本發(fā)明設(shè)計(jì)刀具切削領(lǐng)域，具體涉及一種大螺距螺紋車削刀具設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
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螺距大于4mm的螺紋定義為大螺距螺紋，此類零件作為大型壓力機(jī)調(diào)整組件螺桿，控制上下模板間的位置精度，對(duì)壓力機(jī)整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)精度具有重要影響。大螺距外螺紋牙型槽寬且深、螺距和軸向長度大，屬于非標(biāo)準(zhǔn)螺紋，加工余量大，左右螺紋面的螺距、齒形精度及螺紋表面質(zhì)量一致性要求高。

已有的螺紋刀具主要有車刀、板牙、滾絲輪、搓絲板和絲錐；普通中小型螺紋切削刀具難以滿足大螺距螺紋的加工要求，加工效率較低；板牙僅適用于中小型外螺紋的小批量加工；滾絲輪主要用于小螺距外螺紋的大批量加工，可以加工長度較大的螺桿；搓絲板主要用于大批量加工長度較短的螺桿；絲錐分為普通絲錐和擠壓絲錐，普通絲錐主要用于小孔徑，大小批量均可的內(nèi)螺紋加工，擠壓絲錐用于較軟的材質(zhì)的小螺距內(nèi)螺紋大批量的加工；螺紋車刀，主要用于非標(biāo)準(zhǔn)螺距的小批量加工；但已有的螺紋車削刀具主要用于中小型螺距的螺紋加工，無法達(dá)到大螺距螺紋的左右螺紋面高一致性的要求，大螺距螺紋車削加工中存在的左右螺紋加工表面形貌及精度的差異較大，刀具左右刃切削載荷不一致導(dǎo)致的刀具磨損狀態(tài)差別大、左右刃壽命不一致，加工效率降低等問題。如何設(shè)計(jì)車削刀具，如何控制切削過程中的載荷、排屑，以保證左右螺紋面加工精度和加工質(zhì)量的一致性并提高刀具壽命，成為大型壓力機(jī)大螺距螺桿加工亟待解決的關(guān)鍵問題。

已有的大螺距螺紋刀具設(shè)計(jì)方法主要是基于螺紋結(jié)構(gòu)特征匹配，根據(jù)零件的特征參數(shù)，來選擇匹配的刀具，完成切削刃結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)；依據(jù)設(shè)計(jì)出的刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以選擇與之匹配的工藝方法；該方法中的螺紋加工表面形貌及精度只能靠改變工藝參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整，由于刀具結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的切削質(zhì)量問題則無法得到解決，并且切削效率無法獲得保證。已有方法的設(shè)計(jì)目標(biāo)只要滿足表面粗糙度不超過最大值，磨損區(qū)域?qū)挾刃∮谧畲笾导纯?，該方法解決不了特定約束下左右螺紋面的分布一致性問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明為提高車削大螺距螺紋刀具左右刃動(dòng)態(tài)切削的一致性，提出一種車削大螺距螺紋刀具的設(shè)計(jì)方法；該方法使得刀具左右刃載荷達(dá)到改善，磨損減弱且一致性好，使工件的加工質(zhì)量得到提高。

本發(fā)明的大螺距螺紋車削刀具設(shè)計(jì)方法，為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案在于包括以下步驟：

一、按照所加工的大螺距螺紋工件的結(jié)構(gòu)特征確定工藝方案和工序切削方式，依據(jù)工藝方案和工序切削方式設(shè)定適合車削大螺距螺紋工件所具備的刀具基本結(jié)構(gòu)的切削刀具，切削刀具的刀具基本結(jié)構(gòu)包括刀具切削刃結(jié)構(gòu)及其參數(shù)；

二、進(jìn)行刀具切削干涉檢查，若干涉，對(duì)切削刀具進(jìn)行干涉部位判別；若不干涉，確定使用該切削刀具對(duì)工件進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)；

三、輸入切削方案對(duì)工件進(jìn)行車削加工，獲得切削過程中的刀具振動(dòng)信號(hào)和刀具后刀面磨損圖像；

四、以切削刀具的左右刃動(dòng)態(tài)載荷一致性、切削刀具左右后刀面磨損一致性、工件左右螺紋面的加工精度及加工表面質(zhì)量一致性作為設(shè)計(jì)目標(biāo)評(píng)判切削刀具的切削方案，若滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定刀具的切削方案；若不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)整切削方案重新對(duì)工件進(jìn)行車削加工。

