一種大螺距螺紋車削刀具設計方法與流程
本發明設計刀具切削領域，具體涉及一種大螺距螺紋車削刀具設計方法。
背景技術：
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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調整組件螺桿，控制上下模板間的位置精度，對壓力機整機的靜、動態精度具有重要影響。大螺距外螺紋牙型槽寬且深、螺距和軸向長度大，屬于非標準螺紋，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，大小批量均可的內螺紋加工，擠壓絲錐用于較軟的材質的小螺距內螺紋大批量的加工；螺紋車刀，主要用于非標準螺距的小批量加工；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致的刀具磨損狀態差別大、左右刃壽命不一致，加工效率降低等問題。如何設計車削刀具，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量的一致性并提高刀具壽命，成為大型壓力機大螺距螺桿加工亟待解決的關鍵問題。
已有的大螺距螺紋刀具設計方法主要是基于螺紋結構特征匹配，根據零件的特征參數，來選擇匹配的刀具，完成切削刃結構參數的設計；依據設計出的刀具進行實驗，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來進行調整，由于刀具結構而導致的切削質量問題則無法得到解決，并且切削效率無法獲得保證。已有方法的設計目標只要滿足表面粗糙度不超過最大值，磨損區域寬度小于最大值即可，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。
技術實現要素：
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本發明為提高車削大螺距螺紋刀具左右刃動態切削的一致性，提出一種車削大螺距螺紋刀具的設計方法；該方法使得刀具左右刃載荷達到改善，磨損減弱且一致性好，使工件的加工質量得到提高。
本發明的大螺距螺紋車削刀具設計方法，為實現上述目的所采用的技術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構特征確定工藝方案和工序切削方式，依據工藝方案和工序切削方式設定適合車削大螺距螺紋工件所具備的刀具基本結構的切削刀具，切削刀具的刀具基本結構包括刀具切削刃結構及其參數；
二、進行刀具切削干涉檢查，若干涉，對切削刀具進行干涉部位判別；若不干涉，確定使用該切削刀具對工件進行切削實驗；
三、輸入切削方案對工件進行車削加工，獲得切削過程中的刀具振動信號和刀具后刀面磨損圖像；
四、以切削刀具的左右刃動態載荷一致性、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量一致性作為設計目標評判切削刀具的切削方案，若滿足設計目標，確定刀具的切削方案；若不滿足設計目標，調整切削方案重新對工件進行車削加工。
進一步地，步驟三中，切削刀具的左右刃動態載荷一致性是以振動作用下切削刀具左右刃的瞬態切削力一致作為評判標準，
刀具左右刃切削大螺距螺紋時，振動作用下的刀具瞬態切削力計算公式，如式(1)所示。
式中，Fcly(t)、Fcry(t)分別為左、右刃切削時刀具所受瞬態切削力，kc為單位切削力，bDl(t)、bDr(t)、hDl(t)、hDr(t)分別為左、右刃切削時振動作用下刀具瞬態切削寬度和切削厚度(其中i＝1，2…n)，zli、zri、apli、apri分別為左、右刃切削時刀具理論軸向單次加工余量和徑向切削深度，Sxl(t)、Syl(t)、Szl(t)分別為刀具左刃切削時在x、y、z三個方向的振動位移，Sxr(t)、Syr(t)、Szr(t)分別為刀具右刃切削時在x、y、z三個方向的振動位移，λsl(t)、λsr(t)分別為振動作用下刀具左、右刃切削瞬態工作刃傾角，γl(t)、γr(t)分別為振動作用下刀具左、右刃切削瞬態工作前角，kc值可由實驗獲得，bDl(t)、bDr(t)、hDl(t)、hDr(t)值根據切削參數及角度計算得來，Sxl(t)、Syl(t)、Szl(t)、Sxr(t)、Syr(t)、Szr(t)值由振動試驗獲得，λsl(t)、λsr(t)、γl(t)、γr(t)值根據實驗及刀具設計角度計算獲得；
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判標準；
工件左右螺紋面的加工精度及加工表面質量一致性是以工件螺紋面加工表面不平度w和粗糙度作為評判標準。
進一步地，所述粗糙度的參數包括表面輪廓算數平均偏差Ra、輪廓單元平均寬度RSm及輪廓高度不對稱分布參數RSk。
進一步地，步驟二中，所用機床為CA6140車床。
本發明的有益效果是：本發明對不同的切削方案提出統一的刀具的設計目標，分別為：左右刃動態切削載荷變化相近、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。通過滿足以上設計目標的要求而獲得的刀具切削方案，使得刀具左右刃載荷達到改善，使刀具后刀面的磨損減弱且一致性好，使工件的加工質量得到提高。
