（机械工程专业论文）低频振动攻丝及加工精度的研究.pdf

摘要 攻丝是切削加工中广泛使用的一种内螺纹加工方法。在加工中小直径内螺纹 和在难加工材料上攻丝时，普遍存在攻丝扭矩大、螺纹精度低、丝锥易折断、废 品率高等问题，而采用低频振动攻丝是解决此问题行之有效的方法。诸多实验证 明，振动攻丝可以获得高质量的内螺纹加工表面，并具有切削力小、切削温度低、 丝锥不易折断、加工效率高等优点。本项研究拟在低频振动攻丝设备方面作一些 研究，并应用正交分析理论，全面分析各项参数对加工螺纹精度的影响以确定最 佳工艺参数。 关健词：低频扭转振动，切削力，螺纹精度 a b s t r a c t i a p p i l l gi s aw i d em e t h o do fp r o c e s s i n gi n t e r i o r ( h 聆a d w h e nt a p p i n gt h el i t t l e d i a m e t e ri nt l i em a t e r i a io fd i 伍c u np r o c c s s i g ，t h c r cu s u a l l ye x i s tal o to fq u e s t i o n s s u c h 鸹t 印p i n gt o r s i o nh c a v y ，t h r e a da c “r a c yl o w ，r e j e c t i i l gr a t eh i 曲- b u tt h c q u c s t i o n sc a i lb es o l v e di fa d o p tt h em e t h o do fl o w 骶q u e n c yv i b m t i o t a p p i g al o t o fe x p e r h n 朋t sp r o v et h a tv i b m t i o nt 印p i n gc 姐o b t a i h i g hq u a l i t yi nt h ep r o c e s s i n g j m e r i mt h i e a da n dc t t i n gg t f e g i hi sl i 铂c ，a n t i n gt e m p c r a t l l i ei s1 0 w 锄d 弘o c e s s i g e 伍d c n c yi sh i 曲e r 1 m sr e s e a r c hp l a st o d os o m es t l l d ya b o u tv i b m t i o nt 印p i g a p p 觚岫s e m p l o yp e r p e n d i c l l l a r i t yt o 姐a l y z et h ei n n u c n c eo fe v e r ) ，p a m m e t c ri o m 盱t o n 丘m t h e b e s t 口a f t p 釉e t c r i l l 衄a l l 一删m d w a y k e y w o r d s ： l d w 能q u e n c yt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，c u t t i n gs t r e n g t h ，1 1 l r c a da c c 盯a c y 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果由本人承担。 作者签名： 妒莹 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 兰州理工大学工程硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，人们对机械零件的精度要求越来越来高，同时 也涌现出一大批新型材料，而这些新型材料采用传统的工艺方法很难加工。目前， 在机器制造业中，我们通常所采用的攻丝方法，虽然在大多数情况下可以满足加 工要求，但存在着一些难以解决的问题。如在难加工材料上加工m 3 以下小螺纹 时，由于切削扭矩大，丝锥强度低，被加工材料硬度高，韧性大，排削困难，极 易产生有害振动，丝锥崩刃、折断或磨损等现象时有发生。加工后的螺纹廓形严 重失真，尺寸精度低，表面粗糙度大【1 1 。本项研究旨在通过一种新的加工方法一 振动攻丝，来解决传统攻丝中存在的问题，为解决小径螺纹攻丝、盲孔攻丝及高 精度螺纹攻丝，特别是难加工材料上攻丝提供一种新的工艺方法。本次研究采用 微机控制振动频率和主轴的正反转，一改过去机械装置既笨重又难操作的特点， 同时又大大降低成本使振动攻丝容易得到推广和应用。本课题是利用原有的工作 基础和成果，开展设备的研制工作并对其工艺参数进行优化，以满足生产上对小 而深或在难加工材料上攻制螺纹的加工要求。 1 2 国内外研究现状综述 振动攻丝作为一种特种加工方法，在许多国家进行了研究并取得很好的加工 效果。 