步進式振動攻絲扭矩監控研究

鞏樹奇，張鵬，鞏富曉，鄭春華，劉振明（.山東交通學院， 山東 濟南 50357；.中國船級社，山西 太原 03000）

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步進式振動攻絲扭矩監控研究

鞏樹奇1，張鵬1，鞏富曉2，鄭春華1，劉振明1
（1.山東交通學院， 山東 濟南 250357；2.中國船級社，山西 太原 030002）

摘要：在小螺孔的加工處理中，攻絲是一個非常重要的工藝，因在對攻絲進行加工處理時，通常是在半封閉的條件下完成切削，這種方式使得切削液無法深入到切削區域內，并且因此加大了排屑的難度，造成了較為惡劣的切削條件。難加工材料小孔攻絲，由于攻絲扭矩大，絲錐易崩齒和折斷導致攻絲無法進行。本文通過步進式振動攻絲攻絲，來提升切削的瞬時速度，在未出現塑性變形傳播時就迅速將其切下，這樣一來大大降低了切屑變形現象，并且也實現了對磨擦系數的控制，因此減少了絲錐的扭矩。同時通過扭矩監控測量進行監控，起到不會因為扭矩驟然增大，絲錐斷裂使加工件廢棄。

關鍵詞：振動攻絲；攻絲扭矩；扭矩監控

伴隨著時代的進步和科學技術的快速發展，其對產品質量的要求也隨之越來越高，這使得越來越多的機械制造人員投身到新型內螺紋加工和傳統內螺紋加工改進行列中。攻絲是一種以半封閉來實施加工的工藝，在進行加工時，由于切削液很難進入到切削區域，從而引起排屑困難、斷屑等一系列問題，同時加大了切削扭矩，非常容易折斷絲錐，從而給產品加工效率與質量造成影響。本研究對—步進式振動攻絲進行分析探討，了解其在扭矩監控中的應用[1]。

1　步進式振動切削

1.1振動切削

振動切削是一種脈沖切削，是一種基于傳統切削流程中，對工件或者刀具實施某種參數可控制的具有較高規律的振動。振動切削的參數主要包括了振幅、振動頻率。振動鉆削是一種基于切削理論和振動理論等基礎理論上，發展起來的一種新穎的鉆削加工處理辦法，可以說是一種振動切削的分支，相較于普通鉆削的根本所在，是在實施鉆孔處理期間，經由振動裝置來實現對工件與鉆頭之間相對運動的有效控制[2]。

1.2步進式振動切削

步進式振動切削法并非是直接采用刀具來促使其產生振動，而是通過在刀具的后方，設置相應的工具打擊裝置來促使其產生振動，從而保證刀具能夠進行有效的振動切削。這種方式的切削原理主要是間斷性實施，切削力也屬于脈沖狀，為此，相較于普通的振動切削，這種方式的切削效果更佳。同時在進行切削期間，步進式振動切削刀具所表現出的狀態，與普通振動切削也有非常明顯的差異，其在不進行切削時，通常情況是處于接觸的情況下。

因此，普通振動切削時，由于刀具與工件脫離后退，后刀面的摩擦造成刀具劇烈磨損，于此同時，還因為刀具與被切材料之間重復性地沖擊（切入時）和分離，從而容易造成刃口的崩刃。而在步進式振動切削時，這種現象卻減少或消除了。步進式振動攻絲是建立在振動理論和切削理論等相關理論基礎上的新穎的攻絲方法，是對難加工材料或小直徑孔進行攻絲加工的有效方法之一，屬于步進式振動切削的一個分支。

一般來說，產生螺旋線方向的振動方式有兩種，一種是采用螺紋靠模方式，由圓周方向的振動通過螺紋靠模產生沿螺旋線方向的振動，這種方式所加工出的螺紋精度較高，但針對不同的螺紋將采用不同的螺紋靠模，實現起來較復雜，一般用于螺紋加工精度要求高的場合另一種是采用絲錐的自導向原理，通過絲錐自身的螺紋導向，將圓周方向的振動變為沿螺旋線方向的振動，這種方式結構簡單，使用方便。

