陳婷,鄭建明,胡亞卿,曹超,趙晨

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,西安 710048)

攻絲是小直徑內(nèi)螺紋加工的常用方法,但由于絲錐芯部直徑小強(qiáng)度低,切削條件差等原因,存在絲錐易折斷、螺紋質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低等問題。手動攻絲以靈活的攻絲方式,可有效降低攻絲扭矩,對不同攻絲條件有良好的適應(yīng)性。然而,手動攻絲降低攻絲扭矩的機(jī)理,目前尚無完整的理論。夏偉等[1]通過對剪切面應(yīng)力的不同假設(shè),基于剪切滑移理論建立了梯形槽切削力的數(shù)學(xué)模型,唐艷麗等[2]對攻絲的切削扭矩和摩擦扭矩的占比進(jìn)行分析,張德遠(yuǎn)[3-4]通過分析振動攻絲的重復(fù)切削作用和微細(xì)切削特性,建立了重復(fù)切削次數(shù)與回彈量的關(guān)系。萬敏等[5]分析了剛性攻絲過程中進(jìn)給誤差造成的攻絲壓痕力,并建立了攻絲扭矩模型,穆金成等[6]利用法平面法結(jié)合三維斜角切削模型建立了攻絲切削扭矩預(yù)測模型,陳志同等[7]通過試驗分析了手動攻絲過程中影響攻絲扭矩的主要因素是攻絲切削角和分離角大小。Saito等[8]根據(jù)攻絲過程中測得的切削扭矩和軸向力來估計攻絲各切削刃前刀面的摩擦因數(shù),并研究切屑卷曲直徑與估計的摩擦因數(shù)之間的關(guān)系。Dogra等[9]提出了一種考慮絲錐工藝故障(絲錐跳動、攻絲軸偏位等)的攻絲扭矩和軸向力模型。Cao等[10]通過大量試驗得出摩擦因數(shù)及切削壓力系數(shù),建立了攻絲過程中的攻絲扭矩和軸向力模型,并分析了攻絲過程中引起絲錐折斷的主要因素是切屑阻塞。韓榮第等[11]基于斷裂力學(xué)分析了振動攻絲對工件的沖擊會產(chǎn)生應(yīng)力波使微裂紋萌生和擴(kuò)展,從而降低攻絲切削扭矩。韓鳳起等[12]結(jié)合振動攻絲的運(yùn)動特點(diǎn),分析了振動攻絲促進(jìn)排屑的機(jī)理,李光軍等[13]應(yīng)用動力學(xué)、彈塑性力學(xué)和沖擊理論,分析了振動攻絲的剛性化、抑制表面回彈和沖擊作用的降扭機(jī)理。Oezkaya和Biermann[14]提出了一種基于有限元模擬的相對攻絲扭矩預(yù)測方法。Ma等[15]對攻絲過程中的動態(tài)切削力進(jìn)行了建模。

上述研究中,對于手動攻絲方式降低攻絲扭矩機(jī)理的研究尚不完善。本文在分析攻絲工作原理和手動攻絲特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,分析攻絲過程絲錐受力,預(yù)測攻絲過程中扭矩的變化規(guī)律,通過實驗研究手動攻絲往復(fù)攻絲、退絲的運(yùn)動方式對降低攻絲扭矩的影響規(guī)律,為智能仿人攻絲技術(shù)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 手動攻絲工作原理及絲錐受力分析

手動攻絲是目前小直徑內(nèi)螺紋加工的一種主要方法,其工作原理如圖1所示。絲錐在刃入底孔后以螺紋自導(dǎo)向的方式進(jìn)給,切削時產(chǎn)生的切屑沿著前刀面流入容屑槽儲存或者排出。

