转速，lli为左切削刃上il'点与刀尖的距离，F(lli)为左切削刃上i'点处的刃形磨损量；Zrwit'为t时刻磨损作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，其中，点ir'为第i个磨损测量点对应的右切削刃上的位置点，f为螺纹牙顶宽度，d为螺纹大径，d1为螺纹小径，Δlri为右切削刃上ir'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，F(lri)为右切削刃上ir'点处的刃形磨损量；
步骤三、在步骤一中所述大螺距螺纹车削实验中，提取切深方向、切削速度方向和沿轴向进给方向的工件、刀具振动时域信号，利用matlab软件进行正弦函数拟合，得到振动加速度信号拟合方程，二次积分得到振动位移方程；对刀具与工件相对振动作用下，切削刃一点在工件坐标系中的坐标值进行解算，解算得到刀具与工件相对振动对切削刃一点位置的影响特性方程，
Xwit″＝Xwit+Fgx(t)+Fdx(t)
Ywit″＝Ywit+Fgy(t)+Fdy(t)
Zwit″＝Zwit+Fgz(t)+Fdz(t)
式中，Xwit”、Ywit”、Zwit”为振动作用下t时刻切削刃上i'点在基准坐标系中的坐标值，Xwit、Ywit、Zwit为t时刻切削刃上i'点在OwXwYw平面上投影点的坐标值，Fgx(t)、Fgy(t)、Fgz(t)分别为工件坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，Fdx(t)、Fdy(t)、Fdz(t)分别为刀具坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，其中，x方向为切削速度放向，y方向为切深方向，z方向为轴向进给方向；
步骤四、根据步骤二和步骤三中磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响特性方程，得到切削刃磨损和刀具与工件相对振动共同作用下，大螺距螺纹加工表面形貌的仿真方程，
式中，d1为螺纹小径，Δli为切削刃上i'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，其中，i'点为第i个磨损测量点对应的切削刃上的位置点，λs为切削刃刃倾角，θ0为切削刃初始角度，Zlwit”'为t时刻磨损和振动共同作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，Zrwit”'为t时刻振动和磨损共同作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，Flgz(t)、Fldz(t)分别为左刃切削时工件坐标系和刀具坐标系沿z方向的振动位移，Frgz(t)、Frdz(t)分别为右刃切削时工件坐标系、刀具坐标系沿z方向的振动位移；
采用matlab软件进行仿真，得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；
步骤五、用线切割机床，对由步骤一所述实验方案加工完成的试件螺纹面进行不同位置处的样块提取，采用超景深显微镜对样块加工表面形貌进行检测，得到大螺距螺纹加工表面形貌实验结果；根据步骤四得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证仿真结果的正确性；
所述一种加工表面形貌沿轴向分布一致性的表征与评判方法，包括以下步骤，
步骤一、检测大螺距螺纹加工表面形貌并进行评判；
步骤二、进行单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性评判；
步骤三、进行多个螺纹面加工表面形貌的一致性评判；
步骤四、根据关联度的变化范围输出评判结果，关联度变化区间越小，说明多个螺纹面的加工表面形貌一致性越好。
大螺距螺纹车削工艺评价方法，包括以下步骤，
步骤一、确定大螺距螺纹车削工艺方案；
步骤二、进行大螺距外螺纹精加工车削实验，得到q个大螺距螺纹，每个螺纹有左右两个螺纹面，则共得到2q个螺纹面；
步骤三、进行刀具磨损检测和刀具振动信号检测；
步骤四、得出大螺距加工表面形貌仿真模型，并仿真得到加工表面形貌仿真结果；
步骤五、对螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度指数进行检测；
步骤六、如果螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度不符合要求，则工艺方案不合格，如果螺纹面加工表面粗糙度和加工面不平度符合要求，检测单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性是否符合要求；
