一种车削大螺距螺纹轴向分层切削方法、刀具磨损测试方法及其力热载荷计算方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种大螺距螺纹车削方法及其刀具磨损、力热载荷测试、计算方法，具 体设及一种大螺距螺纹轴向分层车削方法，车削大螺距螺纹刀具磨损的实验、测试方法，和 刀具磨损的力热载荷分析模型构建、计算方法。
【背景技术】：
[0002] 大螺距螺杆作为大型压力机调整组件，在压力机中控制上模具与下模具间的平行 度及垂直度，对压力机整机的静态和动态精度有着重要影响。已有的大螺距螺纹车削主要 采用径向分层切削方法，该方法采用刀尖进行切削，通过控制刀尖的位置精度W形成大螺 距螺纹表面，具有易于数控加工编程等优点。但是，运种切削方式是采用刀尖近似逼近原 理，形成的螺纹面存在原理性误差，难W满足大螺距螺纹高精度、高表面质量要求。而轴向 分层切削则是利用刀具切削刃进行成型切削，其形成的螺纹面不存在原理性误差，该方法 将已有的多任务切削变成了单任务切削，通过轴向分层切削，分别保证螺纹尺寸精度、牙型 精度和教工表面质量。因此，运种切削方法消除了径向切削存在的原理性误差，更适合用于 高精度大螺距螺纹的切削。
[0003] 采用轴向分层切削方法精加工大螺距螺纹时，若通过一次切削去除全部精加工余 量，产生的切削力较大，影响加工表面质量及加工精度;为提高加工精度;而采用轴向多次 分层切削方法精加工大螺距螺纹时，切削次数过多，会使刀具磨损加剧。
[0004] 大螺距螺纹切削过程中，力热载荷与刀具磨损之间存在交互作用关系；刀具不断 与工件、切屑接触，在接触区内有很高的切削溫度和压力，刀具受到的运种力热载荷是导致 其磨损的主要原因；同时，刀具磨损又会引起其力热载荷的变化；目前，对于刀具磨损的研 究主要集中在力热载荷对于刀具磨损的影响，忽略刀具磨损对力热载荷的影响，采用的刀 具力热载荷分析模型和边界条件是刀具切削初始状态下的模型和数据，无法正确获得力热 载荷随切削行程增加和刀具磨损量增长的变化特性，轴向多次分层车削大螺距螺纹刀具磨 损实验方法和力热载荷计算方法上存在不足。
【发明内容】
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[0005] 本发明为消除径向分层切削大螺距螺纹存在的原理性误差，设计一种车削大螺距 螺纹轴向分层切削方法，并采用该方法进行车削大螺距螺纹刀具磨损的测试，获得车削大 螺距螺纹刀具磨损形态，掲示出刀具磨损对螺纹加工表面影响，再利用刀具后刀面磨损及 切削刃纯圆半径测量数据，重新构建了刀具有限元分析模型，进行刀具溫度场和应力场分 析、计算，获得了刀具磨损条件下力热载荷变化特性。
[0006] 本发明的车削大螺距螺纹轴向分层切削方法，为实现上述目的所采用的技术方案 在于包括W下步骤：
[0007] -、采用带有左右两个切削刃的试验刀具沿轴向分层车削大螺距试件的左右螺纹 面；
[0008] 二、车削时刀具每次进刀过程中径向切削深度ap不变并且等于螺纹牙型高度H，切 削层面积只与进刀量有关，其变量间关系如式(1)所示，
[0009] h>H=ap，eri = ￡ri'，Er2=er2'，B>b，I?i = ;ri，R2 = r2 (I)
[0010] 左刃切削时的切削层厚度及切削层宽度：
[0011 ] IiDi = Zii ? sin k/ (2)
[0012] bDi = zii/sin k/ (3)
[0013] 其每一次分层切削的理论切削层面积为：
[0014] Si = IiDi ? bDi = zii ? sin k/ ? (ap/sin k/ ) = zii ? ap (4)
[0015] 同理，右刃切削时，每一次分层切削的切削层面积为：
[0016] Sj = IiDr ? bDr = Zrj ? sin k/ ? (ap/sin k/ ) = Zrj ? ap (5)
