余松林，黃勇，馬生俊, 王宏

(新疆工程學院 a. 工程技能實訓學院； b. 機電工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830023)

0 引言

矩形螺紋作為傳動效率最高的螺紋，廣泛地應用于機械工程、煤炭煤化工、礦山機械等領域的機械設備轉動裝置。但矩形螺紋具有制造困難、加工精度差、加工效率低、螺旋副磨損后的間隙難以補償或修復等問題。特別是多頭大導程矩形螺紋，可以使機械傳動效率成倍的增加，但是在加工過程中存在刀具磨損極快，刀具振動嚴重和扎刀等現(xiàn)象，大大地降低了刀具的使用壽命，嚴重地影響零件加工精度和加工效率[1]。滕淑珍等人研究了影響大螺距多頭梯形螺紋數(shù)控車削的主要因素,采用單因素試驗,分析切削參數(shù)對切削力與振動的影響規(guī)律和特點[2]；彭熙熙等人對蝸桿和大導程螺紋切削工藝進行了改進型研究[3]；李軍委對車削大螺距螺紋刀具振動磨損進行了深入研究[4]。

本文對多頭矩形螺紋進行切削受力分析，建立特定的刀具模型，采用橫線進刀線性遞減、縱向刀具軌跡偏移的方式完成刀具切削路徑規(guī)劃，并通過數(shù)控加工的實現(xiàn)和零件加工質量檢測驗證其可行性，大大地提高了零件加工精度和加工效率，降低了刀具的切削受力，延長了刀具的使用壽命，為類似該幾何特征零件加工提供參考。

1 大導程矩形螺紋加工刀具模型建立

多頭大導程矩形螺紋常見的加工方法主要有普通車削、數(shù)控車削和四軸加工中心銑削。普通車床加工精度低、勞動強度大；四軸加工中心雖然能夠保證零件的加工精度，但是加工效率低且成本高。因此數(shù)控車削加工的方式被廣泛應用，但在數(shù)控車削過程中存在易斷刀和零件加工精度低等問題，因此需要對大導程矩形螺紋進行切削受力分析，建立刀具模型[5]。

車削過程中，刀具相對于工件運動速度主要包括：軸向進給速度Vf、主切削速度Vc和實際切削速度Vs。在小螺距車削和外圓車削過程中，軸向進給速度Vf相對于主切削速度Vc極小，主切削速度Vc近似于實際切削速度Vs。所以主切削力Fc做功占機床所做總功的95%以上，進給力Ff做功僅占機床所做總功的1%～5%，理想狀態(tài)下Fp不做功，任何零件車削加工，都滿足如下公式[6]：

(1)

Vf=nP

(2)

式中：d為工件直徑；n為主軸轉速；P為導程。

由式(2)可知，導程P越大，進給速度Vf越大，進給力Ff也明顯增加。在加工過程中極易增加刀具的抗力，導致切削過程中刀具出現(xiàn)劇烈震動甚至斷裂的現(xiàn)象，嚴重影響工件的加工質量和刀具使用壽命。

由圖1受力分析示意圖可知，因大導程矩形螺紋加工軸向進給速度Vf對實際切削速度的影響很大，因此實際切削速度Vs應該是主切削速度Vc和軸向進給速度Vf的合成。從切削力角度考慮，刀具的實際切削力Fs則是進給力Ff和主切削力Fc的合成。

圖1 車削刀具受力分析示意圖

在矩形螺紋車削過程中，由于螺旋升角的影響，如果采用傳統(tǒng)切槽刀具水平安裝，則靜態(tài)后角α0和副后角α′0小于理想工作后角β，導致刀具主后刀面與矩形槽發(fā)生干涉，或因靜態(tài)后角α0過大刀具強度不夠，切削力過大導致刀具斷裂。

