【正文】 振動(dòng)攻絲機(jī)床設(shè)計(jì)方案1緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械零件的精度要求越來越高，也出現(xiàn)了大量新材料，這些材料用傳統(tǒng)的方法很難加工。目前，在機(jī)械制造業(yè)中，以絲錐攻絲內(nèi)螺紋的加工方法，加工質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，尤其在難加工材料上攻絲，如在粘而韌的不銹鋼零件上攻絲，加工更加困難。在加工過程中切削扭矩大，易產(chǎn)生有害振動(dòng)，導(dǎo)致絲錐崩刃、斷裂或磨損，而且加工后的螺紋輪廓形狀嚴(yán)重失真，尺寸精度低，表面粗糙度大，這是目前普通攻絲技術(shù)存在的缺點(diǎn)。 本課題旨在通過一種新的加工方法振動(dòng)攻絲，來解決上述存在的問題。本人應(yīng)用單片機(jī)來控制振動(dòng)的頻率、正反轉(zhuǎn)，一改過去機(jī)械裝置既笨重又難操作的特點(diǎn)，同時(shí)又降低成本，另一方面本項(xiàng)研究充分利用舊有的設(shè)備而加以改造就可以取得好的加工效果，從而使振動(dòng)攻絲能真正得到推廣和應(yīng)用。 二十世紀(jì)五十年代，日本學(xué)者宇都宮大學(xué)博士隈部淳一郎教授首次提出了振動(dòng)切削新概念，振動(dòng)切削在螺紋加工中的應(yīng)用就是振動(dòng)攻絲。其實(shí)質(zhì)就是在原有攻絲的基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)一定頻率、振幅的周向振動(dòng)，把傳統(tǒng)攻絲的連續(xù)切削變?yōu)橐环N斷續(xù)的反復(fù)切削，在抑制系統(tǒng)原有振動(dòng)的同時(shí)，讓振動(dòng)發(fā)揮作用，達(dá)到改善攻絲狀況、降低攻絲扭矩、提高攻絲質(zhì)量和效率的目的，從而在攻絲加工中實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)切削。隈部淳一郎教授在70年代左右研究造制出了多種振動(dòng)攻絲機(jī)床，它們的主要型號(hào)有：①10RT型實(shí)用振動(dòng)攻絲機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：振動(dòng)頻率為100Hz、提出切削速度應(yīng)滿足T=v/～，按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來選取，用機(jī)械式振動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)；②臺(tái)鉆式10RT型振動(dòng)攻絲機(jī)，它是利用臺(tái)式鉆床附加振動(dòng)機(jī)構(gòu)形成的振動(dòng)攻絲機(jī)，基本工作形式和10RT型實(shí)用振動(dòng)攻絲機(jī)一樣；③單頭多軸10RT型振動(dòng)攻絲機(jī)（主要是單頭三軸），成功開展振動(dòng)切削及振動(dòng)攻絲加工的理論與實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一定的研究成果，其應(yīng)用取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。前蘇聯(lián)早在50年代末開始振動(dòng)切削方面的研究，并發(fā)表了一些很有價(jià)值的振論文。前蘇聯(lián)在振動(dòng)攻絲方面主要研究的是高頻振動(dòng)攻絲，研制有專用軸向超聲動(dòng)攻絲機(jī)床和相應(yīng)的超聲振動(dòng)頭。他們做了大量的超聲振動(dòng)攻絲試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲振動(dòng)攻絲在加工不銹鋼和鈦合金時(shí)與傳統(tǒng)攻絲相比絲錐耐用度提高3～10倍，在加工鈦合金時(shí)扭矩降低40%～50%，表面粗糙度提高13級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。 。他們認(rèn)為：降低攻絲扭矩和軸向力的最佳振動(dòng)頻率因條件而異。對(duì)鑄鐵而言M3*～85Hz，振幅16um。M6*1則為50Hz，*。對(duì)鋁材料，M10*，振幅是135um,相反小于M10的螺紋不適合使用振動(dòng)攻絲。采用振動(dòng)攻絲可減小攻絲扭矩達(dá)8%～14%，降低軸向力達(dá)16%～56%.此外，他們認(rèn)為，對(duì)于振動(dòng)攻絲存在一個(gè)臨界切削厚度（螺紋深度）值，在臨界切削厚度的范圍內(nèi)，振動(dòng)攻絲能降低攻絲扭矩。而其臨界切削厚度與材料的硬度有關(guān)。且最佳的振動(dòng)頻率與切削厚度有關(guān)，隨著切削厚度的減小，最佳振動(dòng)頻率反而增加，而最佳的振幅（對(duì)于同一種尺寸或同一種切削厚度）也與材料的硬度有關(guān)。 在美國，振動(dòng)切削也作為一個(gè)重點(diǎn)課題來研究。振動(dòng)切削系統(tǒng)也部分應(yīng)用于工業(yè)。 歐洲發(fā)達(dá)國家，如英國、前西德等國家對(duì)振動(dòng)切削的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)和振動(dòng)切削機(jī)理也有較多的研究，也取得一些可觀的成果。 