（机械制造及其自动化专业论文）低频步进式振动攻丝切削机理与试验研究.pdf

独 _ 创 _ _ 性 _ 声_ _ 甲 藻蒸 蒸龚 淤 琴 荞 辫 我 谢 工 本论文及其相关资料若有不实之处下_ 由 本天承担洲切相关责任 论 钾些书吟_ _ 一 于_钾 声 一“ 学位论文使用授权声明 本 人 粤咋一 并 已经 在 西 安 理 工大 学默犷 翼黑笑 暮裂 默卖 黑 答 篡言 瓢翼翼 黑馨 北 翼 森 1) 己获学位 的研 究生按学校 规 定 缩印 或 其 他复 制 手 段 保 存 研 究 生 上交的学位论文 ， 教学和科研 目的，鬓 尊 黯 雾 摆篡_ 容 瓤 有 关 数 据 库进 行 检 孰几 力为密后的学位论文一作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园一网上供校内师 生阅_ 读、 _浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 (包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 (，保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 一_ 砂_ 导 畔 斗粤 _ 汾 _ 月_ _ 摘 要 论文 题 目: 学科专业 : 论文作者 : 指导教师 : 低频步进式振动攻丝切削机理与试验研究 机械制造及其 自动化 施庆 峰 张广鹏 教授 签名 签名 : 摘要 振 动攻 丝 是一种 脉冲 式切 削 ， 它 是在 传统攻 丝基础 上给 刀具 (或 工件)施 以某种 参数可 控制的有规律 的振动 ， 从而使原来连续 的攻丝过程变为脉冲地切削过程 ， 使其产生 良好 的 加工效果 。 振动频率在 200h z以下 的称 为低 频振动 。目前人们研 究较 多的是往复式振动攻 丝技术 。 本文在往复式振动攻丝技术研 究的基础上 ， 从切削机理和试验两个方面对 步进式 振动攻丝技术进行 了探索性研 究 ，得 出了一些对实际加工具有一定指 导意义 的结论 。 论文首先对 国内外振动攻丝技术和设备 的研 究现状及发展趋 势进行 了综述 ， 在对往复 式振动攻丝技术调查研究 的基础上 ， 制 定 了步进式振动攻丝实现方案 。 通过与往 复式振动 攻丝运动特 点的分析对 比， 建立步进式振动攻丝运动模型 ， 绘制 了切 削刃上某点随着 时间 变化 的轨迹 曲线 ， 提 出了步进式振动攻 丝 的实现 条件 。同时还推 导 了步进式振动攻丝丝锥 动态角位移方程， 从理论上分析了净切削时间比和振动角频率对步进式振动攻丝丝锥动态 角位 移 的影响规律 。论文还对步进式振动攻 丝丝锥 工作 角度进行 了分析 。 其 次 ，为 了揭 示步进 式振动攻 丝 的切削机理 ，论文从攻丝 的扭矩特 性 、切屑 的形成机 理 、轴 向力和径 向力对加工精度 的影晌 、刀具 的磨损特性 、牙型毛刺和切削液作用机理等 方面 进 行 了探 讨 。 最后 ， 为 了研 究步进式振动攻丝 的实 际应用特 点 ， 基 于所 开发 的步进式振动攻丝装 置 ， 通过对 不锈钢 的攻 丝实验 ，从 以下几个 方面 内容进行研 究 : (l )从螺 纹牙 型质量和螺纹配 合 间隙量角度对普通攻丝、 往复式振动攻丝和步进式振动攻丝进行了对比研究， 得出振动 攻丝的内螺纹质量优于普通攻丝的结论 。 (2功口 工参数对步进式振动攻丝扭矩 的影响规律 ， 并 与普通攻 丝 、往 复式振动攻 丝扭矩进 行 了比较 ，发现 普通攻 丝较 大 ，而往 复振动攻丝和 步进 振 动攻 丝扭 矩 较 小 ，且均 成周 期性 。(3 )加 工参 数对 切 屑 形状 的影 响规 律 ，并 与普 通 攻 丝 、往 复 式振 动攻 丝 所 获得 切 屑进 行 了 比较 ，发现 普 通 攻 丝 的切 屑长 度较 长 、弯 曲度 小 且厚度 不均 ，而往 复振动 攻丝和 步进 振动攻 丝 的切屑短而卷 曲。(4 )轴 向力对螺纹牙 型 的 影 响规 律 ，并对 普 通 攻 丝 、 往 复式振 动 攻 丝和 步进 式振 动攻 丝所 获 得 的螺 纹 牙 型毛 刺进 行 了比较研 究 。 (5 )研 究 了普通 攻丝 、 往 复式振动攻丝和步进式振动攻丝 条件 下 的刀具磨损 ， 发现 普 通 攻 丝 刀 具磨损 最 严 重 ，而 步进 式 振 动 攻 丝 刀 具磨损 则最 小 。 关 键 词 : 振 动 攻 丝 ; 振动 切 削 ; 步进 式振 动 攻 丝 ; 攻 丝扭矩 : 低 频 振 动 攻 丝 卜 a b s t ra c t t itle :r e s e a r c h o n c u t t in g m e c h a n !s m a n d e x p e r im e n t o f l o w f r e q u e n c y s t e p v !b r a t io n ia p p !n g m a j o r: n a m g : m e c h a n ic a l m a n u f ac tu fe a n d a u to m a tio n q 1 n g f e n g s h i 5 1 gna， ure: 口如妞口左 s u p e r vis o r: p ro f. g u a n g p e n g z h a n g a b s tra c t t he vibr a tion ta p pi ng 15 a pulse eutting， w hieh pr o vides a reg u la r vi br a tion f o r eutter ( or w or k pieee) based on the ordinary ta p ping. the para meters ea n be eontr o lled to m a k e t h e eo n tin u o u s p r o eess o f o r d in ar y ta pp in g b e a p u lse eu ttin g ，a nd m a ke it h as g r ea t m aeh in in g ef f eets. t he v ib r a tio n th at f r eq u en ey b elo w 2 0 0h z 15 ealled lo w f r eq u en ey v ib r a tio n . t he eo n v en tio n a l v ib ra t io n t叩 p in g 15 r e sea r ch ed b y m a ny p eop le