進(jìn)一步地，步驟三中，切削刀具的左右刃動(dòng)態(tài)載荷一致性是以振動(dòng)作用下切削刀具左右刃的瞬態(tài)切削力一致作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，

刀具左右刃切削大螺距螺紋時(shí)，振動(dòng)作用下的刀具瞬態(tài)切削力計(jì)算公式，如式(1)所示。

式中，F(xiàn)_cly(t)、F_cry(t)分別為左、右刃切削時(shí)刀具所受瞬態(tài)切削力，k_c為單位切削力，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)分別為左、右刃切削時(shí)振動(dòng)作用下刀具瞬態(tài)切削寬度和切削厚度(其中i＝1，2…n)，z_li、z_ri、a_pli、a_pri分別為左、右刃切削時(shí)刀具理論軸向單次加工余量和徑向切削深度，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)分別為刀具左刃切削時(shí)在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)位移，S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)分別為刀具右刃切削時(shí)在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)位移，λ_sl(t)、λ_sr(t)分別為振動(dòng)作用下刀具左、右刃切削瞬態(tài)工作刃傾角，γ_l(t)、γ_r(t)分別為振動(dòng)作用下刀具左、右刃切削瞬態(tài)工作前角，k_c值可由實(shí)驗(yàn)獲得，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)值根據(jù)切削參數(shù)及角度計(jì)算得來，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)、S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)值由振動(dòng)試驗(yàn)獲得，λ_sl(t)、λ_sr(t)、γ_l(t)、γ_r(t)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)及刀具設(shè)計(jì)角度計(jì)算獲得；

切削刀具左右后刀面磨損一致性是以切削刀具的后刀面磨損寬度一致作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；

工件左右螺紋面的加工精度及加工表面質(zhì)量一致性是以工件螺紋面加工表面不平度w和粗糙度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步地，所述粗糙度的參數(shù)包括表面輪廓算數(shù)平均偏差R_a、輪廓單元平均寬度RSm及輪廓高度不對(duì)稱分布參數(shù)RS_k。

進(jìn)一步地，步驟二中，所用機(jī)床為CA6140車床。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明對(duì)不同的切削方案提出統(tǒng)一的刀具的設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別為：左右刃動(dòng)態(tài)切削載荷變化相近、刀具左右切削刃的使用壽命一致、左右螺紋面加工誤差一致及左右螺紋面加工表面形貌一致。通過滿足以上設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求而獲得的刀具切削方案，使得刀具左右刃載荷達(dá)到改善，使刀具后刀面的磨損減弱且一致性好，使工件的加工質(zhì)量得到提高。

采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，可控制切削載荷，避免刀具因載荷過大而產(chǎn)生變形和磨損過快等問題，顯著提高了螺紋加工精度和加工表面質(zhì)量一致性；該設(shè)計(jì)方法以最后一刀的切削效果為加工目的，達(dá)到外螺紋的加工精度和加工表面質(zhì)量要求，獲得的左右螺紋面無接刀痕，螺距誤差控制在-0.01mm～0.01mm范圍內(nèi)，可滿足大螺距外螺紋的高效、高品質(zhì)車削加工要求。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的刀具設(shè)計(jì)方法，是基于切削效率而確定的工藝方案的設(shè)計(jì)，同時(shí)通過控制切削過程中的載荷及磨損一致性來控制切削過程，以獲得一致性好的螺紋表面；該方法是以刀具左右刃結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以追求左右螺紋面加工表面及精度一致、刀具左右后刀面磨損程度相近及左右刃瞬態(tài)切削力一致為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行的刀具設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法更貼近大螺距螺紋的切削特點(diǎn)，有利于大螺距螺紋切削過程的控制。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為大螺距外螺紋結(jié)構(gòu)尺寸及其變量表示圖；

圖3為大螺距內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)尺寸及其變量表示圖；

圖4為車削大螺距內(nèi)外螺紋刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)圖；

圖5為車削大螺距內(nèi)外螺紋刀具刃口結(jié)構(gòu)圖；

圖6為刀具左右刃瞬態(tài)切削力對(duì)比曲線圖；

圖7刀具左后刀面磨損寬度變化圖；

圖8刀具右后刀面磨損寬度變化圖；

圖9為梯形螺桿螺距誤差測(cè)量結(jié)果圖，圖(a)為左螺紋面圖，圖(b)為右螺紋面圖；

圖10左右螺紋面加工表面不平度曲線圖，(a)切削速度方向波紋寬度對(duì)比曲線，(b)垂直于切削速度方向波紋寬度對(duì)比曲線。

具體實(shí)施方式：

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的大螺距螺紋車削刀具設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