步骤七、如果单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性不符合要求，则工艺方案不合格，如果单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性符合要求，检测2q个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性是否符合要求；
步骤八、如果2q个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性不符合要求，则工艺方案不合格，如果符合要求，工艺方案合格。
进行大螺距外螺纹精加工车削实验，实验对象为半精加工后的大螺距螺纹工件，材料为调质处理后的35CrMo，结构为右旋梯形外螺纹，头数1，螺纹长度为160mm，大径为120mm，小径为104mm，中径为112mm，螺距P为16mm，牙型半角为15°，螺纹槽宽为6.2mm。刀具为可换刀头弹簧式车刀，材料为高速钢(W18Cr4V)，切削刃为左右对称式结构，并由顶刃与左右两个切削刃连接。刀具切削刃角度参数及切削方案如表1和表2所示。
表1切削刃角度参数
表2 35CrMo精加工切削方案
表中，n为工件转速，fz为每转进给量，Zlj为左刃切削单次加工余量，Zrk右刃切削单次加工余量。
为分析不同尺度下的切削刃磨损对加工表面形貌的影响，利用超景深显微镜分别在100倍与500倍下对上述实验中切削完毕的切削刃刃形磨损量进行检测，检测间隔分别为100μm与10μm；其切削刃刃形分别如图1、图2所示。
切削刃刃形磨损量提取方法如图3所示，切削刃的实际磨损量解算方法如式(1)所示。
图3中，l1为切削刃上1'点与刀尖的距离，li为切削刃上i'点与刀尖的距离，lim为切削刃上第i个磨损测量点到切削刃的距离，点i'为第i个磨损测量点对应在切削刃上的位置点。
式中，lim'为切削刃上第i个磨损测量点的实际磨损量。
利用matlab软件进行切削刃刃形磨损量方程拟合，拟合曲线如图4所示：
获得切削刃磨损量拟合方程如式(2)所示，相关参数如表3所示。
式中，F(l)为切削刃刃形磨损量，l为刃形磨损量检测位置点距刀尖的距离，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)为拟合方程的系数。
表3切削刃刃形磨损量方程系数
刀具切削刃在机床和工件两坐标系中的位置关系如图5所示，分析图5可知，切削刃的磨损只会改变切削刃上点在Zw轴上的坐标值。
图5中，Om-XmYmZm为机床坐标系，Ow-XwYwZw为工件坐标系；Zmw为机床坐标系与工件坐标系沿Zw轴方向的距离；θ为切削刃在工件坐标系中转过的角度；Δli为切削刃上i'点沿切削刃方向与刀尖点的距离；点1”，2”，…，i”，…，(i+N)”分别为切削刃上点1'，2'，…，i'，…，(i+N)'在OwXwYw平面上的投影；(i+N)”'为切削刃点(i+N)'磨损后所处位置；下文所讨论的解算公式，所指坐标系均为工件坐标系。
机床坐标系与工件坐标系之间的转换关系如式(3)所示。
切削刃上一点在工件坐标系中的坐标解算方法，如图6和7所示。
图6中，Xwi0、Ywi0为切削刃上点i'在OwXwYw平面上投影点的初始坐标值；Xwit、Ywit为t时刻切削刃上点i'在OwXwYw平面上投影点的坐标值；θ0为切削刃初始角度，d为螺纹大径，d1为螺纹小径。
图7中，Zlw10为左切削刃刀尖点在Zw轴上的初始坐标值，Zrw10为右切削刃刀尖点在Zw轴上的初始坐标值；Zlwi0为左切削刃上il'点在Zw轴上的初始坐标值，其中，点il'为第i个磨损测量点对应的左切削刃上的位置点，Zrwi0为右切削刃上ir'点在Zw轴上的初始坐标值，其中，点ir'为第i个磨损测量点对应的右切削刃上的位置点；Zlwit为t时刻左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，Zrwit为t时刻右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值；f为螺纹牙顶宽度。
根据图6、图7，得到初始时刻、切削刃相对工件转过θ角后，切削刃上任一点的坐标解算方程，分别如式(4)～(7)、式(8)～(11)所示。结合切削刃刃形方程，获得刀具磨损对大螺距左、右螺纹加工表面形貌的影响特性方程，见式(12)、式(13)。
Zlwi0＝Zlw10+△lli·cosκγ (6)
式中，Zlwit'为t时刻磨损作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，lli为左切削刃上il'点与刀尖的距离，F(lli)为左切削刃上i'点处的刃形磨损量；Zrwit'为t时刻磨损作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，Δlri为右切削刃上ir'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，F(lri)为右切削刃上ir'点处的刃形磨损量；