我國對(duì)振動(dòng)攻絲方面的研究工作開始于60年代末。華中理工大學(xué)的王立平和楊叔子對(duì)變參數(shù)振動(dòng)攻絲提高微小孔加工精度進(jìn)行了深入的研究。 北京航空航天大學(xué)的陳鼎昌教授和青島大學(xué)的茍琪博士從動(dòng)態(tài)振動(dòng)攻絲扭矩出發(fā)，探討了影響動(dòng)態(tài)切削力變化的因素，從而得到動(dòng)態(tài)攻絲扭矩功率譜可以反映攻絲過程，可以用信號(hào)功率譜峰變化和信號(hào)能量變化對(duì)攻絲過程進(jìn)行監(jiān)控的結(jié)論。另外，通過回歸分析，建立了鈦合金振動(dòng)攻絲的扭矩模型y=++ 系統(tǒng)揭示了攻絲扭矩y與振幅a的關(guān)系。認(rèn)為用此模型可預(yù)測振動(dòng)攻絲加工的切削模型，還可以用于振動(dòng)攻絲加工過程中的優(yōu)化控制。 北京航空航天大學(xué)的張德遠(yuǎn)等人應(yīng)用彈塑性理論對(duì)振動(dòng)攻絲減小鈦合金攻絲扭矩進(jìn)行了理論分析，認(rèn)為后刀面對(duì)已加工表面的重復(fù)熨壓，是減小攻絲中的磨擦扭矩及提高已加工表面精度的主要原因，并利用彈塑性理論推導(dǎo)出了振動(dòng)攻絲中絲錐后刀面上產(chǎn)生的磨擦扭矩計(jì)算公式。據(jù)此公式可以計(jì)算要獲得最小扭矩的最佳熨壓次數(shù)，這對(duì)指導(dǎo)振動(dòng)攻絲中切削參數(shù)的選擇有一定的指導(dǎo)意義[2]。 山東工業(yè)大學(xué)張勤河等人通過對(duì)超聲振動(dòng)鉆削加工陶瓷的研究,得出金剛石刀具顆粒如同一個(gè)個(gè)小壓頭,振動(dòng)切削不同于常規(guī)切削—刀具擠壓工件,使工件產(chǎn)生塑性變形,振動(dòng)切削在一個(gè)周期內(nèi)切削長度小,刀具切削工件的瞬時(shí)速度較高,切削時(shí)間短,刀具與工件間斷分離,切削液能進(jìn)入切削區(qū),切削溫度降低,破壞了積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生,正是這一特點(diǎn)才使得刀尖每次能以極大的加速度沖擊工件進(jìn)行切削。南京理工大學(xué)芮小健等人從切削過程分析著手,研究了振動(dòng)切削過程中刀具與被切削工件之間的力學(xué)作用規(guī)律,得出如下結(jié)論:1)刀具以沖擊載荷作用于被切材料,其動(dòng)態(tài)應(yīng)力波作用是改善切削效果的一個(gè)主要因素；2)振動(dòng)切削中摩擦力降低是前刀面和剪切面的內(nèi)摩擦向外摩擦轉(zhuǎn)換所致；3)振動(dòng)切削中,前刀面正應(yīng)力減小,對(duì)材料破壞的斷裂抑制作用減弱,利于切削；4)振動(dòng)切削中,材料破壞過程與普通切削的擠壓滑移過程有區(qū)別,它由每次沖擊都產(chǎn)生微細(xì)破壞而完成切削[3]。 通過現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行相應(yīng)的改造，在原有普通攻絲技術(shù)基礎(chǔ)上完成機(jī)械的振動(dòng)攻絲。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： （1）步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，步進(jìn)電機(jī)一方面是攻絲的動(dòng)力源，另一方面又是振動(dòng)攻絲的振源，這是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)振動(dòng)攻絲關(guān)鍵技術(shù)，良好的控制能讓步進(jìn)電機(jī)充分發(fā)揮性能優(yōu)勢。 （2）計(jì)算機(jī)的硬件接口（如模數(shù)轉(zhuǎn)換等）和軟件編程技術(shù)，涉及振動(dòng)攻絲的工藝參數(shù)的設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)的輸出控制和攻絲扭矩的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的前期處理等多個(gè)關(guān)鍵部分。系統(tǒng)性能的完善程度與這一部分有很大的關(guān)系。 （3）故障診斷技術(shù)，一個(gè)功能全面的攻絲系統(tǒng)，應(yīng)該具備在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的能力，特別是攻絲系統(tǒng)，攻絲過程很容易發(fā)生絲錐折斷故障，而絲錐折斷則導(dǎo)致工件報(bào)廢、效率降低，因此利用故障診斷技術(shù)，在攻絲過程中對(duì)絲錐折斷進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)，有效地防止絲錐折斷。2總體方案的選定 本次設(shè)計(jì)的是一臺(tái)可由單片機(jī)控制的振動(dòng)攻絲機(jī)床，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的選擇，應(yīng)該考慮到其加工原理的確定。所謂振動(dòng)攻絲就是在普通攻絲的基礎(chǔ)上，給絲錐或工件施加有規(guī)律的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，成脈沖式間斷切削。