最早将振动引入到加工技术中是1 9 5 4 年日本隈部淳一郎教授提出的，由于 振动切削良好的加工工艺效果引起国内外研究者的普遍关注并很快应用到攻丝 等其它方面f ”。目前，美、日等工业发达国家在国防和尖端技术领域中已应用此 技术，在航空难加工材料上振动攻丝和钻孔己获成功并得到应用，在复合材料、 不锈钢、高强度钢等材料钻孔和攻丝等方面都有应用。振动切削在先进工业国家 低频振动攻丝及加工精度的研究 已成为切削加工业的一部分，并有专用的振动切削加工机床和刀具给生产技术的 发展提供了有利条件【3 】。 尽管振动切削( 包括振动攻丝) 在我国起步比较晚，但发展较快，特别近几 年，许多专家学者以及一些研究机构在振动攻丝方面取得了一系列的可喜成果， 可直接在台钻、立钻、摇臂钻、加工中心的主轴上实现扭转振动攻丝。丝锥寿命 由原来的根本无法加工，提高到一把丝锥能加工几十件到上百件；平均攻丝扭矩 是普通攻丝的1 ，1 5 ，螺纹精度得到明显改善【4 】o 江苏盐城工学院利用电磁铁在圆周方向通过吸合电磁吸盘，带动振动轴沿圆 周方向摆动。振动轴上固结一导杆，导杆一端与滑块相连。滑块在带有一定角度 的槽内滑动，引导振动轴在圆周方向摆动的同时产生以螺旋升角方向的振动。将 振动攻丝装置作为机床附件安装在普通钻床的工作台上，做成简易振动攻丝机 床。并在振动攻丝的振幅、振动频率等参数方面进行了研究同。得出的结论是振 动攻丝能大大降低切削扭矩，切削扭矩约为普通攻丝时的1 3 1 5 左右。 江苏大学根据振动理论对低频振动攻丝提高加工精度的动力学机理进行了 理论分析和实验研究旧。得出的结论是正确的选择丝锥的振动频，减小净切削时 间比，可以减小丝锥的动态角位移，而动态角位移影响所加工内螺纹的表面粗糙 度和牙形精度。 西安理工大学在低频振动切削技术在孔加工技术等领域进行了研究i 刁，在振 动攻丝方面的结论是振动攻丝可以采用步进电机及行星式扭振系统实现所需运 动要求，关于振动攻丝、开发合理、可靠的振动装置尚待研究。 青岛大学在振动攻丝轴向力对螺纹精度的影响等领域进行了研究【羽，结论是 振动攻丝轴向力平稳，方向与进给方向一致，绝对平均值是普通攻丝的1 4 1 3 ： 振动攻丝的轴向力与螺纹精度有对应关系；振动攻丝是加工精密内螺纹的一种有 效工艺方法。 不过，就国内总体情况而言，振动攻丝的应用还是处于起步阶段，特别是在 可靠的振动装置及工艺参数等领域还有待更进一步的研究。目前，大多数工厂仍 然采用传统的加工方法攻丝，一方面是由于没有成熟和完善的加工设备来代替， 另一方面在设备更新方面投资太大，对中小企业根本承受不起。本项研究就是针 兰州理工大学工程硕士学位论文 对上述情况进行了钻攻两用机床的研制工作及参数的优化设计。 1 3 振动攻丝的应用前景及前沿课题 近几年，由于材料科学的飞速发展，具有优良机械性能和物理性能的新型材 料不断涌现，并逐渐在各个领域得到应用。高强度、高硬度的金属材料和正交纤 维束增强复合材料等的应用日益广泛，尤其是正交纤维束增强复合材料以其优良 的高强度、高刚度而被广泛应用于飞机结构中，然而其主要弱点之一层间剪切强 度低，采用普通攻丝加工时因轴向力较大，使层间容易产生脱层现象。由多种材 料( 如钛合金、铝合金及复合材料) 组合构成的叠层材料已逐渐应用于新型飞机 的制造中，其应用前景十分广阔，但由于其切削性能很差，成为推广应用的主要 障碍，因此亟需解决其切削加工难的问题。极有发展前途的金属基( 主要是铝基) 非连续增强复合材料以及最近出现的一些具有晶须、短纤维和陶瓷但由于这些新 型材料的加工性能很差，成为推广应用的主要障碍，因此如何解决加工难的问题 便显得尤为重要【4 1 。实践和理论证明采用振动切削加方法，可以显著改善加工效 果。针对上述存在的问题，在加工不同材料时采用不同的加工参数( 振动频率f 、 切削速度n 、相对净切削时间比t c t ) 就可以取得不同的加工效果。对于振动攻 丝的研究现在主要从以下几个方面进行h ： 1 在充分考虑各种复杂因素尤其是非线性因素的基础上，构造能够反映攻 丝过程机理的动力学模型，深入进行振动攻丝动力学特性的研究：由于振动切 削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，而这方面内容在以往振动切削 研究中较少提及。丝锥的结构和几何参数比较复杂，需要从振动理论上进一步 深入分析振动攻丝的动力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动切削加工技 术在现代加工条件下的完善和发展提供更充分、更精确的理论依据。 2 从切削力学角度看，振动切削的实质是变厚切削、变角切削、变速切削 和冲击切削，要搞清各项参数变量对切削过程的多维影响关系、分离型与不分离 型振动切削的分界、零相位差振动断屑机理、尤其是在广域内确定丝锥横刃和主 切削刃的负后角禁区及切削厚度的变化对动态切削力的影响，必须对动态切削过 低频振动攻丝及加工精度的研究 程进行深入研究，从而为今后的实验研究奠定基础。 3 开发先进的振动攻丝设备。振动攻丝是一种先进加工工艺，振动参数对 加工质量影响非常大，需要根据不同的加工对象和加工区段作相应变化。