一、按照所加工的大螺距螺紋工件的結(jié)構(gòu)特征確定工藝方案和工序切削方式，依據(jù)工藝方案和工序切削方式設(shè)定適合車削大螺距螺紋工件所具備的刀具基本結(jié)構(gòu)的切削刀具，切削刀具的刀具基本結(jié)構(gòu)包括刀具切削刃結(jié)構(gòu)及其參數(shù)；

二、進(jìn)行刀具切削干涉檢查，若干涉，對(duì)切削刀具進(jìn)行干涉部位判別；若不干涉，確定使用該切削刀具對(duì)工件進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)；

三、輸入切削方案對(duì)工件進(jìn)行車削加工，獲得切削過程中的刀具振動(dòng)信號(hào)和刀具后刀面磨損圖像；

四、以切削刀具的左右刃動(dòng)態(tài)載荷一致性、切削刀具左右后刀面磨損一致性、工件螺紋面左右刃的加工精度及加工表面質(zhì)量一致性作為設(shè)計(jì)目標(biāo)評(píng)判切削刀具的切削方案，若滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定刀具的切削方案；若不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)整切削方案重新對(duì)工件進(jìn)行車削加工。

步驟三中，切削刀具的左右刃動(dòng)態(tài)載荷一致性是以振動(dòng)作用下切削刀具左右刃的瞬態(tài)切削力一致作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，

刀具左右刃切削大螺距螺紋時(shí)，振動(dòng)作用下的刀具瞬態(tài)切削力計(jì)算公式，如式(1)所示。

式中，F(xiàn)_cly(t)、F_cry(t)分別為左、右刃切削時(shí)刀具所受瞬態(tài)切削力，k_c為單位切削力，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)分別為左、右刃切削時(shí)振動(dòng)作用下刀具瞬態(tài)切削寬度和切削厚度，z_li、z_ri、a_pli、a_pri分別為左、右刃切削時(shí)刀具理論軸向單次加工余量和徑向切削深度，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)分別為刀具左刃切削時(shí)在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)位移，S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)分別為刀具右刃切削時(shí)在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)位移，λ_sl(t)、λ_sr(t)分別為振動(dòng)作用下刀具左、右刃切削瞬態(tài)工作刃傾角，γ_l(t)、γ_r(t)分別為振動(dòng)作用下刀具左、右刃切削瞬態(tài)工作前角，k_c值可由實(shí)驗(yàn)獲得，b_Dl(t)、b_Dr(t)、h_Dl(t)、h_Dr(t)值根據(jù)切削參數(shù)及角度計(jì)算得來，S_xl(t)、S_yl(t)、S_zl(t)、S_xr(t)、S_yr(t)、S_zr(t)值由振動(dòng)試驗(yàn)獲得，λ_sl(t)、λ_sr(t)、γ_l(t)、γ_r(t)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)及刀具設(shè)計(jì)角度計(jì)算獲得；

切削刀具左右后刀面磨損一致性是以切削刀具的后刀面磨損寬度一致作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；

工件左右螺紋面的加工精度及加工表面質(zhì)量一致性是以工件螺紋面加工表面不平度w和粗糙度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。所述粗糙度的參數(shù)包括表面輪廓算數(shù)平均偏差R_a、輪廓單元平均寬度RSm及輪廓高度不對(duì)稱分布參數(shù)RS_k。

以下結(jié)合具體工件和刀具對(duì)本發(fā)明所涉及的實(shí)驗(yàn)方法做詳細(xì)說：

大螺距螺紋車削刀具的設(shè)計(jì)要求：

(1)、大螺距螺紋由于螺距大、牙型槽寬且深、軸向長度長，車削過程中需要采用徑向分層切削及軸向分層切削兩種方式完成加工。因此，大螺距螺紋車削刀具是面向不同切削方式和工藝方案來確定的。粗加工刀具主要設(shè)計(jì)要求為滿足螺紋基本尺寸，而精加工刀具則主要考慮最后一刀切削時(shí)，切削載荷、加工質(zhì)量及磨損是否相近，并且同時(shí)滿足使用壽命。大螺距內(nèi)外螺紋結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖2、圖3所示。圖2、圖3中，o-xyz為工件坐標(biāo)系，l₃為螺紋長度，d為大徑，d₁為小徑，d₂為中徑，α/2為牙型半角，b為螺紋槽寬，P為內(nèi)螺紋螺距，Δd為大徑誤差，Δd₁為小徑誤差，ΔP為螺距誤差，Δ(α/2)為牙型半角誤差，Δb為螺紋槽寬誤差。