當(dāng)切屑在容屑槽中儲存過多時,會造成攻絲扭矩變大。這時,采取退絲的方式釋放攻絲過程中的切屑積累。適時的退絲,可以將容屑槽中積累的部分切屑碾壓擠斷,促進(jìn)切屑排出;通過絲錐往復(fù)進(jìn)退,熨壓已加工表面,降低其回彈量,從而降低攻絲扭矩,保證獲取標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)螺紋。由工作原理可知,能否適時的進(jìn)行退絲和往復(fù)熨壓及退多少、往復(fù)熨壓多少次,是攻絲順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

為了探究上述問題,首先要分析攻絲過程中絲錐的受力情況,探究攻絲扭矩變化規(guī)律。攻絲只涉及刀齒-切屑-工件的關(guān)系。因此,如圖1所示,在正向攻絲過程中,攻絲扭矩由切削扭矩Mc、摩擦扭矩Mf和切屑阻力扭矩Ms組成,即

Mg=Mc+Mf+Ms

(1)

攻絲切削扭矩大小與切削面積、刀齒幾何參數(shù)和工件材料屬性相關(guān)。所以在絲錐切削齒完全切入后,攻絲切削扭矩不再變化。這時,攻絲扭矩的增加主要來自于刀齒與已加工表面接觸面積的增大產(chǎn)生的擠壓摩擦扭矩增大和切屑積累造成的切屑阻力增大。切削齒部分的扭矩變化主要受到切削扭矩和切屑阻力扭矩及部分?jǐn)D壓摩擦扭矩的影響,校正齒部分的扭矩變化僅受到擠壓摩擦扭矩的影響。

在反向攻絲過程中,絲錐的扭矩變化僅受擠壓摩擦扭矩Mf和碾壓未斷切屑Mn產(chǎn)生的扭矩的影響,即

Mg=Mf+Mn

(2)

2 攻絲扭矩的分離

2.1 切削齒切削扭矩

在攻絲過程中,螺紋槽由多個切削齒共同完成切削。根據(jù)正交剪切模型,認(rèn)為切削過程切屑的剪切變形集中發(fā)生于剪切面,并沿最大剪應(yīng)力方向進(jìn)行[16]。因此,剪切面上的剪應(yīng)力為材料最大剪應(yīng)力τs。

每個切削齒的切削層形狀近似為對稱梯形,如圖2所示,剪切面為CDEF、ACE、BDF,剪切面的面積用Aj表示。

則由正交剪切模型可知,剪切力為

Fg=τsAj

(3)

由圖2的應(yīng)力圓可得

(4)

因此單個切削齒的切削力為

(5)

絲錐的每個切削齒切削Aj面積的切削層,所有切削齒完成切削時,切除一個完整的槽型,因此,總切削面積為整齒的切削面積Ac。

攻絲切削扭矩為

(6)

式中:rj為第j個切削齒的切削半徑;n為切削齒個數(shù);R為等效切削半徑。

2.2 絲錐擠壓摩擦扭矩

設(shè)絲錐校正齒與已加工表面的單位面積摩擦力為Ff,則絲錐擠壓摩擦扭矩可表示為

Mf=FfAsR

(7)

式中:As為校正齒與已加工表面的接觸面積;R為絲錐半徑。

如圖3所示,由于容屑槽的存在,刀齒與已加工表面的接觸面積增加為非連續(xù)的。對于三槽絲錐,三瓣刀齒同時切入,但切入相位相差2π/3。而在一個進(jìn)給周期內(nèi)(即軸向進(jìn)給一個螺距的距離),刀齒與工件已加工表面接觸面積增加3個刀齒表面積。與工件的接觸面積為底孔以上的側(cè)面兩刀齒的面積和切削齒的面積。

圖3 單進(jìn)給周期內(nèi)刀齒與工件接觸面積圖

假設(shè)在整個周期內(nèi),接觸面積均勻增加,則刀齒與已加工表面接觸面積為

(8)

式中:θ為絲錐轉(zhuǎn)動角度;D1為螺紋小徑;D為螺紋大徑;D2為底孔直徑;P為螺距;λ為螺旋升角;a為絲錐刃背寬度系數(shù),對于三槽絲錐a=0.5。