大螺距螺纹切削实验中，对最后一次切削左、右螺纹面的振动信号进行检测，由于切削时机床主轴和工件处于旋转状态，无法对其振动进行直接测量，因此，将传感器固定在距离主轴端部最近的位置处；刀具切削刃始终与工件接触并伴随切屑流出，为避免干涉，将刀具传感器设置在刀具底端距切削刃最近处，所用传感器为振动加速度传感器，信号采集系统为东华DHDAS-5922，振动信号检测方案及传感器振动方向如图8所示。
图8中，x方向为切削速度放向，y方向为切深方向，z方向为轴向进给方向。
工件、刀具振动时域信号如图9、图10所示。
以刀具x向振动信号为例，提取时域信号中振动加速度数据，利用matlab软件进行正弦函数拟合，拟合结果如图11所示。
获得刀具x向时域振动加速度信号拟合方程如式(14)所示。
式中，fdx(t)为t时刻刀具在x方向的振动加速度，aj'、bj'、cj'(j＝1,2,…,8)为拟合方程系数，其值如表4所示。
表4刀具x向振动位移方程系数
对振动加速度信号拟合方程进行二次积分，得到振动位移方程，如式(15)所示。
式中，Fdx(t)为t时刻刀具在x方向的振动位移。
对刀具与工件相对振动作用下，切削刃一点在工件坐标系中的坐标值进行解算，如图12所示。解算得到刀具与工件相对振动对切削刃一点位置的影响特性方程，如式(16)～(18)所示。
图12中，O'-X'Y'Z'是振动作用下的工件坐标系；O1-X1Y1Z1为无振动作用下的刀具坐标系，O1'-X1'Y1'Z1'是振动作用下的刀具坐标系；点C为无振动情况下切削刃上点i所处位置；点C'为振动作用下切削刃上点i所处位置；点A为点C在OwXwYw平面上的投影；点A'为点C'在OwXwYw平面上的投影；Fgx(t)、Fgy(t)、Fgz(t)分别为工件坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移；Fdx(t)、Fdy(t)、Fdz(t)分别为刀具坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移。
Xwit″＝Xwit+Fgx(t)+Fdx(t) (16)
Ywit″＝Ywit+Fgy(t)+Fdy(t) (17)
Zwit″＝Zwit+Fgz(t)+Fdz(t) (18)
式中，Xwit”、Ywit”、Zwit”为振动作用下t时刻切削刃上i'点在基准坐标系中的坐标值，Fgx(t)、Fgy(t)、Fgz(t)分别为工件坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，Fdx(t)、Fdy(t)、Fdz(t)分别为刀具坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移。
根据上述磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响分析，得到切削刃磨损和刀具与工件相对振动共同作用下，大螺距螺纹加工表面形貌的仿真方程，如式(19)～(22)。
式中，Zlwit”'为t时刻磨损和振动共同作用下左切削刃上i点在Zw轴上的坐标值，Zrwit”'为t时刻振动和磨损共同作用下右切削刃上点i在Zw轴上的坐标值，Flgz(t)、Fldz(t)分别为左刃切削时工件坐标系和刀具坐标系沿z方向的振动位移，Frgz(t)、Frdz(t)分别为右刃切削时工件坐标系、刀具坐标系沿z方向的振动位移。
将实验过程中的刀具、工件振动信号与加工后的切削刃磨损量数据拟合形成对应方程，代入式(19)～式(22)中，进行大螺距螺纹加工表面形貌仿真，仿真结果如图13所示。
在上述实验条件下，完成对螺纹的车削得到成品件，利用线切割机床对成品件进行不同位置处的样块提取，采用超景深显微镜对样块加工表面形貌进行检测，得到大螺距螺纹加工表面形貌实验结果。同时，在相同实验条件下，对大螺距螺纹进行加工表面形貌仿真，将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证仿真结果的正确性。
提取位置为距离螺纹左端面10mm、42mm、74mm、106mm和138mm处的螺纹样块，各位置处的左右螺纹面加工表面形貌对比如图14～图15所示。
由图14和图15可以看出，仿真结果与实验结果之间具有一定的相似性，可以反应出加工表面形貌沿轴向的分布特性，说明该仿真模型具有可行性；仿真结果与实验结果有一定的误差，这是由于仿真模型没有考虑大螺距螺纹切削过程中的工件安装误差、主轴回转误差和后刀面与已加工表面之间摩擦等因素对表面形貌的影响。
大螺距螺纹加工表面形貌指标检测及评判方法如图16所示。