在每一次扭振過程中，絲錐的切削用量按某種規(guī)律變化，同時(shí)絲錐切入時(shí)，提高了瞬時(shí)切削速度，絲錐后退時(shí)，起到斷削作用，并且改善了切削環(huán)境提高加工質(zhì)量。 從絲錐與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)設(shè)計(jì)方按角度分析，一般可分為四種： 1）工件固定，絲錐旋轉(zhuǎn)并形成沿螺旋升角方向的振動(dòng)； 2）工件回轉(zhuǎn)，絲錐沿螺旋升角方向振動(dòng)； 3）工件沿螺旋升角方向振動(dòng)，絲錐做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 4）工件沿螺旋升角方向振動(dòng)并同時(shí)回轉(zhuǎn)，絲錐則固定不動(dòng)。 四種方案的示意圖如圖1所示：，絲錐既回轉(zhuǎn)又振動(dòng)；，絲錐振動(dòng)；，絲錐回轉(zhuǎn)；，絲錐不動(dòng)圖21　振動(dòng)攻絲的4種形式[] 在上述4種形式中，b、c和d三種方式中工件都有運(yùn)動(dòng)，這就使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必然特別的龐大，故不宜采用。而對(duì)于方式a只有絲錐運(yùn)動(dòng)工件是靜止的，因而可通過簡單機(jī)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)，所以經(jīng)過比較分析在四種振動(dòng)加工方式中a較為合理，且實(shí)現(xiàn)起來其結(jié)構(gòu)也較為簡單。 1)切削主動(dòng)力源和振源合一　本方案只以1個(gè)步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源,通過控制系統(tǒng)輸出有規(guī)律的脈沖序列，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)后輸入電機(jī)，使其做進(jìn)多退少的運(yùn)動(dòng),再通過絲桿—螺母副的作用，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成螺旋運(yùn)動(dòng)，并把沿圓周方向振動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿螺旋方向振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)攻絲。此方案以功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，把切削主動(dòng)力源和振源合為一體，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、一般只用作小孔加工。 2)切削主動(dòng)力源和振源分離　此方案必須使用2個(gè)電機(jī)，通常1個(gè)為普通電機(jī)，然后通過一定的機(jī)械機(jī)構(gòu)（行星輪機(jī)構(gòu)）進(jìn)行合成，再經(jīng)過絲杠螺母副作用，就得到振動(dòng)攻絲所需的運(yùn)動(dòng)。這一方案將切削主動(dòng)力源和振源分開,但因其使用了中間合成機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教為龐大，進(jìn)而使其運(yùn)動(dòng)精度降低了?！》桨傅奶攸c(diǎn) 上述2種方案中都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：為了將圓周方向的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺旋方向的振動(dòng)，使用絲杠螺母副機(jī)構(gòu)。這就給系統(tǒng)帶來了以下3個(gè)不良的影響： 1）在攻制不同螺距的螺紋時(shí)，必需同時(shí)更換絲錐和絲杠螺母副； 2）由于絲杠螺母副的相互摩擦，不但消耗系統(tǒng)一部分能量，而且因摩檫發(fā)熱還會(huì)影響系統(tǒng)的工作精度； 3）因增加了這一高精度的絲杠螺母副機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)系統(tǒng)的制造成本增加。 由分析可知在上述兩方案中使用靠模，其作用有： 1）轉(zhuǎn)換振動(dòng)方向； 2）在攻絲開始時(shí)給絲錐施加一定的預(yù)壓力以便導(dǎo)入. 而實(shí)際上，當(dāng)絲錐的切削部分切入工件后，就相當(dāng)于上述兩方案中絲杠螺母副、：省掉攻絲絲杠螺母副，讓絲錐自導(dǎo)，同樣也可以滿足轉(zhuǎn)換振動(dòng)方向的要求。 基于上述分析，考慮到本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)采用一種新型的振動(dòng)攻絲系統(tǒng),即以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，把振動(dòng)源與切削主動(dòng)力源合為一體，省掉靠模，實(shí)時(shí)檢測攻絲扭矩，并利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集,可以方便地更改振動(dòng)攻絲工