因此， 依靠传统的攻丝设备很难实现这一目标，必须配置能进行变参数的自动控制系 统，实现振动攻丝的自动化和智能化。 4 开拓新的分析方法。振动攻丝研究的最终目的是适应新型材料加工要求， 优化攻丝过程。但受实验设备等条件的限制，不可能在实验中任意改变参数，因 此采用计算机仿真对攻丝过程进行优化和分析是必不可少的。 5 如何改变切削参数，使材料的切削性能最佳，在这方面没有系统的结论。 由于对于不同的材料，它的最佳切削参数是不同的。即使对于同一种材料，其加 工尺寸的不同它的最佳切削参数也会有所改变的，在这方面如果能总结出有规律 的结论会极大促进振动切削的应用和推广。 兰州理工大学工程硕士学位论文 第二章振动攻丝机设计方案及工艺参数分析 2 1 振动攻丝运动机理 2 1 1 传统切削方法的攻丝原理 金属切削过程的本质是被切削金属在刀具切削刃和前刀面的作用下，经受挤 压而产生滑移变形的过程。丝锥在工件底孔内切出的螺纹，是由丝锥切削刃上的 各切削牙逐层切削而成的。丝锥或工件旋转一周后，每个切削牙到前进一个螺距， 并分别从工件上切除一层金属，每个切削牙所切削的切削厚度为巩，切削层总厚 度为a 。在攻丝过程中，切削层面积是变化的，它随丝锥的切削锥逐渐切入螺孔 中的相对长度的增加而增加：随丝锥的切削锥逐渐由螺孔露出的相对长度的增加 而减少。 在攻丝过程中，攻丝扭矩直接影响到攻丝的难易，影响到丝锥的使用寿命。 所以，攻丝扭矩是设计丝锥、机床、夹具等的必要依据。同时，研究攻丝扭矩对 分析攻丝机理、解决攻丝中所存在的问题都具有重要中的意义。攻丝时，不仅切 削力的切向分力产生攻丝扭矩，实际上，攻丝扭矩的组成有丝锥刀瓣前后刀面与 已加工的螺纹表面的摩擦扭矩，还有切削堵塞等原因引起的附加扭矩。所以，攻 丝的扭矩是复杂的。攻丝扭矩的计算公式和其它切削计算公式一样，都是由实验 归纳出的经验公式。在攻丝过程中，随着丝锥的攻入，切削扭矩便由这一层切削 面积的切削力叠加而成。丝锥全部攻入工件时，切削扭矩达到最大值。 2 1 2 振动攻丝原理 刀具和工件间相对位置反复地进行脱离一接触一脱离，从而形成脉冲状切削 力。我们知道：在vi v 刀时，刀具可以脱离切屑形成切削力回零的现象，而在 整个过程中，工件的运动速度与刀具的振动速度没有上述关系，即v 。v 月。这 低频振动攻丝及加工精度的研究 样工件和刀具间不存在脱离的时刻，这便和传统切削的受力情况一样。因此，为 了保证振动切削的脉冲力产生，就必须满足在vz v 力时刻的存在。把能保证工 件和刀具相脱离时刻的切削速度定义为临界切削速度v c ，v c = a 。= 2 丌a 厶在振 动切削过程中，刀具不是自始至终的切削。在一周期t 中，存在切削时问t c 和 脱离时间( t t c ) 。选择切削速度时，一般取临界速度的l 3 以内，这时的切削 力与传统切削力相比降低几倍，能够得到较理想的切削效果。其切削力波形是较 规则的，大致有正玄波形和脉冲波形两种。正玄波切削力在高速切削是可得到， 但切削速度的提高又是多方面因素决定的，用传统的切削方法很难得到规则的切 削波形。切削力不规则，也就无法提高工件加工的尺寸精度及表面粗糙度。振动 切削解决了这一关键问题，不论在什么方向振动，都可以得到较规则的振动波形。 影响工件加工精度的主要原因是工件在尺寸上所产生的位移及变形，而尺寸 方向上的切削分力又是产生这种位移及变形的直接原因。所以，在尺寸方向上的 切削分力波形将在很大程度上影响工件的加工精度。采用切削深度方向振动切削 时，其振动为简谐振动，使切削深度也按简谐振动的正弦变化，产生正弦波形切 削力。但当切削深度小于振动切削的振幅时，刀具的后刀面将受到工件的冲击， 在短时间内产生崩刃，这是致命的缺点。所以说，一般情况下，不能采用切削深 度方向的振动。进给方向上的振动切削不能使刀具和工件及切屑产生脱离，产生 不了脉冲切削力，得不到振动切削的效果。另一方面，刀具的前刀面和后刀面与 切屑及加工面以振动频率f 激烈的摩擦，使切削刃的温度在极短的时间内升高， 降低了刀具寿命。所以，进给方向的振动和切削深度方向的振动都不是振动切削 的最佳振动方向。 当进行切削速度方向的振动切削时，因刀具和工件间有脱离的时间，且切削 时间在一周期内只占一小部分，所以将产生脉冲力。选择在切削速度方向振动切 削，克服了切削深度和进给方向方向振动切削所存在的缺点，同时因工件与刀具 问的脱离，使刀具的耐用度有了很大提高，所以振动切削的振动方向选择为切削 速度方向。 兰州理工大学工程硕士学位论文 2 1 3 振动攻丝运动方式的选择 所谓振动攻丝是在普通攻丝方法的基础上，给丝锥或工件施加有规律的扭转 振动，形成脉冲式间断切削。在每一次扭振过程中，丝锥的切削用量按某种规律 变化，同时丝锥切入时，提高了瞬时切削速度；丝锥后退时，熨压已加工表面【1 0 1 。 它改变了传统切削用量使用方式，改变了切削机理，改善了刀具、材料瞬间接触 状况和切屑形成条件，形成了一种优化的切削方法。振动攻丝整个过程是连续的， 但就其每一切削点来讲是不连续的，是一种脉冲切削。在一个振动周期中，只有 一个运动段投入切削。刀具和最新切削区时切时离，在一个切削循环过程中，刀 具在很小的位移上得到很大的瞬时速度和加速度。采用振动攻丝加工螺纹时，振 动方向可能有螺纹升角方向、轴向、圆周方向及复合方向。振动攻丝时，振动方 向和螺纹升角方向一致，则螺纹导程、螺纹导程、螺纹牙底角、中径和丝锥一致， 可以获得高精度【1 1 】。 l - )b ) ( c j d ) 动方由 转身由 图2 1 用丝锥振动攻丝的几种方案 本设计中，利用螺纹自导进行振动，其振动方向和螺纹升角基本上是一致的。 从丝锥与工件的相对振动设计方案角度分析，一般有四种如图2 1 所示：( a ) 工 件固定，丝锥回转，并形成沿着螺纹升角方向的振动。( b ) 工件回转，丝锥沿螺 旋升角方向振动。( c ) 工件沿螺旋升角方向振动，丝锥作回转运动。( d ) 工件沿 螺旋升角方向振动并同时回转，丝锥则固定不动【1 2 l 。由于工件或大或小或不规则， 往往回转和振动都比较困难，因此在本次设计中采用第一种方案。攻丝过程按照 切削一空切一切削的规律循环，攻丝切削力便成为脉冲切削力。攻丝过程可以通过 攻丝机床的控制系统来进行控制，因此，脉冲切削力的脉冲可以人为调整，以取 得不同的攻丝效果。总之，振动攻丝与普通攻丝不同，它是一种有规律的间断过 低频振动攻丝及加工精度的研究 程。采用振动攻丝攻制内螺纹时与普通攻丝相比，有明显的工艺效果： 1 促进切屑顺利排出。采用振动攻丝，可以较好地解决普通攻丝切屑难折 断、切屑易划伤零件等问题，尤其这难加工材料上攻丝效果更为明显。 2 切削力、切削扭矩小。振动切削时，切削速度的大小和方向产生周期性 变化，刀具在每一个振动周期内切削时间短，实际切削速度高，切屑变形小，同 时也使磨擦系数大大降低，因此使得切削时切削力、切削扭矩显著降低。 3 延长丝锥寿命。振动攻丝时，作用在零件上是脉冲切削力。切削温度低， 冷却充分，在丝锥切削刃上可以消除传统攻丝时容易产生的积屑瘤、热磨损等现 象，从而延长丝锥的寿命。 4 提高加工精度。由于振动攻丝切削扭矩小，排屑流畅，丝锥前刀面和切 削刃上没有粘结任何杂物，切削刃轮廓清晰，所以加工出的螺纹齿形误差小，外 观整齐规则。同时由于振动攻丝的切削温度低，零件组织的残余应力也小，从而 使加工的螺纹表面质量和综合精度都会得到显著提高旧。 2 1 4 振动攻丝切削力分析 1 振动攻丝与普通攻丝切削力的比较 s d s ( t 吨h 嘲蕾吐蕞社 d i i 矗l， 弼 。 t 心桶 劫 卞翟 翟 6 阿唾 一 一l - l i 墨 厶 赢 o 吃刀抗力， 刎 削 o1 - j 主切削力 u 刀 图2 2 振动攻丝丝锥运动机理 图2 2 是振动攻丝丝锥切削刃上任意一点相对于工件的运动轨迹沿内孔圆 刀具振詈 兰州理工大学工程硕士学位论文 周方向的展开图，图中t ”t 2 分别为切削刃切入、切出工件时间；t 为振动周期： a 为振幅；v 为攻丝主切削速度；k 、乙分别为每个周期切削刃切削长度和空切 长度。若以工件为参照物，图2 - 2 表示刀具从原点o 开始振动，向前运动到a 点时，刀具前刀面与工件分离，刀具在a 、b 之间形成长度为l c 的切屑i ：从b 点到以c 点，刀具前刀面脱离切削区，进入空切阶段，并在c 点刀刃再次进入 切削区，到d 点分离，在c 、d 问生成切屑。刀具与工件之间就这样反复切削、 分离，形成振动攻丝特有的脉冲式间断切削方式，丝锥在后退过程中反复熨压已 加工表面弹性恢复量，降低攻丝过程磨擦扭矩和螺纹表面粗糙度。此时若不计空 切时已加工表面的弹性恢复及刀具与工件之间的磨擦力，将形成振动攻丝特有的 脉冲切削力波形。同时由于切削速度对切削力影响较小，振动攻丝切削力峰值与 普通攻丝基本相等，因此理论上振动攻丝切削力均值是普通攻丝的v r 剧1 4 】 2 振动攻丝轴向力分析 攻丝属于半封闭多刃切削过程，工件由丝锥切削锥刃瓣上的各切削齿逐层切 削而成，见图2 3 。丝锥旋转一周，每个切削齿前进一个螺距。并分别从工件上 切除一层金属，因此，整个丝锥切削层总面积a i 为： 1 4 z 篁口l + 口2 + s 枷c 暑妄月 ( 6 ) 图2 3 攻丝时丝锥各切削齿的切削层 当丝锥切削锥全进入底孔时，则有： 伽吾胛 ( 7 ) 式中：h 螺纹高度，哪； 低频振动攻丝及加工精度的研究 p 一螺距，衄： a c _ 一一切削层厚度，m ( 当切削锥角中较小时，可在垂直于丝锥的轴线方 向测量) ： 口。，口。一分别为切削锥上各切削齿的轴向宽度，i i i l ； 在攻丝过程中，切削层总面积a 。是变化的，因而，切削力也是变化的。当 丝锥切削锥全部进入底孔后，切削层总面积保持恒定，切削力也保持恒定。实际 攻丝过程中影响攻丝扭矩的因素很多，实测的攻丝扭矩呈随机性波动，但是总的 趋势还是与切削层面积的变化规律致的。振动攻丝由于改变了攻丝特性和润滑 条件使攻丝扭矩显著降低，而且其轴向力波动小，其值也比普通攻丝的的轴向力 小的多，其轴向力是由四个力相互作用的结果【1 5 ，圳。 丝锥的工作部分分为切削齿和校正齿，校正齿和切削齿的受力如图2 4 所 示，校正齿由于左右螺纹型面对称，所受合力平衡，因此，轴向合力为0 。