图16中，a为沿工件轴向分布的加工表面质量指标，包括平行于切削速度方向的加工表面不平度wx，垂直于切削速度方向的加工表面不平度wy，垂直于切削速度方向的加工表面粗糙度Ra；amax为指标a沿工件轴向分布的最大值；amin为指标a沿工件轴向分布的最小值；为指标a沿工件轴向分布的平均值；σa为指标a沿工件轴向分布的标准差。
螺纹面加工表面质量指标沿轴向分布的最大值、最小值、平均值及标准差的解算方法为：
amax＝maxau,amin＝minau,(u＝1,2,...,p) (23)
式中，au为第u个检测样块的加工表面质量指标值，u＝1，2，…，p，p为总的样块个数。
按如下方法进行加工表面质量评判：
式中，[a]为指标a沿轴向分布的允许最大值；为指标a沿轴向分布的平均值的允许最大值；[σa]为指标a沿轴向分布标准差的允许最大值。
大螺距螺纹加工表面形貌检测完成后，进行单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性评判，具体评判方法如图17所示。
图17中，Y为以amin构建的等值参考序列，X为以a沿轴向的实际检测值建立的比较序列；ε为序列Y和序列X的灰色绝对关联度；γ为序列Y和序列X的灰色相对关联度；ρ为序列Y和序列X的灰色综合关联度；θ'∈[0,1]，该参数用于调节绝对关联度和相对关联度对综合关联度的影响程度，一般取θ'＝0.5；[ε]为灰色绝对关联度允许最小值；[γ]为灰色相对关联度允许最小值；[ρ]为灰色综合关联度最小允许值；R0表示序列Y和序列X的绝对关联度ε、相对关联度γ、综合关联度ρ均满足加工要求，即该螺纹面加工表面形貌指标沿轴向分布一致性满足加工要求；R1、R2、...、R5表示该螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性不满足加工要求。
多个螺纹面加工表面形貌的一致性对于整机的工作精度具有重要意义，其评判方法如图18所示。
图18中，q为螺纹面总数；Xmin v为以第v个螺纹面加工表面形貌指标amin构建的等值参考序列，v＝1，2，…，q；Xv为第v个螺纹面加工表面形貌指标a的行为序列，v＝1，2，…，q，au v表示第v个螺纹面上第u个检测样块的加工表面形貌指标，u＝1，2，…，p；εv为序列Xv与序列Xmin v的绝对关联度，γv为序列Xv与序列Xmin v的相对关联度，ρv为序列Xv与序列Xmin v的综合关联度；εt为q个螺纹面中灰色绝对关联度的最大值，γt为q个螺纹面中灰色相对关联度最大值，ρt为q个螺纹面中灰色综合关联度最大值；Xt为第t个螺纹面加工表面质量指标a的行为序列，该序列与序列Xmin t的绝对关联度、相对关联度、综合关联度分别为εt、γt、ρt；Sε为各比较序列与参考序列之间的灰色绝对关联度集合；Sγ为各比较序列与参考序列之间的灰色相对关联度集合；Sρ为各比较序列与参考序列之间的灰色综合关联度集合。
将集合Sε、Sγ和Sρ中的灰色关联度由小到大进行排序，得到灰色关联度变化范围：
min{εit}<εit<max{εit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q； (26)
min{γit}<γit<max{γit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q； (27)
min{ρit}<ρit<max{ρit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q； (28)
式中，εit为序列Xi与序列Xt的灰色绝对关联度，γit为序列Xi与序列Xt的灰色相对关联度，ρit为序列Xi与序列Xt的灰色综合关联度，其中，i＝1，…，t-1，t+1，…，q。
根据灰色关联度的变化范围输出评判结果，灰色关联度变化区间越小，说明多个螺纹面的加工表面形貌一致性越好。
针对大型螺纹类零件加工表面形貌在机测量困难问题，同时，为保证大螺距螺纹加工表面形貌的分布一致性，提出了大螺距螺纹车削工艺评价方法，如图19所示。
图19中，对螺纹面加工表面质量、单个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性和2q个螺纹面加工表面形貌沿轴向分布一致性的评判分别按图16、图17和图18进行。
以往对加工表面形貌的仿真，多数为平面加工表面形貌的仿真，忽略了曲面的曲率特征对加工表面形貌的影响，同时，忽略了刀具磨损、刀具-工件相对振动对加工表面形貌沿工件轴向分布特性的影响，无法保证加工表面形貌仿真模型的准确性；已有的大螺距螺纹车削工艺评价方法，只考虑加工表面粗糙度水平，无法保证大螺距螺纹左右螺纹面加工表面形貌沿轴向分布的一致性。
本项发明针对大螺距螺纹切削刃磨损特性，提出刀具切削刃磨损后的刃形表征方法；针对刀具磨损、刀具-工件相对振动对加工表面形貌的影响，提出刀具磨损、刀具-工件相对振动对加工表面形貌影响的表征方法，进而提出刀具磨损和刀具-工件相对振动影响下的大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法及大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果的验证方法；为提高大螺距螺纹加工表面形貌沿轴向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征与评价方法及大螺距螺纹车削工艺评价方法。
Claims (1)
1.大螺距螺纹加工表面形貌仿真方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一、进行大螺距外螺纹精加工车削实验，提取切削刃刃形磨损量，用以构建切削刃刃形方程，
式中，F(l)为切削刃刃形磨损量，l为刃形磨损量检测位置点距刀尖的距离，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)为拟合方程的系数；
步骤二、确定刀具切削刃在机床和工件两坐标系中的位置关系，结合切削刃刃形方程，获得刀具磨损对大螺距螺纹加工表面形貌的影响特性方程，
式中，Zlwit'为t时刻磨损作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，其中，点il'为第i个磨损测量点对应的左切削刃上的位置点，Zlw10为左切削刃刀尖点在Zw轴上的初始坐标值，Δlli为左切削刃上il'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，κγ为主偏角，P为螺距，n为工件转速，lli为左切削刃上il'点与刀尖的距离，F(lli)为左切削刃上i'点处的刃形磨损量；Zrwit'为t时刻磨损作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，其中，点ir'为第i个磨损测量点对应的右切削刃上的位置点，f为螺纹牙顶宽度，d为螺纹大径，d1为螺纹小径，Δlri为右切削刃上ir'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，F(lri)为右切削刃上ir'点处的刃形磨损量；
步骤三、在步骤一所述大螺距螺纹车削实验中，提取切深方向、切削速度方向和沿轴向进给方向的工件、刀具振动时域信号，利用matlab软件进行正弦函数拟合，得到振动加速度信号拟合方程，二次积分得到振动位移方程；对刀具与工件相对振动作用下，切削刃一点在工件坐标系中的坐标值进行解算，解算得到刀具与工件相对振动对切削刃一点位置的影响特性方程，
Xwit″＝Xwit+Fgx(t)+Fdx(t)
Ywit″＝Ywit+Fgy(t)+Fdy(t)
Zwit″＝Zwit+Fgz(t)+Fdz(t)
式中，Xwit”、Ywit”、Zwit”为振动作用下t时刻切削刃上i'点在基准坐标系中的坐标值，Xwit、Ywit、Zwit为t时刻切削刃上i'点在OwXwYw平面上投影点的坐标值，Fgx(t)、Fgy(t)、Fgz(t)分别为工件坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，Fdx(t)、Fdy(t)、Fdz(t)分别为刀具坐标系沿x、y、z三个方向的振动位移，其中，x方向为切削速度放向，y方向为切深方向，z方向为轴向进给方向；
步骤四、根据步骤二和步骤三中磨损、刀具与工件相对振动对加工表面形貌的影响特性方程，得到切削刃磨损和刀具与工件相对振动共同作用下，大螺距螺纹加工表面形貌的仿真方程，
式中，d1为螺纹小径，Δli为切削刃上i'点沿切削刃方向与刀尖点的距离，其中，i'点为第i个磨损测量点对应的切削刃上的位置点，λs为切削刃刃倾角，θ0为切削刃初始角度，Zlwit”'为t时刻磨损和振动共同作用下左切削刃上il'点在Zw轴上的坐标值，Zrwit”'为t时刻振动和磨损共同作用下右切削刃上ir'点在Zw轴上的坐标值，Flgz(t)、Fldz(t)分别为左刃切削时工件坐标系和刀具坐标系沿z方向的振动位移，Frgz(t)、Frdz(t)分别为右刃切削时工件坐标系、刀具坐标系沿z方向的振动位移；
采用matlab软件进行仿真，得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；
步骤五、用线切割机床，对由步骤一所述实验方案加工完成的试件螺纹面进行不同位置处的样块提取，采用超景深显微镜对样块加工表面形貌进行检测，得到大螺距螺纹加工表面形貌实验结果；根据步骤四得到大螺距螺纹加工表面形貌仿真结果；将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证仿真结果的正确性。
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