(2)、大螺距螺紋切削方式：

粗加工采用徑向連續(xù)多次分層車削方式和左右軸向多次分層車削方式，以達(dá)到工件的徑向尺寸及工序的形狀尺寸要求；

半精加工及精加工采用軸向多次分層車削方式去除加工余量，以達(dá)到內(nèi)外螺紋的加工精度和加工表面質(zhì)量要求。

(3)車削大螺距外螺紋刀具結(jié)構(gòu)與材料：

粗加工刀具結(jié)構(gòu)采用整體式車刀，其材料為高速鋼或硬質(zhì)合金；

半精加工與精加工刀具結(jié)構(gòu)均采用可換刀頭式彈簧車刀，其材料為高速鋼或硬質(zhì)合金。

(4)車削大螺距內(nèi)螺紋刀具結(jié)構(gòu)與材料：

刀具結(jié)構(gòu)采用可換刀頭式車刀，其材料為高速鋼或硬質(zhì)合金；

刀桿結(jié)構(gòu)采用普通剛性長刀桿，其長度依據(jù)內(nèi)螺紋工件尺寸設(shè)定，以保證刀具與工件不發(fā)生干涉；

刀桿尺寸要求：為保證車削內(nèi)螺紋時(shí)，工件與刀具不發(fā)生干涉，刀桿長應(yīng)大于毛坯總寬與刀桿夾緊長度之和，刀桿寬應(yīng)大于夾緊寬度。

大螺距螺紋車削刀具設(shè)計(jì)的約束條件：

(1)車削大螺距螺紋刀具結(jié)構(gòu)尺寸要求

車削大螺距螺紋加工刀具結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

大螺距螺紋加工刀具由于刀桿要求，刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)約束關(guān)系如下式所示：

l₃>h₁；l₄>h₁；h＝h'；b＝b'

式中，H為螺紋要求牙高，α為螺紋牙型角，h₁為刀桿定位深度，h'為刀桿定位高度，b'為刀桿定位寬度。

(2)刀具參與切削部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件

刀具參與切削部分的結(jié)構(gòu)尺寸約束關(guān)系如下所示：

ε_r1＝π-κ_r1；ε_r2＝κ_r2；r₁≤R₁；r₂≤R₂；h>H

(3)刀具刃口結(jié)構(gòu)參數(shù)及其約束條件

螺紋車削時(shí)，粗加工及精加工刀具均采用左右對(duì)稱式成型車刀，其刃口結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中，P_re為基面，P_se0為頂切削刃切削平面，P_se1為左切削刃切削平面，P_se2為右切削刃切削平面，W₀為頂切削刃刃長，θ為左右切削刃夾角，λ_s1為左切削刃刃傾角，λ_s2為右切削刃刃傾角，κ_r1為左切削刃切削時(shí)主偏角，κ_r2為右切削刃切削時(shí)主偏角，γ₀₀為頂切削刃前角，γ₀₁為左切削刃前角，γ₀₂為右切削刃前角，α₀₀為頂切削刃后角，α₀₁為左切削刃后角，α₀₂為右切削刃后角，ε_r1為左切削刃刀尖角，ε_r2為右切削刃刀尖角。

切削外螺紋與內(nèi)螺紋時(shí)，刀具左右切削刃主偏角與牙型半角存在如下關(guān)系：

切削外螺紋時(shí)：

刀具左切削刃、右切削刃的工作前角、工作后角與螺旋升角存在如下關(guān)系：

α₀₀>0；α₀₂>0；γ₀₁>0；

切削內(nèi)螺紋時(shí)：

刀具左切削刃、右切削刃的工作前角、工作后角與螺旋升角存在如下關(guān)系：

α₀₀>0；α₀₁≥0；γ₀₂≥0；

上述式中，γ_0e1為左切削刃工作前角，α_0e1為左切削刃工作后角，γ_0e2為右切削刃工作前角，α_0e2為右切削刃工作后角，為螺旋升角。

車削螺距16mm梯形外螺紋的精加工刀具設(shè)計(jì)方案與實(shí)驗(yàn)方案：

(1)采用圖1的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行螺距16mm的梯形外螺紋刀具設(shè)計(jì)；試件材料為35CrMo調(diào)質(zhì)處理，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù)1，螺紋長度為190mm，大徑為148mm，小徑為132mm，中徑為140mm，螺距為16mm，牙型半角為15°，牙槽寬6.33mm；