切削 锥由于有导角中，在齿顶形成一个与进给方向相反的力f 1 ，切削锥的螺纹左右型 面不对称。 ( a ) 校正齿 ( b ) 切削齿 图2 4丝锥受力状况分析 在图2 4 ( b ) 所示位置，刀齿右边型面面积大于左边型面面积，刀齿轴向 所受的舍力为一个与进给方向相同的力f 2 ，f l 和f 2 作用的结果，相当于一个合力 r 作用于丝锥上图中f ；为丝锥刃瓣上所受的径向力，丝锥4 个刃瓣上所受径向 力的合力为零。合力r 是由多个力合成的，其主要是由攻丝克服的磨擦力、攻丝 兰州理工大学工程硕士学位论文 时克服的进给抗力和由于传递误差而产生的干涉力所合成的。根据理论分析和试 验表明，轴向力r 对攻丝的影响主要有以下三个方面： ( 1 ) 轴向力的增加使磨擦扭矩增加，丝锥对工件的挤压作用增强，加上 被加工材料的回弹，使得工件内部应力增加产生缺陷，在反复的挤压过程中，使 工件螺纹表面粗糙度变差，尤其是螺纹牙顶金属容易被撕裂脱落。 ( 2 ) 丝锥开始进入底孔时，只有少数几个齿承受轴向力，因此，每个齿 分担的轴向力增加，使齿形歪向一边，造成牙型半角误差增大。因此一般入口处 的螺纹质量较差，随着丝锥的切入，承受轴向力的齿增加，每个齿承受的轴向力 减小，因而牙型随孔深增加而逐渐趋于整齐。 ( 3 ) 内螺纹的每个齿槽都由丝锥切削锥上的齿一层一层将其切除，后一 个刀齿总是在前一个刀齿的切削痕迹上进行再切削的。在没有轴向力干扰的条件 下，丝锥每转一转，在轴向力的作用下，偏离前一刀齿的痕迹，导致螺纹型面的 阶梯状，表面粗糙度变差，刀齿的轨迹偏离正确型面，牙型半角误差增大。当后 一刀齿偏离过大时，刀齿的切削厚度增加，造成切削力的突然增加，容易产生崩 刃和丝锥扭断。所以在攻丝加工时应设法降低丝锥所受的轴向力。采用振动攻丝 使轴向力显著降低，振动攻丝加工出的螺纹牙型整齐，牙顶被撕裂的现象很少出 现【切。 2 1 5 振动攻丝丝锥扭转变形分析 在攻丝过程中，丝锥是工艺系统刚度的薄弱环节。如果把振动角位移随时 间变化的规律和攻丝扭矩作为输入信号，那么就可以得到丝锥切削部的响应。丝 锥在动态攻丝扭矩m ( t ) 的作用下，其微分方程为： ，祭+ c 警一帅) ( 1 ) d 日d f 、 l lj 式中i 为丝锥及主轴的等效惯性：c 为扭转粘性阻尼系数；k 为丝锥等效扭转刚 度；o 为丝锥相对工件扭转振动角位移嘛1 9 2 0 ，2 “。 在振动攻丝过程中丝锥将整个切削长度方向有规律地自动分割若干小段， 低频振动攻丝及加工精度的研究 在一个振动周删只有耄| 乏短的时同进行切削，切削力呈现出脉冲状波形。将该脉冲 状切削力波形按傅立叶级数展开，则得： m = 争m ，+ 晏m 砉砉s 面啐万c o s 玎耐 c 2 ， 式中f 。为丝锥在一个振动周期中的实际切削时间；r 为丝锥的振动周期；为丝 锥强迫振动圆频率；m ，最大脉冲切削扭矩。由式1 、式2 得： ，窘+ c 警砌专晏m 薹扣争 甜 出2 d t t 1 石台nr 。 式3 的解是由衰减自由振动的解和强迫振动的解组成： 玎卜孵“血厮卜 ! 丝+ 毒 危 m 。三s i n 凡生石 m ，啬豇帅等石 石 s i 0 甜+ 吼) ( 4 ) 式中为丝锥扭转方向固有频率，m 。5 ；v5 必，l 为丝锥扭转临界粘性 阻尼系数，c 。j 砒一5 2 ，a 上式中，第一部分是呈指数衰减的振动项，只 在振动初始阶段存在，随着时间的增加而迅速消失；而最后一项级数项在 ，3 时，与m 彳二相比是一个很小的数值，可以忽略不计。故振动攻丝 过程中丝锥的扭转变形近似为： 口( f ) ：生生 ( 5 ) 式( 5 ) 说明振动攻丝丝锥的扭转变形是普通攻丝的形倍a 因此，振动攻丝可 有效减，! 丝锥折断率，提高螺纹加工精序f 2 2 i 。 兰州理工大学工程硕士学位论文 2 。2 振动攻丝机设计方案 2 2 1 总体方案 本机拟采用机电一体化方案，加工成形运动采用微机控制的步进电动机是丝 锥实现回转主运动和扭转振动，依靠可换式攻丝靠模装置使丝锥做螺旋进给运 动；可执行手动和自动两种工作循环。为扩大本机工艺范围，它还可进行钻、扩、 铰孔等加工。为保证加工中的质量及安全性能，机上还没有过扭保护装置、润滑 冷却系统。 2 2 2 传动方案 该机床的传动部分是利用现成的z 4 1 1 6 型台钻进行改装，卸去其电机，变速 塔轮、罩壳等，只利用其立柱、底座、壳体和主轴做为系统的支撑和传动部件， 其结构示意图如2 5 所示： 2 345 1 支架2 托柱3 上托盘4 步进电机5 联接套6 下托盘7 过渡套 8 联轴器9 丝锥夹头1 0 丝锥 图2 5 机床的结构示意图 低频振动攻丝及加工精度的研究 其动力单元由步进电机及其相应驱动系统组成的：步进电机采用杭州中达电 机厂生产的z d - 5 2 0 0 混合式步进电机，该电机具有输出扭矩大、外特性硬、空载 启动频率高等优点。 其主要参数：空载启动频率 6 k p p s 空载运行频率 1 0 0 k p p s 步距角 o 0 9 。 