n o w . b a s ed o n th e stu d y o f th e eo n v en tio n al v ib r a tio n ta pp in g ， t h e step v ib ratio n ta pp in g 15 a pp r o aeh ed f r om eu ttin g m eeh a nism a nd ex p er i m en ts，a nd so m e eo n elu sio n s w hieh a r e b en ef i eial to m ach in in g in p raetiee a r e d ravvn o u t. f ir s tly ， th is t h esis su m s u p th e d ev elo p m e nt o f teeh no lo g y a nd eq u ip m en t o f th e v ib ratio n ta pp in g，a nd esta blish es a m eth o d to m a ke th e stop v ib r a tio n ta pp in g eo m e t几 e b ased o n t h e stu d y o f th e eo n ve n tio nal v ib ratio n ta pp in g . b y eo m p a r in g w ith th e m o v em en t eh a r a c te r istie o f t h e eo n v en tio n al v ib r a tio n ta pp in g ， a k in etie m a t hem a t ieal m o d el o f t h e step v ib ra t io n ta pp in g 15 set up， a n d the displa c em ent eur v e of eutting edge eha n ges along w ith the tim e a r e g i ven out， a nd th e p reco n d ition o f th e ste p v ib ratio n ta pp in g 15 p u t f o 柳 a r d . a t th e sa me tim e，t h e eq u a t io n o f th e d y na mie a ng le d isp laeem en t o f ta p in lo w f r eq u en ey ste p v ib ra t io n ta pp in g 15 d ed u eed . a nd t h e in f l u en ce o f th e p u re eu ttin g tim e ra t io a nd t h e v ib ratio n a ng u la r f r eq u en c y o n th e d 邓 am ie a ng le d isp lae em en t o f ta p 15 a na ly zed f r o m th eo r y . f u r t h er mo re ， th e w o r kin g a ng le o f ta p o f t h e ste p v ib ra t io n ta pp in g 15 an alyzed . s eeon d ly ， o w in g to rev eal th e eu ttin g m eeh an ism o f step v ib r a tio n ta pp in g ，th e to r q u e eh a r aeter i stie o f ta pp in g ， eh ip f o r matio n m e eh a nism ， th e e f f eet o f rad ia l f o ree a nd ax ia l f o r c e o n m ach in in g p reeisio n ，w e 如 n g ch ara cter i stie o f eu tter ， b u r r o f th e p r of i le o f th e screw teeth a nd th e ef f eet m eeh a nism o f eu ttin g f l u id are d iseu ssed . a t last， in o rd er to stu d y th e step v ib ra t io n tap p in g in p raetical u se， stain less steel a r e u sed 1 11 、 飞八 广 西安理工大学硕士学位论文 to ex p er i m en t on v ib ra t io n ta pp in g b a s ed o n t h e ste p v ib r a tio n eu t tin g d ev iee，th e f o llo w in g several con i e n ts a r e a p pr o a c hed: (l)in the view of t h e sere丫 v teet h pr o f i le a n d t h e serew f i t elea r a nee，co n t r a s t r e sea r eh 15 ea币 ed o u t a bo u t o u l in a r y ta pp in g ，eo n v e ntio n a l v ib ra t io n ta pp in g a nd ste p v ib r a tio n ta pp in g ， a nd th e eo n elu sio n d r a场叮 o u t t h a t ser e w q u a l ity o f v ib r a tio n tapping 15 bet te r t h a n or d i n a r y tapping. (2)t he inf l ue n ee of m aeh i ning para jr n ete r s on ste p v ib ra t io n ta pp in g to rq u e 15 a pp ro aeh ed ，a nd eo n t r a s t w it h o r d in a r y ta pp in g a nd eo n ve n tio n a l v ib r a tio