由張德遠(yuǎn)提出的擠壓摩擦模型可知[3],在攻絲過程中,切屑受到刀齒作用從工件表面分離時,工件回彈對刀齒后刀面產(chǎn)生擠壓摩擦。同時在刀齒的擠壓作用下,加工表面發(fā)生塑性熨壓,使工件材料發(fā)生屈服,同時在刀尖處產(chǎn)生屈服變質(zhì)層,后刀面單位面積摩擦力Ff=τs。如圖4和圖5所示,在往復(fù)熨壓之后,已加工表面回彈量逐漸減少,刀齒的塑性熨壓過程會逐漸轉(zhuǎn)化為彈性熨壓過程。此時,僅產(chǎn)生宏觀的彈性變形和微觀的摩擦磨損。而實際切削擠壓后,絲錐后刀面受到工件表面的單位面積摩擦力應(yīng)小于剪切應(yīng)力τs。

圖4 刀齒熨壓原理圖

圖5 攻絲熨壓次數(shù)與回彈量示意圖

因此,設(shè)熨壓降低扭矩系數(shù)為Ky,初始單位面積摩擦力為Ff0(單位為N/mm2),則攻絲過程中單位面積摩擦力為

(9)

因此,假設(shè)刀齒兩側(cè)面的摩擦力分布均勻,則攻絲過程中絲錐受到的摩擦扭矩為

(10)

絲錐在回退過程中,其擠壓摩擦扭矩與正向攻絲的擠壓摩擦扭矩大小一致,方向相反。

2.3 切屑阻力扭矩

在正向攻絲過程中,由于切削齒不斷切出切屑,切屑在容屑槽內(nèi)不斷積累造成的攻絲扭矩增大,因此由切屑產(chǎn)生的摩擦扭矩僅影響切削齒部分。如圖6所示,在穩(wěn)定的切削過程中,切屑盈滿容屑槽。

圖6 正向攻絲切屑積累圖

在容屑槽前面的推動下,切屑與前刀面產(chǎn)生摩擦力Ffs,切屑在容屑槽內(nèi)不斷積累、壓實,使得切屑與前刀面正壓力增大,并且由于切屑折斷和排屑過程是隨機(jī)的,使得正壓力可能是基礎(chǔ)正壓力的多少倍[9],倍數(shù)隨著連續(xù)攻絲角度的增大不斷增大。假設(shè)正壓力是基礎(chǔ)正壓力的k倍。結(jié)合庫侖定律,正向切屑阻力扭矩可表示為

(11)

如圖7所示,在退絲過程中,切屑的擠壓狀態(tài)發(fā)生改變,絲錐在回退量小于120°(絲錐兩齒瓣之間的夾角)時,在容屑槽后面和未斷切屑的碾壓下,切屑發(fā)生斷裂,從而促進(jìn)切屑排出。由于切屑截面積小,并且已受到折彎,所以擠斷扭矩很小,在此不計。而退絲量越過120°時,切削齒后刀面將未斷切屑擠平,碾壓未斷切屑扭矩是退絲過程的主要扭矩。

圖7 切削齒擠壓未斷切屑圖

因此扭矩可表示為

(12)

式中:Kj為修正系數(shù);αp為絲錐后角。

3 攻絲試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗條件及方法

試驗條件:攻絲試驗采用手動攻絲方式,干式切削。如圖8所示,扭矩測量系統(tǒng)的儀器包括測力儀、電荷放大器、信號采集儀和計算機(jī)。測力儀是一個扭矩傳感器(Kistler 9271A型),固定在工作臺上端。通過測力儀對攻絲過程中的扭矩進(jìn)行采集, 經(jīng)電荷放大器處理,由采集儀傳遞給計算機(jī)進(jìn)行處理,采樣頻率為1 000 Hz。工件材料為調(diào)質(zhì)45鋼,其參數(shù)見表1。絲錐為M3高速鋼直槽絲錐(GB/T3464.1-2007)和僅保留切削齒的M3高速鋼直槽絲錐,攻絲底孔?2.5 mm通孔。