1.3步進式振動攻絲的運動特點

振動攻絲最初源自振動切削，其實質就是除絲錐圓周運動之外，再以絲錐或者工件一個軸向或者圓周方向來進行振動，以此來實現脈沖切削。

步進式振動攻絲在一個振動周期時間內，只有一個運動段投入到切削，最新的切削區域和刀具會表現出明顯的時切時停，這樣一來可促使金屬趨向朝著脆性狀態發展，更利于塑性變形的有效控制，同時還可達到降低摩擦系數的目的，并對切削力也實現了較大程度的控制。與此同時，切削刃在對最新切削區實施進行間斷性切削，這使得切削層塑性流動呈現為非常明顯的周期性流動變化，并且使得斷屑問題也得到了有效解決。根據上面的分析結果來看，不難發現，步進式振動攻絲中同樣存在諸多工藝因素，都均有助于對切削力和切削熱的有效控制，且可對刀具磨損等問題進行有效改善，從而可更好的促使攻絲加工效率的提升，并且可對絲錐的壽命進行提升，從而確保加工質量得到有效保護。

2　扭矩監控測量

步進式振動攻絲是一種新型的內螺紋加工工藝，攻絲采用“脫離一切削一脫離’，方式對工件進行振動切削，可以降低攻絲扭矩，不能有效地解決小孔攻絲的難題。但振動攻絲仍屬于切削攻絲范疇，絲錐刀齒的側后面及齒頂后面有很大的法向力，從而造成很大的摩擦扭矩，并且也存在著排屑等問題。由此在步進式振動切削的基礎上添加扭矩測量系統，來監測扭矩大小，使鉆削不會出現扭矩驟然增大絲錐斷裂的情況[6-8]。

現有攻絲扭矩的測量主要通過兩個方法來實現，扭矩傳感器以及機床電機電流監測法。

2.1扭矩傳感器

在扭矩測試過程中，傳感器是其中非常重要的組成部分，它主要是對各種轉速、扭矩和機械功率實施測量，它可將扭力的變化轉化為電信號，并且其精度可對整個系統精度造成影響。絲扭矩信號經預處理后，再通過A/D轉換送給PC機，最后由相應的軟件對扭矩信號進行分析處理。如鉆削測力計，該測力計主要是對鉆削期間，最基本的手段和儀器，結合被測的鉆削力的變化，對扭矩大小做出相應的判斷，從而進行監控。

2.2機床電機電流監測法

機床電機電流監控法的監控原理是：當加工過程中切削力發生變化時會引起電機電流發生變化，將電機實際電流信號傳遞給檢測模塊并轉換成數字信號的實際電流數據，檢測模塊與控制模塊連接，將所述實際電流數據傳遞給控制模塊進行處理，控制模塊與電動執行機構控制器連接，將處理后的控制信號傳遞給電動執行機構控制器，當電機電流超過電機的額定電流時，電機電流檢測模塊輸出報警信號給電動執行機構控制器進行處理，從而停止電機運行已達到保護的作用。

3　結語

通過步進式振動攻絲切削，可達到有效提升切削速度的效果，切屑的塑性變形在還未進行傳播時，就被迅速切屑，大大降低了切削變形問題，同時也很大程度上對摩擦系數進行了控制，為此，使得切削扭矩和切削力也同時得到了明顯控制。同時通過扭矩測量進行監控，起到不會因為扭矩驟然增大，絲錐斷裂使加工件廢棄。

參考文獻：

[1] 張家鑫. 步進式振動攻絲運動學分析及實驗研究[D]. 西安理工大學碩士學位論文，2008.

[2] 王春明. 步進式振動鉆削理論及實驗研究[D]. 西安理工大學碩士學位論文，2007.

[3] 殷寶麟，于影，陳思羽. 低頻扭轉振動攻絲系統的研制[J]. 工具技術，2009,43(8): 58～62.

[4] 王致堅，劉舜堯. 低頻振動切削在攻絲中的應用[J].機械設計與制造，2008,(3): l00～l01.

[5] 馬利杰，王貴成. 振動攻絲扭矩的研究[J].工具技術，2004,38(8): 3～5.

[6] 鄭譚. 高速旋轉軸的動態扭矩測試研究[D].中北大學碩士學位論文，2015.

[7] 韓榮第，殷寶麟，崔永鵬. 難加工材料小孔振動攻絲試驗研究[J].哈爾濱工業大學學報，2008,40(1):49～53.

[8] 殷寶麟. 振動攻絲機理及典型難加工材料小孔振動攻絲試驗研究[D].哈爾濱工業大學博士學位論文，2008.

[9] 韓麗麗. 三向壓電鉆削測力儀的設計及扭矩加載器的研制[D].大連理工大學博士學位論文，2006.

(P-01)

Research on stepping vibration tapping torque monitoring

中圖分類號：TG62

文章編號：1009-797X(2016)12-0086-02

文獻標識碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.035

作者簡介：鞏樹奇（1992-），男，山東交通學院，碩士在讀。

收稿日期：2016-05-19