车削梯形螺纹切削用量的优化设计

赵光霞　戴晨玉

摘要：根据切削用量的选择原则，结合CAD/CAM软件设计数控模型，对切削量进行控制和优化。以加工30 °角的梯形螺纹为例，在合理选择切削用量的基础上，探讨切削用量的优化设计，为车削梯形螺纹切削用量的优化提供借鉴。

关键词：车削；梯形螺纹；优化；切削用量；数控

中图分类号：TG62 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）01-0039-03

随着数控机床的高速发展和数控系统的不断完善，用数控车加工梯形螺纹成为一种常态。梯形螺纹作为最常用的传动螺纹，应合理设计加工工艺，确保切削的螺纹满足设计需要。切削用量不仅影响数控机床的零件加工效率，而且直接影响产品质量。根据切削用量的选择原则设定参数，结合CAD/CAM软件设计数控模型，对切削量进行控制和优化，才能加工出优良的螺纹件。结合工作实际，以30°角的梯形螺纹为例，在合理选择切削用量的基础上，通过变量参数确定目标函数数控程序，实现车削梯形螺纹切削用量的优化设计。

1 确定切削用量

1.1 切削深度

加工时需考虑粗加工和精加工不同阶段的切削深度问题，粗加工要给精加工留下一定的加工余量。如果切削精度不高或者切削深度不大，可以考虑一次成型，这样可以缩短加工时间和减少替换刀具消耗时间，提高加工效率。

1.2 切削宽度

在实际生产中，切削宽度与刀具直径成正比，与切削深度成反比。考虑成本因素，宽度一般设定为刀具直径的0.6～0.9倍。

1.3 切削速度

切削速度主要取决于加工材料，切削不同材料时采用的速度不同。切削速度很大程度上决定零件的加工时间，在切削精度不高的情况下，可通过设定切削速度直接一次成型；如果精密切削，则需要设计切削速度，分步骤分层次切削。在切削过程中，应根据实际需要调整切削量和切削速度。查询《切削手册》可知，切削速度可以通过计算得到：

Vc=■ （1）

式中：Vc为切削速度，m/min；dw为工件待加工表面直径，mm；n为工件转速，r/s。

1.4 主轴转速

主轴转速应由切削深度、切削宽度和切削速度确定。查询《切削手册》，确定机床主轴转速可由公式得到：

ns=■ （2）

式中：ns为主轴转速，r/s；Vc为切削速度，

m/min；dw为工件待加工表面直径，mm。

2 设计变量

优化设计的目的有：一次成型；快速实施切削；在合理选用切削量的同时，保证切削速度。

为达到良好的车削效率，应适当减少走刀次数，争取一次切削到参数要求的范围内。机器有一定的误差，对零件的加工精度会有细微影响，所以应着重降低粗切过程消耗的时间。为更快更好地实现这个功能，往往需要建立数学模型，采用数学函数调整控制机床参数。目标函数的选取和参数的设定在很大程度上决定了切削的成败。

3 目标函数

优化目标应与生产企业需要完成的技术经济指标一致。在机械制造行业中，生产的技术经济指标主要有质量、成本、生产率等。在保证加工质量的同时，尽可能降低加工成本和提高生产率。加工成本和生产率与切削用量密切相关。因此，以最小工艺成本为优化准则，把加工成本和生产率作为切削用量优化的目标函数。

4 切削量优化实例

结合工作實际，以加工某台阶轴为例，进行车削梯形螺纹切削用量的优化设计。此螺杆的参数通过查表计算获得：d=φ24，d2=d-0.6495P=φ23.026。其他参数如图1所示。

螺纹总背吃刀量ap=h=0.54P=0.81 mm。合理分配螺纹加工余量（一般粗车ap为0.10～0.50；精车ap为0.01～0.10），具体操作如表1所示。

螺纹主程序如下：

M3 S1000；

T0101；

M8；

G99；

G0 X45 Z2；

G92 X23.8 Z-22 F1.5；

X23.5；

X23.2；

X22.9；

X22.6；

X22.3；

X22.05；

G0 Z250；

M30；

子程序如下：

O0001；

#2 = #5001； （ 记录当前 x 值）

#3 - #5002； （ 记录当前 z 值）

IF[#2LE#24]

GOTO11； （ 如果定刀点 x 值小于公称直径则报警）

#4 = #24 - #9 /2； （ 计算螺纹中径）

IF[#9GE2]

GOTO1；

#5 = 0. 15；

GOTO4；

N1 IF[#9GE6]

GOTO2；

#5 = 0. 25；

GOTO4；

N2 IF[#9GE14]

GOTO3；

#5 = 0. 5；

GOTO4；

N3 #5 = 1； （ 以上程序用来判断牙顶间隙取值）

N4 #6 = #9 /2 + #5； （ 计算牙高）

#7 = #24 - 2* #6； （ 计算小径）

#8 = #24； （ 记录刀具 x 值）

N5 IF[[#8 - #21]LE#7]

GOTO9； （ 检查是否到槽底）

#8 = #8 - #21； （ 进一层）

N6 #10 = TAN[15]* [#8 - #4]/2 + #9 /4 - #18； （ 计算当前 x值下的槽右侧 z 坐标，带余量#18）

#11 = #10 - #1； （ 记录刀具左刀尖 z 值）

#12 = - #10； （ 记录当前 x 值下的槽左侧 z 坐标，带余量#18）

N7 G0X[#2]z[#3 + #11]； （ 快速定刀）

G92X[#8]z[#26]F[#9]； （ 切螺纹）

IF[#11EQ#12]

GOTO5； （ 如果切到左侧边缘则进行下一层切削）

IF[[#11 - #23]LE#12]

GOTO8； （ 如果 z 向平移后超出边缘则按槽左边缘切削）

#11 = #11 - #23； （ 平移一个设定的 z 值）

GOTO7；

N8 #11 = #12；

GOTO7；

N9 IF[#8EQ#7]

GOTO10； （ 相等则进行精加工两侧）

#8 = #7； （ 当不够一刀切且不相等，赋值为相等进行最后一层切削）

GOTO6；

N10 G00X[#2]Z[#3 + #10 - #1 + #18]； （ 移到槽左侧）

G92X[#8]Z[#26]F[#9]；

G00X[#2]Z[#3 + #12 - #18]； （ 移到槽右侧）

G92X[#8]Z[#26]F[#9]；

G00X[#2]Z#3]； （ 移动至定刀点）

M99；

N11 #3000 = 1（ TOOL IN WRONG POSITION）

5 结语

切削用量优化是复杂的非线性规划问题。随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程成为数控加工中的关键问题之一。通过控制切削用量，使刀具切削受力均匀、排屑流畅，不易产生扎刀现象，且刀具磨损较小。提高对机床认识，通过调整目標函数参数加工各种机械零件，充分发挥数控机床的优势，对提高企业的经济效益和生产水平具有重要意义。

参考文献

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