圖8 手動攻絲試驗平臺圖

表1 調(diào)質(zhì)45鋼的物理機(jī)械特性參數(shù)

試驗方法:

1) 往復(fù)手動攻絲試驗,用僅保留切削齒的M3高速鋼直槽絲錐進(jìn)行往復(fù)攻絲試驗。在實驗結(jié)果中分離切削扭矩、擠壓摩擦扭矩和碾壓未斷切屑扭矩。對擠壓摩擦扭矩和碾壓未斷切屑扭矩的系數(shù)進(jìn)行計算。

2) 連續(xù)手動攻絲試驗。用僅保留切削齒的M3絲錐攻通底孔后,截斷絲錐并從底孔兩端取出。在清除孔內(nèi)遺留切屑后,使用M3完整絲錐進(jìn)行連續(xù)攻絲,得到擠壓摩擦扭矩,對式(1)中獲得的擠壓摩擦扭矩進(jìn)行驗證。

3) 無回退的連續(xù)手動攻絲試驗。用M3高速鋼直槽絲錐進(jìn)行手動攻絲試驗,獲得扭矩變化規(guī)律。結(jié)合式(1)中得到的切削扭矩和擠壓摩擦扭矩分離出切屑阻力扭矩,計算切屑阻力扭矩的系數(shù),驗證所推導(dǎo)的扭矩公式。

3.2 試驗結(jié)果分析

用只保留切削齒的M3絲錐進(jìn)行往復(fù)手動攻絲試驗,待絲錐完全攻入后,進(jìn)行往復(fù)攻絲,降低攻絲扭矩。在降低攻絲扭矩后,進(jìn)行正向攻絲,如此往復(fù)完成攻絲過程,所測扭矩如圖9所示。整個往復(fù)攻絲過程分為4個階段:第Ⅰ階段,絲錐切削齒切入面積增加,切削扭矩增大至最大值;第Ⅱ階段,絲錐切入后,回退碾壓未斷切屑,產(chǎn)生回退扭矩峰值;第Ⅲ階段,往復(fù)熨壓已加工表面,降低回彈量,從而降低擠壓摩擦扭矩;第Ⅳ階段,絲錐已將已加工表面熨壓至彈性回彈階段,往復(fù)熨壓無法繼續(xù)降低擠壓摩擦扭矩,攻絲扭矩保持穩(wěn)定。對切削扭矩、擠壓摩擦扭矩和碾壓未斷切屑扭矩進(jìn)行分離。

圖9 手動往復(fù)攻絲扭矩圖

1)切削扭矩

如圖9所示,I階段連續(xù)攻絲過程較短,所形成切屑不足以阻塞容屑槽。因此,在此過程中切屑阻力扭矩忽略不計。而在切削齒完全刃入后與工件的接觸面積不變,所以擠壓摩擦扭矩不會增加。通過II、III階段的往復(fù)熨壓之后將扭矩降低接近0,此時認(rèn)為擠壓摩擦扭矩為零,則初次攻絲的扭矩值即為切削扭矩。由圖9得,在I階段,切削扭矩隨著切削面積得增大而增大。在完全切入后,切削扭矩不變,其值為1.2Nm。

2) 擠壓摩擦扭矩

往復(fù)攻絲運(yùn)動過程沒有新的切削,同時切屑在第一次回退過程中已基本排除,所以所測扭矩僅為擠壓摩擦扭矩。如圖10所示,隨著往復(fù)攻絲次數(shù)增加,刀齒對已加工表面熨壓次數(shù)Q增多,加工表面回彈量減少,從而降低攻絲扭矩。將式(10)與圖10所示扭矩曲線進(jìn)行擬合,求得參數(shù)Ff0=48.99,Ky=0.954 5。