电源输入 a c 8 0 v 5 a 驱动器：该驱动器是与上述步进电机相匹配，其型号为z d h b 5 0 5 8 ，它具有 如下特点：1 采用光电耦合，隔离输入与输出端；2 采用可变进制的计数器及 e p r o m 环形分配器：3 采用快速电流取样操作，自动变脉宽调制，实现宽频范 围内恒速运行；4 采用恒相流，全功率m o s 管组成驱动桥，动态性能好，可靠 性高。而且驱动器与脉冲发生器接口简单，只需二根口线分别控制其步进脉冲和 方向脉冲且二者均为1 1 l 电平，无需变换。在实验中，只需改变脉冲序列的规 律，就可方便控制电机的转速和转向，实现无级变速，以满足实验需要。在做实 验时，发现发出的脉冲连接到驱动器之后，电压被拉低而不能驱动电机正常运转。 这种情况下本人采用反向驱动，就是将驱动器的c o m 端不接地而是接+ 5 v 的电 压，相当于发送的脉冲高电平变成低电平，实验证明这种方法输出的功率更大从 而使本次实验得以正常进行。 2 2 3 微机控制系统 1 - 显示单元 图2 6 显示电路 1 4 兰州理工大学工程硕士学位论文 显示部分是采用串行并行转换显示方法其电路如图2 6 所示，串并行转换 芯片与l 印显示器安装在一块显示电路板上。显示部分采用十进制译码驱动器 m c l 4 9 9 来构成单片机应用系统的显示器接口，大大减少i 0 口线的占用数量。 另外该芯片采用硬件直接译码，即通过串口输入一个数字在l 印上直接显示该数 字而不需要软件译码。片内主要包括一个2 0 位移位寄存器、一个锁存器、一个 多路输出器，由多路输出器输出的b c d 码段译码器译码后，换成点七段码至段区 动器输出( a ，b c d e f 曲和小数点d p 。另外，由片内振荡器经过四分频的信号， 经位驱动器至四位控制线( i ，| l ，l | | ，iv ) 芯片的主要控制信号有： 1 d a t a ：串行数据输入端。 2 a ，b ，c ，d ，e f ，g ：七段显示输出。 3 i ，i i ，i il ，i v ：字位选择端。用来产生l 印选通信号。 4 0 c s ：振荡器外接电容端，外接电容使片内振荡器产生2 0 0 _ _ 8 0 0 h z 扫描 信号以防l e d 显示器闪烁。 5 c l i ( ：时钟输入端，用以提供串行接收的控制时钟。 6 刚：使能端，为0 时，m c l 4 9 9 允许串行数据输入；为1 时，片内的移位 寄存器将数据送入锁存器中锁存。 m c l 4 9 9 每一次可接收2 0 位串行输入数据，这2 0 位数据提供了4 位8 c d 码和4 位小数点选择位。 由于m c l 4 9 9 片内具有b c d 译码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片 机接口相连。m c l 4 9 9 每一次可接收2 0 位串行输入数据，2 0 位串行数据提供了4 位b c d 码和4 位小数点选择位。前4 位用于控制4 个l 印显示器的小数点是否显 示，后1 6 位是4 个l e d 显示器的b c d 码输入数据。其相应显示字符如表2 1 所 示田甜捌： 低频振动攻丝及加工精度的研究 表2 1 m c l 4 4 9 9 字符表 由于1 4 9 9 片内有锁存器，送入一帧( 2 0 位) 数据后，这些数据保存在眦1 4 9 9 中，可靠地驱动4 位l e d 显示，显示锁存器中的数据字符。 显示部分程序摘录如下： d i s p l a y ：c l rc l k l 4 4 9 9 n e x t b i t d i s p a c l ld is 4 b i t s m o vr 3 # 4 m o vr 0 # d is b u f + 3 m o va r 0 c a l ld is 4 b i t s d e cr 0 d j n zr 3 n e x t b i t o i s p s e t bc s l4 4 9 9 r e t ；送四位位选码 ；送显示字符 兰州理工大学工程硕士学位论文 d i s 4 b i t s d l s 4 b i t s l r 2 4；给1 4 4 9 9 送四个位信息 a c l k l4 4 9 9 a d t l 4 4 9 9 c c u “4 4 9 9 r 2 d is 4 b i t s l 2 键盘 振动攻丝实验系统的攻丝运动是通过步进电机进多退少的运动来实现，而步 进电机的转动方向和转动角度与其接收到的方向脉冲和步进脉冲数有着严格的 对应关系，因而可通过控制输入步进脉冲和方向脉冲，以满足实验要求的工艺参 数。键盘输入参数有：前进的脉冲数，后退的脉冲数，步进电机的脉冲频率惭2 7 捌。 