綜合以上分析可知，由于矩形螺紋大導程和螺旋升角的影響，若采用傳統(tǒng)切槽刀具加工，刀具后角極易與矩形槽發(fā)生干涉。如果刀具的后角過大，刀具強度較低，呈負前角的刀具產生過大的切削力容易造成刀具斷裂。因此傳統(tǒng)的切槽刀具不能滿足大導程矩形螺紋的加工要求，需要根據(jù)加工螺紋的基本參數(shù)對刀具參數(shù)進行設計。令螺紋的螺旋升角為γ，刀具的靜態(tài)基面與實際工作基面夾角為γ，刀具刃傾角λ與刀具的靜態(tài)基面與實際工作基面夾角γ相等時，可以有效避免刀具后角與矩形槽發(fā)生干涉和降低切削抗力。大導程矩形螺紋加工的刀具模型如圖2所示，其中Kr為主偏角，K′0為副主偏角，γ0為前角，α0為后角，α′0為副后角，λ為刃傾角。

圖2 刀具模型示意圖

2 多頭大導程矩形刀具路徑規(guī)劃

刀具切削路徑規(guī)劃是影響零件加工質量和加工效率的主要因素。多頭大導程矩形螺紋具有螺紋頭數(shù)多、導程大和矩形槽深等特點。為了優(yōu)化數(shù)控加工程序，避免多次定義螺紋起始點角度偏移量，刀具路徑規(guī)劃宜逐頭對大導程矩形螺紋進行加工。由于螺旋槽不僅深而且寬，無法采用刀具直接成型，需要將刀具所走的螺紋輪廓分別沿縱橫兩個方向多次偏移才能完成螺紋加工。為了減小切削抗力，避免排屑不暢，橫向吃刀深度應線性遞減[7-9]。

f(n)=f(n1)+(n-1)d

式中：f(n)為第n次背吃刀量；f(n1)為第1次背吃刀量；d為進刀線性遞減量。

令縱向刀具切削總深度為

其中：n為第n次縱向偏移完成零件加工；x為第x次切削。

由于矩形紋導程大，背吃刀量過大，刀具加工過程因切削受力過大極易導致刀具折斷或加工表面出現(xiàn)振紋。以大徑為40mm、導程為48mm、截面矩形槽尺寸長寬均為6mm的矩形螺紋為例，進刀線性遞減量d是決定矩形螺紋加工質量和加工效率的核心要素之一，通過實驗驗證可得d為0.05mm，最大背吃刀量為0.12mm較為合理，即d=0.05mm，f(n1)=0.12mm。由以上分析可得

S(n)=nf(n1)+n(n-1)d/2=6，

則：n1=13.708，n2=-16.169 1。

由于刀具軌跡縱向偏移次數(shù)n為正整數(shù)，因此需要對n進行修正得n=14，將n代入上式反求得d=0.047。

刀具軌跡縱向偏移決定矩形螺紋的寬度尺寸，令矩形槽寬度為d，刀具寬度w，縱向偏移量為Δx，可得

則刀具軌跡縱向偏移次數(shù)為

多頭大導程矩形螺紋的幾何特征就是單頭大導程矩形螺紋幾何特征沿軸線的圓周整列。單頭大導程矩形螺紋路徑規(guī)劃如圖3所示，多頭大導程矩形螺紋路徑僅需要多對單頭大導程矩形螺紋路徑繞軸線變換，為了避免矩形槽內留有接刀痕，刀具軌跡縱向偏移時Δx應小于刀具寬度w。

圖3 單頭矩形螺紋加工刀具路徑規(guī)劃示意圖

3 多頭大導程矩形螺紋數(shù)控加工的實現(xiàn)

3.1 加工刀具

參考建立的大導程矩形螺紋加工刀具模型，如批量生產可在刀具廠家定制專用刀具，單件或小批量生產可以采用白鋼條在線切割上按照刀具模型的幾何角度進行切割，再采用精鋼砂輪對刀具幾何角度進行修磨。 圖4是白鋼條制作的加工導程48mm的矩形螺紋刀具，其中Kr=3°，K′0=0°,α0=7°，α′0=5°，λ=52.4°，刀具寬度為4mm[10-11]。

圖4 刀具實物圖

3.2 零件加工關鍵程序分析

針對以上規(guī)劃的刀具路徑采用數(shù)控系統(tǒng)自帶的循環(huán)無法實現(xiàn)多頭大導程矩形螺紋加工，需要通過增量編程或G91相對編程參考刀具路徑規(guī)劃數(shù)學模型編寫子程序輪廓，通過IF條件語句或WHILE多次循環(huán)調用才能實現(xiàn)多頭大導程矩形螺紋數(shù)控加工，且進刀和退刀安全距離的設置一定要大于矩形槽寬[12-13]。

本文以大徑D=40mm,導程P=48mm，截面矩形槽尺寸長和寬均為6mm，螺紋頭數(shù)N=6，長度為400mm，加工材料為304不銹鋼的矩形螺紋加工為例，參考規(guī)劃的刀具切削路徑，通過相對編程多次調用子程序和變量控制的方式建立循環(huán)，加工程序如下：

主程序： 子程序：

M3S20 %200

T0101M08 G91G32Z-406P[#50]F48

G0X40Z10 G0X30

#50=0 G0Z404

WHILE [#50] LE [300] G0X-30

#1=1 M99

WHILE [#1] LE [14]

#2=#1*0.12+#1*[#1-1]*0.05

G90G0X[40-#2]*0.05]Z5

M98P200L2

G90G0X60

G0Z10

#1=#1+1

ENDW

#50=#50+60

ENDW

G90G0X100

G0Z100

M30

3.3 零件加工過程及質量檢測

由于加工零件細長，為了保證零件的加工過程安全可靠，需要采用圖5所示的一夾一頂?shù)难b夾工藝；為了保證退刀安全需要加工退刀槽。切削過程中避免刀具與工件、卡盤和頂尖發(fā)生干涉，并保證加工刀具充分冷卻，加工零件如圖6所示[14]。

圖5 六頭矩形螺紋加工圖

圖6 六頭矩形螺紋實物圖

對加工零件去毛刺后，采用千分尺和深度尺對六頭矩形螺紋按螺紋起始點偏移角度的先后分別對A區(qū)域、B區(qū)域和C區(qū)域進行測量，令A區(qū)域、B區(qū)域、C區(qū)域槽深分別為Ha、Hb和Hc，寬度分別Wa、Wb和Wc，螺紋起點偏移角度為SP,測量數(shù)據(jù)見表1。從表1測量數(shù)據(jù)可以看出，隨著加工螺紋起點偏移角度的不斷增加，矩形槽寬和槽深尺寸呈現(xiàn)減小的趨勢，是由于加工過程中刀具逐漸磨損所致；B區(qū)域的槽深略低于A區(qū)域和C區(qū)域，是因為B區(qū)域切削剛性差，加工過程中可能出現(xiàn)讓刀所致；B區(qū)域槽寬略大于A區(qū)域和C區(qū)域槽寬，是因為B區(qū)域切削剛性差，刀具發(fā)生相對較強震動所致,但總體來講加工零件尺寸精度較高，能夠滿足一般使用場所的精度要求。

表1 六頭矩形螺紋矩形截面尺寸

4 結語

通過對大導程矩形螺紋切削受力分析，建立了刀具模型，為刀具的定制和刃磨提供了依據(jù)。采用縱向線性遞減進刀，橫向疊加偏移的刀具路徑規(guī)劃進一步減小刀具切削力，為大導程矩形螺紋的加工精度提供了保證。通過對單頭大導程矩形螺紋繞軸線變換的思路，實現(xiàn)了六頭大導程矩形螺紋的加工，為類似的大導程螺紋加工提供了參考。