圖10 往復(fù)熨壓擠壓摩擦扭矩圖

用僅保留切削齒的M3絲錐攻通底孔后,截斷絲錐并從底孔兩端取出。在清除孔內(nèi)遺留切屑后,使用M3完整絲錐進(jìn)行連續(xù)攻絲。此時,所測得攻絲扭矩僅為擠壓摩擦扭矩,用上述獲得的系數(shù)Ff0、Ky預(yù)測擠壓摩擦扭矩。將計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果一起繪制,如圖11所示?？梢钥闯?計算值總體上與測量值一致。因此,所推導(dǎo)的扭矩公式能較好地反映攻絲過程中隨著刀齒切入擠壓摩擦扭矩的變化規(guī)律。

圖11 攻絲擠壓摩擦扭矩圖

3)碾壓未斷切屑扭矩

如圖9所示,在I階段切削齒切入過程較短,所形成切屑不足以阻塞容屑槽。因此,在II階段回退過程中,主要為碾壓未斷切屑產(chǎn)生的切屑擠壓扭矩。由圖9所示,切屑擠壓扭矩均值為0.673 8Nm,代入式(12),求得系數(shù)Kj=0.932。

4) 切屑阻力扭矩

使用M3絲錐進(jìn)行無回退手動攻絲試驗,實驗結(jié)果如圖12所示。I階段為絲錐切削齒刃入階段,攻絲扭矩不斷增大。由上述往復(fù)手動攻絲試驗可知攻絲切削扭矩為1.2Nm。所以,將此值作為分界線,后續(xù)部分劃分為深入攻絲階段,即絲錐完全刃入的攻絲過程。綠線為切削扭矩,在此過程中保持不變。綠線和紅線之間為擠壓摩擦扭矩,則紅線以上的部分即為切屑阻塞造成的切屑阻力扭矩。將切屑阻力扭矩進(jìn)行分離,如圖13所示。將式(11)與曲線進(jìn)行擬合,求得參數(shù)k=0.001 198,m=1.028。

圖12 無回退手動攻絲扭矩圖

圖13 切屑阻力扭矩圖

5) 攻絲扭矩理論公式驗證

將上述獲得切削扭矩、擠壓摩擦扭矩和切屑阻力扭矩相加,預(yù)測攻絲總扭矩值。使用M3絲錐進(jìn)行無回退手動攻絲試驗,得到攻絲扭矩。將實驗值和預(yù)測值繪制在圖14中?？梢钥闯?所推導(dǎo)的攻絲扭矩理論公式可以很好的反應(yīng)攻絲過程中的扭矩變化規(guī)律。

圖14 無回退手動攻絲扭矩圖

4 結(jié)論

1) 推導(dǎo)了攻絲過程中切削扭矩、擠壓摩擦扭矩及切屑阻力的扭矩公式,通過試驗驗證,所推導(dǎo)的公式能很好的反應(yīng)攻絲過程中的扭矩變化規(guī)律。其中,切削扭矩在絲錐切削齒完全進(jìn)入后保持不變;擠壓摩擦扭矩隨著絲錐與工件的接觸刀齒數(shù)量增加而增大。

2) 建立了擠壓摩擦扭矩與往復(fù)熨壓次數(shù)的數(shù)學(xué)模型,通過試驗驗證所建模型,能夠較好的反應(yīng)擠壓摩擦扭矩隨手動攻絲的往復(fù)熨壓次數(shù)增加呈指數(shù)降低的規(guī)律。

3) 試驗表明切屑阻力扭矩隨著連續(xù)切削角度增大呈線性關(guān)系,是造成扭矩激增的主要因素。通過退絲可有效折斷切屑,促進(jìn)排屑降低攻絲扭矩。退絲過程主要力矩來源于刀齒后刀面折彎未斷切屑造成的扭矩。