采用本發明的設計方法，可控制切削載荷，避免刀具因載荷過大而產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量一致性；該設計方法以最后一刀的切削效果為加工目的，達到外螺紋的加工精度和加工表面質量要求，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，可滿足大螺距外螺紋的高效、高品質車削加工要求。
本發明相對于現有的刀具設計方法，是基于切削效率而確定的工藝方案的設計，同時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構參數為設計變量，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切削力一致為設計目標進行的刀具設計，該設計方法更貼近大螺距螺紋的切削特點，有利于大螺距螺紋切削過程的控制。
附圖說明：
圖1為本發明的流程圖；
圖2為大螺距外螺紋結構尺寸及其變量表示圖；
圖3為大螺距內螺紋結構尺寸及其變量表示圖；
圖4為車削大螺距內外螺紋刀具結構參數圖；
圖5為車削大螺距內外螺紋刀具刃口結構圖；
圖6為刀具左右刃瞬態切削力對比曲線圖；
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量結果圖，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比曲線，(b)垂直于切削速度方向波紋寬度對比曲線。
具體實施方式：
參照圖1，本發明的大螺距螺紋車削刀具設計方法，包括以下步驟：
一、按照所加工的大螺距螺紋工件的結構特征確定工藝方案和工序切削方式，依據工藝方案和工序切削方式設定適合車削大螺距螺紋工件所具備的刀具基本結構的切削刀具，切削刀具的刀具基本結構包括刀具切削刃結構及其參數；
二、進行刀具切削干涉檢查，若干涉，對切削刀具進行干涉部位判別；若不干涉，確定使用該切削刀具對工件進行切削實驗；
三、輸入切削方案對工件進行車削加工，獲得切削過程中的刀具振動信號和刀具后刀面磨損圖像；
四、以切削刀具的左右刃動態載荷一致性、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量一致性作為設計目標評判切削刀具的切削方案，若滿足設計目標，確定刀具的切削方案；若不滿足設計目標，調整切削方案重新對工件進行車削加工。
步驟三中，切削刀具的左右刃動態載荷一致性是以振動作用下切削刀具左右刃的瞬態切削力一致作為評判標準，
刀具左右刃切削大螺距螺紋時，振動作用下的刀具瞬態切削力計算公式，如式(1)所示。
式中，Fcly(t)、Fcry(t)分別為左、右刃切削時刀具所受瞬態切削力，kc為單位切削力，bDl(t)、bDr(t)、hDl(t)、hDr(t)分別為左、右刃切削時振動作用下刀具瞬態切削寬度和切削厚度，zli、zri、apli、apri分別為左、右刃切削時刀具理論軸向單次加工余量和徑向切削深度，Sxl(t)、Syl(t)、Szl(t)分別為刀具左刃切削時在x、y、z三個方向的振動位移，Sxr(t)、Syr(t)、Szr(t)分別為刀具右刃切削時在x、y、z三個方向的振動位移，λsl(t)、λsr(t)分別為振動作用下刀具左、右刃切削瞬態工作刃傾角，γl(t)、γr(t)分別為振動作用下刀具左、右刃切削瞬態工作前角，kc值可由實驗獲得，bDl(t)、bDr(t)、hDl(t)、hDr(t)值根據切削參數及角度計算得來，Sxl(t)、Syl(t)、Szl(t)、Sxr(t)、Syr(t)、Szr(t)值由振動試驗獲得，λsl(t)、λsr(t)、γl(t)、γr(t)值根據實驗及刀具設計角度計算獲得；
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判標準；
工件左右螺紋面的加工精度及加工表面質量一致性是以工件螺紋面加工表面不平度w和粗糙度作為評判標準。所述粗糙度的參數包括表面輪廓算數平均偏差Ra、輪廓單元平均寬度RSm及輪廓高度不對稱分布參數RSk。
以下結合具體工件和刀具對本發明所涉及的實驗方法做詳細說：
大螺距螺紋車削刀具的設計要求：
(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。粗加工刀具主要設計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，切削載荷、加工質量及磨損是否相近，并且同時滿足使用壽命。大螺距內外螺紋結構尺寸示意圖如圖2、圖3所示。圖2、圖3中，o-xyz為工件坐標系，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多次分層車削方式和左右軸向多次分層車削方式，以達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，以達到內外螺紋的加工精度和加工表面質量要求。
(3)車削大螺距外螺紋刀具結構與材料：
粗加工刀具結構采用整體式車刀，其材料為高速鋼或硬質合金；
半精加工與精加工刀具結構均采用可換刀頭式彈簧車刀，其材料為高速鋼或硬質合金。
(4)車削大螺距內螺紋刀具結構與材料：
刀具結構采用可換刀頭式車刀，其材料為高速鋼或硬質合金；
刀桿結構采用普通剛性長刀桿，其長度依據內螺紋工件尺寸設定，以保證刀具與工件不發生干涉；
刀桿尺寸要求：為保證車削內螺紋時，工件與刀具不發生干涉，刀桿長應大于毛坯總寬與刀桿夾緊長度之和，刀桿寬應大于夾緊寬度。
大螺距螺紋車削刀具設計的約束條件：
(1)車削大螺距螺紋刀具結構尺寸要求
車削大螺距螺紋加工刀具結構尺寸如圖4所示。
大螺距螺紋加工刀具由于刀桿要求，刀具結構參數約束關系如下式所示：
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構參數約束條件
刀具參與切削部分的結構尺寸約束關系如下所示：
εr1＝π-κr1；εr2＝κr2；r1≤R1；r2≤R2；h>H
(3)刀具刃口結構參數及其約束條件
螺紋車削時，粗加工及精加工刀具均采用左右對稱式成型車刀，其刃口結構如圖5所示。圖5中，Pre為基面，Pse0為頂切削刃切削平面，Pse1為左切削刃切削平面，Pse2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，λs1為左切削刃刃傾角，λs2為右切削刃刃傾角，κr1為左切削刃切削時主偏角，κr2為右切削刃切削時主偏角，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，εr1為左切削刃刀尖角，εr2為右切削刃刀尖角。
切削外螺紋與內螺紋時，刀具左右切削刃主偏角與牙型半角存在如下關系：
切削外螺紋時：
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系：
α00>0；α02>0；γ01>0；
切削內螺紋時：
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系：
α00>0；α01≥0；γ02≥0；
上述式中，γ0e1為左切削刃工作前角，α0e1為左切削刃工作后角，γ0e2為右切削刃工作前角，α0e2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計方案與實驗方案：
(1)采用圖1的設計方法，進行螺距16mm的梯形外螺紋刀具設計；試件材料為35CrMo調質處理，結構為右旋梯形外螺紋，頭數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，以機床主軸轉速n為10rpm、刀具徑向切深量ap為8mm、刀具軸向加工余量zi為0.025mm對上述工件進行車削加工實驗，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信號，根據瞬態切削力模型計算刀具左右刃瞬態切削力Fcy的值，并獲得瞬態切削力隨著切削行程的變化曲線；實驗后，檢驗并測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，按照步驟四進行設計目標的檢測和評判。
車削大螺距16mm梯形外螺紋刀具左右刃瞬態切削力：
對工件進行的切削實驗，其刀具左右刃的瞬態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，其瞬態切削力的正向突變較弱；正常切削階段，刀具左右刃的瞬態切削力具有相近的變化特性，并且其左右刃瞬態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：
根據刀具后刀面磨損寬度測量方法(此方法為已公開的現有技術，在此不做詳細說明)，獲得左右后刀面磨損實驗測量結果如表1、2所示，左右后刀面磨損寬度變化如圖7、8所示。
表1左后刀面磨損數據
表2右后刀面磨損數據
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對刀具的要求。
車削螺距16mm梯形外螺紋的螺距誤差：
實驗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，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量數據：
實驗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測量結果如表3所示：
表3已加工表面粗糙度值
表3中，Ra為表面輪廓算術平均偏差，RSm為輪廓單元平均寬度，RSk為輪廓高度不對稱分布參數；其中，標準差反映的是數據的離散程度。
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。
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