刀面磨损量、切削刃纯圆半径和Deform解算出的切削溫度与切削力作 为Ansys软件有限元分析的边界条件，计算刀具应力场，刀具有限元模型如图10所示，刀具 最大应力主要分布在刀具的切削刃及与切削刃和刀具前后刀面相邻的区域上，随着刀具后 刀面磨损宽度和切削刃纯圆半径的逐渐增大，刀具所承受的最大应力逐渐增大，并且范围 逐渐扩大，沿切削刃向刀具的前后刀面延伸，由此获得如图11所示的刀具最大应力随其后 刀面磨损宽度变化特性曲线图。
[0074] 刀具磨损的溫度场计算方法及结果：
[0075] 依据刀具磨损实验结果和其力热载荷的计算方法，采用适合金属切削的Usui模 型，进行车削大螺距螺纹刀具溫度场计算时，刀具磨损深度的计算公式为：
[0076] o=Japve-b/T 化 （6)
[0077] 式中，P为法向压力；V为滑移速度(切屑相对于刀具）；T为刀-屑接触区溫度;a、b为 试验系数，材料取默认的a，b值。
[0078] 采用Deform软件进行热力禪合场计算，提取试验刀具溫度W及试验刀具与切屑的 接触区溫度，如图12所示，计算试验刀具最高溫度的准确位置，由图12可看出，过溫度最高 位置，做垂直于左切削刃的垂线cb'，垂足到刀尖的距离为山'，利用刀尖、山'和cb'描述出刀 具最高溫度位置如表3所示：
[0079] 表3刀具最高溫度位置
[0082]试验刀具与切屑的接触区溫度高于试验刀具自身溫度，试验刀具从切入大螺距螺 纹试件起，其溫度与试验刀具和切屑接触区溫度都在逐渐增大，切削一段时间后达到平稳 状态，提取试验刀具各个磨损阶段最高溫度，获得刀具溫度随后刀面磨损宽度变化曲线如 图13所示，由图13可知，试验刀具由初期磨损阶段到中后期磨损阶段，其溫度和试验刀具与 切屑接触区溫度分别较前一磨损阶段溫度增加了 12.3 %和15.7 %、、14.1 %和17.3 %、 45.2%和53.9%，试验刀具中后期磨损阶段，在热力载荷共同作用下，切削载荷超过了试验 刀具屈服强度和粘焊作用，试验刀具发生粘结破损和磨损，并进一步引起试验刀具热力载 荷增加，加据了试验刀具磨损进程，直至导致试验刀具报废，并引起大螺距螺纹试件加工表 面质量严重下降。
【主权项】
1. 一种车削大螺距螺纹轴向分层切削方法，其特征在于包括以下步骤： 一、 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； 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， h>H=ap,eYi=eYi/ ,εγ2 = εγ2/ ,B>b,Ri= yi,R2= J2 (1) 左刃切削时的切削层厚度及切削层宽度： hDi = Zii · sin k/ (2) bDi = Zii/sin k/ (3) 其每一次分层切削的理论切削层面积为： Si = hDi · bDi = Zii · sin k/ · (ap/sin k/ ) = zii · ap (4) 右刃切削时，每一次分层切削的切削层面积为： Sj = hDr · bDr = Zrj · sin k/ · (ap/sin k/ ) = Zrj · ap (5) 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， zu为左刃单次加工余量，zrj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;hDi 为刀具左刃车削时的切削层厚度、bD1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，b Dr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 肖IJ刃切削层面积；分别为螺纹的左、右牙侧角，επ'为刀具的左刃侧角，e r2'为刀具的 右刃侧角;Ri、R2分别为试件左右侧面的牙型半径，^2为刀具的左右牙尖圆弧半径。2. -种根据权利要求1所述的切削方法进行轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损的测试 方法，其特征在于包括以下步骤： 一、 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、52752臟、94200臟、116808臟和139400臟时取下试验刀具，利用￥^-1000超景深三 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； 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； 三、 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三个阶段； 四、 测量步骤三内三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。3. 根据权利要求2所述的一种进行轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损的测试方法，其 特征在于: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。4. 根据权利要求2所述的一种进行轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损的测试方法，其 特征在于: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0°、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。5. 根据权利要求2所述的一种进行轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损的测试方法，其 特征在于:所述试验刀具在CA6140车床上以转速lOrpm、轴向加工余量0.05mm对大螺距螺纹 试件进行车削。6. -种根据权利要求2所述的测试方法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，其特征在于:按权利要求2中步骤一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 的切削温度和切削力，以解算出的切削温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，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。7. 根据权利要求6所述的一种轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损热力载荷的计算方 法，其特征在于:通过公式(6)计算出试验刀具的磨损深度： ω =Japve-b/Tdt (6) 式中P为法向压力、v为切肩相对于试验刀具的滑移速度切肩相对于刀具、T为试验刀具 与切肩接触区温度、a、d为试验系数，材料取默认的a，d值。8. 根据权利要求6所述的一种轴向分层车削大螺距螺纹刀具磨损热力载荷的计算方 法，其特征在于:采用Deform软件获得刀具不同磨损阶段的热力耦合场，在热力耦合场温 度最高位置处做垂直于试验刀具的左切削刃的垂线d 2'，垂足到刀尖的距离为cU'，利用刀 尖、cU '和d2 '描述出试验刀具最高温度位置，提取试验刀具最温度以及试验刀具与切肩接触 区最高温度的准确位置，提取出该位置处试验刀具前刀面温度与试验刀具和切肩接触区温 度随时间变化的曲线，提取刀具各个磨损阶段最高温度、获得试验刀具温度随其后刀面磨 损宽度变化曲线。
【专利摘要】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，旨在于消除采用径向分层切削大螺距螺纹存在的原理性误差，其技术要点是：其切削方法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，并采用该切削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，揭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钝圆半径测量数据，重新构建了刀具有限元分析模型，进行刀具温度场和应力场分析、计算，获得了刀具磨损条件下力热载荷变化特性。
【IPC分类】B23Q15/18, B23Q17/09, B23G1/50
【公开号】CN105643024
【申请号】
【发明人】姜彬, 闫东平, 郑敏利, 毛进宇
【申请人】哈尔滨理工大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月17日