键盘部分程序摘录如下： g e t k l ： j b k e y c 0 d e ： g e t k 2 ： p r e s s e d k e y 印 d e l a y 2 0 m s k e y s c a n k e y c o d e b # o k e y g e t p r e s s e d a ；判断有无键按下 ；看是否有键按下 ：列号初始化为0 ；有键按下 ：判断按键列位置 l 1 b ：列号加1 g e t k 2 v 舻 侣 c v r 忆 t 删 姚 距 札 帕 引 叫 旺 眦 盯 删 邮 g ； 撇 洲 低频振动攻丝及加工精度的研究 l 2 ： p 0 # 1 1 1 1 0 0 0 0 b a p 0 a c c 4 l 2 k e y s a v e b；按键在第o 行 a c c 5 l 3 ，b；按键在第1 行 a # 4 k e y s a v e a l 3 ：j ba c c 6 l 4 a b a # 8 k e y s a v e a a b a # 1 2 k e y s v e a ；按键在第2 行 ：按键在第3 行 ； 键盘共有1 6 个键，包括1 0 个数字键，6 个功能键。功能键分别是：停止键、 确认键、钻孔键、正转步数、反转步数、脉冲频率。键盘要实现的功能是，通过 键盘输入电机的转速，一个振动周期中需正转的步数和反转的步数，输入完这三 个参数确认后钻床就以此参数进行振动攻丝。另外该机床是钻孔和攻丝两用机 床，为了实现钻孔的功能特在功能键中加入钻孔键。当按下该键时，机床就可以 进行钻孔这一功能，从而真正实现钻孔和攻丝两用的功能。对于键盘部分程序是 这样处理的，把数字键和功能键分开处理，每个功能键设置一个标志位每当按 下功能键时，就将该功能键对应的标志位置1 ，然后判断标志位进入各个处理子 8 v v v t v d v t 心 帕 删 旺 以 驸 加 附 旺 眦 脚 删 盯 删 脚 州 时 h 兰州理工大学工程硕士学位论文 程序进行处理。对于数字键的处理是根据各个功能键对应的标志位进行处理的， 设置数据缓冲区，按下的数字键都送到缓冲区里等待再根据标志位来进行后续的 处理。 数字键处理部分程序摘录如下： k e y n u m b ：眦0 v m o v m o v 帅d v r e t d l s b u f + 3 d l s b u f + 2 ： d i s b u f + 2 d i s b u f + 1 d l s b u f + 1 d i s b u f d i s b u f ，k e y s a v e： 先输入数值放到高位 将扫描到键码送缓冲区 将输入的数值依照输入的先后顺序存放在己定义的数据缓冲区内，数据这样 处理的好处是在显示时，只要将该缓冲区的内容送到显示缓冲区内就可以将输入 的参数显示出来。 3 脉冲发生器 由于本实验系统要完成振动攻丝、普通攻丝和钻孔等功能，并要求它们的参 数在实验过程中，能够随输入参数的变化而变化以满足实验的要求。这就要求脉 冲发生器输出脉冲序列有规律，必须能够根据输入参数的变化而改变。本设计选 用a t 8 9 c 5 1 芯片。硬件部分包括：复位部分、晶振、键盘输入部分、显示部分、 信号输出如图2 7 所示。 图2 - 7 脉冲发生器 低频振动攻丝及加工精度的研究 圈2 8 软件框图 其中信号输出包括控制电机正反转的方向脉冲，控制电机转速的频率脉冲。 在输出脉冲信号之前连接一个7 4 l s 2 4 4 芯片，主要是为了防止受到外来干扰的影 响，对外来干扰起屏蔽作用。脉冲发生器要能够随输入参数的变化而变化以满足 实验要求。其软件结构如图2 - 8 所示。 输入的参数有：切削速度、正转步数、反转步数。在一个振动周期的加工过 程中，需要变化的参数是：控制电机主轴转速的频率脉冲和控制电机正反转的方 向脉冲。当驱动器的c p 端是高电平，电机正转，反之当该端是低电平时，电机 就反转。脉冲发生器主要实现三部分功能：振动攻丝，普通攻丝和钻孔。注意的 问题是当发送的脉冲频率比较高时或变向频率很高时，这种情况下步进电机很容 易失步，其表现就是电机停转或输出的功率很小并发出刺耳的噪音。这种情况处 理办法是在转速比较高时，电机在开始起动时要有一个升速过程和在停止攻丝时 有个减速的过程。另外当振动频率很高时电机也比较容易失步而且输出功率很 小，因此在振动攻丝时，输入的振动频率和电机转速不能太高。 兰州理工大学工程硕士学位论文 2 3 工艺参数设计及分析 2 3 1 振动频率、切削速度及相对净切削时间比对加工螺纹精度影响 振动攻丝的基本工艺参数是振动频率f 、切削速度v 和相对净切削时间比 f 。归。振动攻丝运动是通过步进电机的进多退少的运动来实现的，而步进电机 的转动方向和转动角度与接收到的方向脉冲数有着严格的对应关系。因而可通过 控制输入步进电机的步进脉冲和方向脉冲，以满足实验要求的工艺参数【2 螂u ”。 研。表示步进电机的脉冲频率，前进的脉冲数m 。，后退的脉冲数为m 。，吼为电机 的步距角，d 。为螺纹的中径尺寸。各项振动攻丝运动参数如下【蠲： 振动攻丝频率：f = 扰，b 。+ m 。) 一个周期净切削时间： = b 。一m 。枷， 相对净切削时间比： f 。归= 。一卅。) 如。+ m 。) 攻丝平均切削速度：y 一筹 攻丝平均转速：厅；蠢篆丁，其中七；8 。m ，誓 其中后两个参数是评价攻丝效率的。本次实验分别对各个工艺参数进行单因 素分析以分析它们对螺纹精度的影响。由于内螺纹作为一种复杂的几何实体，其 精度指标较多，从单项精度指标很难看出加工螺纹质量的好坏，也很难反映出各 个因素对其螺纹精度的影响。