n ta pp in g 15 w o rk ed o u t，f o u nd th a t to rq u e o f eo n v en tio n al v ib ratio n tap p in g a nd ste p vibra t ion ta p ping 15 s maller t h a n ou l i nary ta p ping，a n d 15 per i odie. (3)t he inf l uen c e of m a c hining pa r a mete r s on eh i p s h a p e 15 a p pr o a c hed， a n d eont r ast w ith ou l inary ta p ping a n d e o n v en t io n a l v ib r a tio n ta pp in g 15 w o r k ed o u t，f o u n d t h a t eh i p t h iek ne ss o f o r d in a r y ta pp in g h a s the cha r a c ters of longer leng t h， sm alle r eam ber a n d nonu n if o r m ehi p t h iek n ess， how e v ef ， ehip of eonventional vibra t ion ta p pin g a n d ste p vi bra t ion ta p pi ng 15 shor t er a n d eu r ly .(4)t he in f l u en e e o f a xia l f o r e e o n t h e ser e w tee t h p r of i le 15 a pp r oa ch ed ，a nd eo n tra st r e se a r ch o f th e ser e w te eth p r of i le b u r r 15 w o r k ed o u t a mo n g o rd in 娜tap p in g ，eo n v e ntio nal v ib ratio n tap p in g a n d step vi bra t ion tapping. (5)t he resea r ch of eu t t er w ea r 15 ca币ed ou t in t h e eonditions of o rd in ary ta pp in g ， c o n ve ntio n al v ib ra t io n ta pp in g a nd ste p v ib ra t io n ta pp in g ， f o u nd t h at th e w ea r o f eu tter 15 th e b ig g est in o r d in 娜ta pp in g ， a nd th e sm allest in step v ib ra t io n ta pp in g . k ey wo rd s : v ib ra t io n ta pp i n g ; v ib r a tio n cu ttin g ; step v ib r a tio n ta pp in g ; to r q u e o f ta pp in g ; lo w f r eq u e ney v ib r a tio n ta pp in g iv 目 录 目 录 1 绪论 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . i 1.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2 振动攻丝研 究的发展概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2.1 振动攻丝工 艺 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1 .2.2 振动攻丝在 国外 的研 究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . ， 2 1 .2.3 振动攻丝在 国内的研 究现状 . . . . . . . . . . ， ， 3 1.3 振动攻丝 的发展趋势 【 5 5 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 本文 的研 究意义和研究 内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， 6 1.5 本章 小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . .7 2 步进式振 动攻丝运动学分析 . . . . . . ， . . . . . . . . ， 8 2.1 步进式振动切削简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一8 2.2 步进式振动攻丝的运动特 点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2， 3 步进式振动攻丝的刀刃运动数学模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 2.4 步进式振动攻丝的净切削时比分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . 1 2 2.5 丝锥 的动态角位移分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . .， . . . . . . . . . . . . 1 3 2.5.1 丝锥 的动态角位移方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . ， ， 1 3 2.5， 2 净切 削时间 比对丝锥 动态 角位移 的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 7 2.5.3 振动角频率对丝锥动态角位 移的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 8 2.6 步进式振动攻丝丝锥工作角度分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . 2 0 2.7 本章 小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 步 进式 振 动攻 丝切 削机理 探讨 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . 2 2 3.1 丝锥 结构要素及攻丝过程分析 . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3.1.1 攻丝丝锥 的结构及选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3.1.2 攻丝过程分 析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 2 3 3.2 步进式振动攻丝的扭矩分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3.2.1 步进 式振动攻丝 的扭矩特 征 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一2 3 3.2.2 步进式振动攻丝的工艺参数对攻丝扭矩的影响分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3.3 轴 向力对螺纹牙型精度 的影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4 步进 式振动攻丝径 向力对螺纹孔径 的影 响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 8 3.5 步进 式振动攻丝的切屑形成机理 二 ， . . . . . . . . . . . . .， . . . . . ， ， ， 2 9 3.5.1 普通攻丝切屑 的形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 2 9 3.5.2 往 复式振动 攻丝切屑 的形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 0 3.5.3 步进式振动攻丝切屑 的形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 3.5.4 步进式振动攻丝的工 艺参数对切屑形态 的影响分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 犯 3.6 步进 式振动攻丝的刀具磨损特性 分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3.7 内螺 纹牙 型毛刺分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 3.8 切削液 作用机 理探讨 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 3.9 本 章 小 结 . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . .3 5 4 步进 式振 动攻 丝试 验研 究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4.1 步进 式振动攻丝试验装 置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 3 7 4.2 攻丝 试验用测量仪器 、试件 、刀具及测量方法. . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . .3 8 4.3 不 同攻 丝方式对 内螺纹质量 影响 的试验研 究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 月 为 西安理工大学硕士学位论文 4.3.1 螺纹配合间隙量 的测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一4 0 4.3.2 不 同攻丝方式对 内螺纹质量 的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 4.4 攻丝扭矩 的试验研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . ， 4 3 4.4.1 步进式振动攻丝扭矩特 点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 4.4.1 不 同攻丝方式条件下 的攻丝扭矩 比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 4.4.2 加工参数对步进式振动攻丝扭矩 的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4.5 攻丝 切屑形态试验研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 4.5.1 三种攻丝方式下切屑形态的 比较 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . 4 7 4.5.2 主轴转速对切屑形态 的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . .、 . . . . . . . . 4 8 4.5.3 振动频率对切屑形态 的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5.4 振幅对 切屑形态 的影 响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 5 0 4.6 轴 向力对 牙型 的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 4.7 三种攻丝方式下 的丝锥 磨损试验研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 3 4.8 本章 小结. . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 5 总 结 与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .