大螺距多頭梯形螺紋數控車削單因素影響研究

滕淑珍， 韋志鋼， 宋良永， 王曉慧

（浙江工貿職業技術學院汽機學院，浙江溫州325000）

0 引 言

近年來，機械制造業不斷飛速發展，數控加工具有準確度高、加工速度快、可靠性高的特點，不斷取代傳統加工方式，逐漸成為目前加工制造業的主流加工方式。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，成為如今企業生產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控車床上加工，普通車床的優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、產品互換性差、設備的運行剛度和穩定性差、加工效率低。數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、扎刀和崩刀現象。因進給速度F值大，受線速度限制，無法實現高轉速加工，硬質合金刀具加工表面質量差[4-8]。如何在經濟型數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]提出數控高速車削梯形螺紋的方法，指出數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控高速車削有一定難度，應合理使用刀具及編程，防止出現扎刀、崩刀現象。盧萬強[11]提出基于大螺距螺紋分層車削的參數編程研究，分析普通螺紋的進刀方式，提出采用參數編程實現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如表1所示。

表1 切削參數

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，保證徑向切深ae、螺紋頭數Z不變，控制主軸轉速變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數選取如表2所示。

表2 實驗參數選取表

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，保證主軸轉速、螺紋頭數Z不變，控制徑向切深ae變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數選取如表3所示。

表3 實驗參數選取表

1.3 螺紋頭數Z對切削力的影響試驗方案

螺紋頭數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，保證主軸轉速n、徑向切深ae不變，控制螺紋頭數Z變化，進行有載切削振動試驗。其實驗參數選取如表4所示。

表4 實驗參數選取表

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，保證主軸轉速n、徑向切深ae，開粗狀況一致，頭數不變，進行有載切削振動試驗。其實驗參數選取如表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Z不變，控制主軸轉速變化，進行3組負載切削振動試驗。經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 實驗參數選取表

表6 3組數據標準偏差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組數據標準偏差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Z變化，進行3組有載切削振動試驗。經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組數據標準偏差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Z不變，進行3組有載切削振動試驗。經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 三組數據標準偏差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，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力都沒有明顯變化。

由于經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，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力最高，當徑向切深ae繼續減小，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力不斷降低，Fy、F合方向尤為明顯。結合生產效率、切削力均衡考慮，我們正交試驗選擇3、4、5 mm首層切深。

根據表12實驗切削力結果，繪制螺紋頭數Z對切削力的影響曲線如圖5所示。

圖5 螺紋頭數Z對切削力的影響

根據圖5螺紋頭數Z對切削力的影響分析，當螺紋頭數Z為4時，Fx方向所需要的切削力最低，當螺紋頭數Z增多時，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高，Fy、F合方向尤為明顯。由于機床受限，頭數多少直接影響加工速度，實際生產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

根據圖6精修量對切削力的影響分析，當精修量增大后，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高。實際生產中由于接觸面積大，精修余量一般在0.05 mm以內，為體現試驗效果，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，Fx、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，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力最高，當徑向切深ae變小，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力不斷降低，Fy、F合方向尤為明顯。

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

4）當精修量增大后，Fx、Fy、Fz、F合方向所需要的切削力明顯升高。