在本次实验中为了直观地观察各项参数对螺纹质量 的影响并简化分析，采用一种螺纹综合精度检测方法一螺纹配合间隙以直观地 反映各个因素影响的好坏【32 1 。实验条件为：材料选用不锈钢，加工螺纹规格为 m 3 。 1 切削速度对加工螺纹精度的影响 在保证振动频率f ，相对净切削时间比f 。7 不变，改变切削速度。根据以前 低频振动攻丝及加工精度的研究 的结论仅当f 。卢，o 4 时，进行振动攻丝才具有生产实际意义，因此r 的数值 取o 4 一o 9 范围嗍。在本组实验中取f = 8 0 h z ，f 。r = o 6 。为了尽力避免由于加 工材料所含的杂质以及刀具本身导致每次加工出现的数据异常并影响对结论的 判断，在每一个试验点都进行了两次实验，取其平均值。在下面的两种情况都是 这样处理的。 5 0 芎4 5 链 焉4 0 留 誓3 5 3 0 6 07 08 09 0 1 0 01 1 0 转速( r ，n i n ) 图2 - 9速度影响曲线 从图2 9 可以看出，当振动频率和相对净切削时间比一定时，随着切削速度 的增加螺纹配合间隙逐渐增大，但增加幅度较小。其主要原因是：由于螺纹为空 间曲面，即螺旋曲面形状，实验系统采用螺纹自导引进给，当切削速度增加时， 由于螺旋进给引起的冲击力增大，但当切削速度较小时切削效率太低。考虑到既 要保证加工螺纹孔的精度并且又要有一定的攻丝效率，切削速度一般选择 8 0 r m i n 左右。这一实验结论和文献 2 6 得出的结论是相近的。 2 振动攻丝频率对加工螺纹精度的影响 当切削速度和相对净切削时间比不变时，改变振动攻丝频率6 0 一1 0 0 h z ，进 行攻丝实验。振动攻丝参数为：切削速度取9 0 r m i n ，相对净切削时间比为0 6 ( 主要考虑在此数值下攻丝具有比较小的攻丝扭矩故选此数值) 。 兰州理工大学工程硕士学位论文 写4 5 篷4 0 舞3 s 瞄3 0 篓2 s 5 06 07 08 09 01 0 01 1 0 振动频率( h z ) 图2 1 0 振动频率影响曲线 从图2 1 0 可以看出螺纹配合间隙随振动频率的增加开始减小随后便一直增 大，因为当振动频率很低的时候，此时振动攻丝就失去了意义。当振动频率为0 时，就变成了普通攻丝，所以其振动频率不能过低。针对某种材料其振动频率要 保证不低于某个数值，振动攻丝才有意义。而随着振动频率不断增加，其螺纹配 合间隙逐渐变大。这是由于振动频率继续提高后，丝锥与工件磨擦剧烈，二者之 间保持经常性接触这导致丝锥的表面加工质量恶化，从而使螺纹配合间隙变大 1 3 5 1 。在这种情况下振动频率取9 0 h z 左右攻丝效果较好。 3 相对净切削时间比f 。肛对加工螺纹精度的影响 在保证切削速度和振动攻丝频率不变的情况下，不断改变相对净切削时间 比，变化范围o 4 _ _ o 9 进行实验。振动攻丝参数为切削速度取8 0 r m i n ，振动攻 丝频率取9 0 h z ，在保持其它两项参数不变的情况下，不断增大r 。归的值得到如 图2 1 1 所示的曲线。 低频振动攻丝及加工精度的研究 一5 0 目 34 5 篷4 0 藿薹 繇2 5 髫2 0 0 40 50 60 70 8o 91 相对净切削时间比 图2 1 1 相对净切削时问影响曲线 从图2 - 1 1 可以看出，随着f r 的增大螺纹配合间隙先减小后不断增大的。 值为o 7 左右时螺纹配合间隙有一个最小值。分析其主要原因是，在振动频 率和切削速度不变的情况下f 。归值不断增大实际不断增大其正转的步数。开始时 反转的步数大也即丝锥的回退量大使丝锥对螺纹轴向冲击加大从而导致螺纹中 径变大增大了螺纹配合间隙。但随着f 。肛值不断增大振动攻丝效果就变得不明显 了当其值接近1 时就相当于普通攻丝，螺纹配合间隙就不断增大。通常情况下 f 。弦取o 7 左右加工效果较好，在下面的多因素正交分析实验中取的值是o 6 ， 0 7 ，o 8 。 z 3 2 实验参数设计及分析 1 、实验方案 本项课题主要目的就是研制能进行钻孔和攻丝两用机床。为了使研制的机床 在难加工材料上具有较好的加工效果，特选取具有代表性且常用的难加工材料 一不锈钢进行加工实验，分别加工了m 3 、m 6 和m 8 三种规格的螺纹。 整个实验条件如表2 2 所示： 兰州理工大学工程硕士学位论文 表2 - 2 实验条件 不锈钢( 如1 c r l 8 n i 9 t i ) 属于难加工材料，它有如下特点阿： 1 韧性大，切屑不易分离；切屑阻力大，在攻丝中对容屑和排屑的要求也 高。 2 加工硬化趋势强。不锈钢的攻丝，在底孔加工时，能使孔壁发生硬化现 象，增加了攻丝的难度。 3 导热系数低。不锈钢的导热系数约为碳钢的1 3 ，切削热不易通过切屑带 走，大部分切削热都传给丝锥。在不锈钢攻丝中，切屑与前刀面接触长度 小，切削热集中在切刃附近，造成温度较高，因而容易在丝锥前刀面上 粘附着一层被切削材料。 由于不锈钢良好的化学特性使其在是日常中经常使用，但它又很难用普 通的攻丝方法进行加工或者即使用普通攻丝方法加工，其效率也非常低。因 此在本次实验中选用不锈