(2)刀具采用可換刀頭彈簧式車刀，材料為高速鋼(W18Cr4V)，可在刀體上安裝和拆卸，刀具參與切削的部分均由頂刃與左右兩個(gè)切削刃組成，其中，刀頭懸伸量L為16.80mm；左刃前角為0°、后角為7°10'、主偏角為75°10'和刃傾角為0°；右刃前角為0°、后角為5°、主偏角為105°46'和刃傾角為0°；

(3)將刀具安裝在CA6140車床上，以機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n為10rpm、刀具徑向切深量a_p為8mm、刀具軸向加工余量z_i為0.025mm對(duì)上述工件進(jìn)行車削加工實(shí)驗(yàn)，利用左右切削刃以軸向分層切削方式分別車削外螺紋左右螺紋面各10次，獲得切削過程中的刀具振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)瞬態(tài)切削力模型計(jì)算刀具左右刃瞬態(tài)切削力F_cy的值，并獲得瞬態(tài)切削力隨著切削行程的變化曲線；實(shí)驗(yàn)后，檢驗(yàn)并測(cè)量刀具左右后刀面磨損寬度值Z、左右螺紋面螺距誤差值、左右螺紋面已加工表面不平度w及粗糙度值，按照步驟四進(jìn)行設(shè)計(jì)目標(biāo)的檢測(cè)和評(píng)判。

車削大螺距16mm梯形外螺紋刀具左右刃瞬態(tài)切削力：

對(duì)工件進(jìn)行的切削實(shí)驗(yàn)，其刀具左右刃的瞬態(tài)切削力變化曲線如圖6所示，由圖6可知，左右刃切入、切出時(shí)，其瞬態(tài)切削力的正向突變較弱；正常切削階段，刀具左右刃的瞬態(tài)切削力具有相近的變化特性，并且其左右刃瞬態(tài)切削力的水平差異較小，變化較一致。

螺距16mm梯形外螺紋的車削刀具后刀面磨損寬度：

根據(jù)刀具后刀面磨損寬度測(cè)量方法(此方法為已公開的現(xiàn)有技術(shù)，在此不做詳細(xì)說明)，獲得左右后刀面磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表1、2所示，左右后刀面磨損寬度變化如圖7、8所示。

表1左后刀面磨損數(shù)據(jù)

表2右后刀面磨損數(shù)據(jù)

由圖7、8可知，在切削過程中刀具后刀面磨損寬度始終未超過額定的最大磨損寬度300μm，并且刀具左右后刀面的磨損寬度變化接近，因此，滿足車削大螺距螺紋加工時(shí)對(duì)刀具的要求。

車削螺距16mm梯形外螺紋的螺距誤差：

實(shí)驗(yàn)獲得的左右螺紋面螺距誤差沿工件軸向分布如圖9所示。圖9中，任意螺紋槽中靠近工件左端面的螺紋面為左螺紋面，任意螺紋槽中靠近工件右端面的螺紋面為右螺紋面。由圖9可知，盡管左右螺紋面的螺距誤差分布明顯不同，但其誤差均在-0.01mm～0.01mm之間變動(dòng)，滿足梯形螺桿加工精度要求；

車削螺距16mm梯形外螺紋的已加工表面質(zhì)量數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)獲得的螺桿左右螺紋面的已加工表面不平度曲線如圖10所示：

螺紋左右螺紋面粗糙度參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表3所示：

表3已加工表面粗糙度值

表3中，R_a為表面輪廓算術(shù)平均偏差，RSm為輪廓單元平均寬度，RS_k為輪廓高度不對(duì)稱分布參數(shù)；其中，標(biāo)準(zhǔn)差反映的是數(shù)據(jù)的離散程度。

由圖10和表3可以看出，盡管右螺紋面的加工表面質(zhì)量明顯好于左螺紋面，但其表面粗糙度平均值均小于3.2μm，滿足加工要求。