[0017]式中，H为螺纹牙高，h为刀具的刀头高度，B为螺纹牙底宽，b为刀头宽度;ap为径向 切深，Zli为左刃单次加工余量，Zu为右刃单次加工余量，i为左刃切削次数，j为右刃切削次 数;hD功刀具左刃车削时的切削层厚度、bDl为刀具左刃车削时的切削层宽度、hDr为刀具右 刃车削时的切削层厚度，bDr为刀具右刃车削时的切削层宽度;Si为左切削刃切削层面积、Sj 为右切削刃切削层面积；分别为螺纹的左、右牙侧角，Erl'为刀具的左刃侧角，为 刀具的右刃侧角；Ri、R2分别为试件左右侧面的牙型半径，ri、n为刀具的左右牙尖圆弧半 径。
[0018] 本发明的轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损的测试方法，采用的技术方案在于包 括W下步骤：
[0019] -、按权利要求1所述的切削方法车削大螺距螺纹试件的过程中，分别在切削行程 为 15072111111、52752111111、94200111111、116808111111和139400111111时取下试验刀具，利用￥版-1000超景深 =维显微系统检测刀具前、后刀面磨损形貌，并测量试验刀具的切削刃圆弧半径及后刀面 磨损量；
[0020] 二、沿试验刀具长度方向上取5段相同的切削行程，分别测量5段切削行程下试验 刀具的后刀面磨损宽度，获得试验刀具的后刀面磨损宽度的变化曲线；
[0021] =、在试验刀具的后刀面磨损宽度的变化曲线上，按试验刀具的刃口半径和其后 刀面磨损宽度变化速率的不同，划分出试验刀具车削大螺距螺纹试件过程中所经历的初期 磨损、正常磨损和剧烈磨损=个阶段；
[0022] 四、测量步骤=内=个阶段中大螺距螺纹试件的已加工表面形貌，利用相同切削 行程下的刀具磨损形态和对应的大螺距螺纹试件的已加工表面形貌，检测出试验刀具磨损 量的增加对大螺距螺纹试件的已加工表面形貌影响上存在的差别。
[0023] 进一步地，所述大螺距螺纹试件是螺距为16mm、外径为120mm，长度为160mm的梯形 右旋外螺杆试件，其材质为35CrMo。
[0024] 进一步地，所述试验刀具的左右刃夹角为26°、顶刃后角为5°、两个切削刃的刃倾 角和前角均为〇°、后角均为5°、左刃刃口半径为138.77mm、左刃刃口半径为201.56mm，其材 质为 W18Cr4v。
[00巧]进一步地，所述试验刀具在CA6140车床上W转速lOrpm、轴向加工余量0.05mm对大 螺距螺纹试件进行车削。
[0026] 本发明的进行轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损热力载荷的计算方法，采用的技 术方案在于:按获得的试验刀具的前、后刀面磨损数据及切削刃和刀尖磨损后的圆弧半径， 采用Deform软件计算出试验刀具不同刀具磨损形态下的切削溫度和切削力，W解算出的切 削溫度与切削力作为应力场分析的边界条件，采用Ansys软件计算试验刀具不同磨损状态 下的最大应力。
[0027] 进一步地，通过公式(5)计算出试验刀具的磨损深度：
[002引 O =japve-b/T dt (6)
[0029] 式中P为法向压力、V为切屑相对于试验刀具的滑移速度切屑相对于刀具、T为试验 刀具与切屑接触区溫度、a、d为试验系数，材料取默认的a, d值；
[0030] 进一步地，采用Deform软件获得刀具不同磨损阶段的热力禪合场，在热力禪合场 溫度最高位置处做垂直于试验刀具的左切削刃的垂线cb'，垂足到刀尖的距离为di'，利用刀 尖、山'和Cb '描述出试验刀具最高溫度位置，提取试验刀具最溫度W及试验刀具与切屑接触 区最高溫度的准确位置，提取出该位置处试验刀具前刀面溫度与试验刀具和切屑接触区溫 度随时间变化的曲线，提取刀具各个磨损阶段最高溫度、获得试验刀具溫度随其后刀面磨 损宽度变化曲线。
[0031] 本发明的有益效果是:本发明提出的大螺距螺纹轴向分层切削方法是利用刀具切 削刃进行成型切削，形成的螺纹面不存在原理性误差，该方法通过轴向分层切削，将已有的 多任务切削分解成了单任务切削，通过轴向分层切削，分别保证螺纹尺寸精度、牙型精度和 教工表面质量，因此，运种切削方法消除了径向切削存在的原理性误差，更适合用于高精度 大螺距螺纹的切削；本发明提供的刀具磨损实验及其力热载荷计算方法，掲示出刀具磨损 后的切削刃和后刀面结构改变对其切削