本發(fā)明涉及機械加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法與車削工藝評價方法。

背景技術(shù)：

大螺距螺紋作為壓力機、重型銑鏜床中的重要調(diào)整組件，起到傳遞運動和力的作用，其加工表面形貌呈現(xiàn)多變狀態(tài)，導(dǎo)致螺紋面不同部位接觸狀態(tài)不同，螺紋面磨損不均勻性嚴(yán)重，傳動精度和傳動穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重影響整機工作精度，因此，對大螺距螺紋加工表面形貌提出了很高要求。目前對大螺距螺紋加工表面形貌的研究較少，由于大螺距螺紋特殊的工作狀態(tài)，其加工表面形貌的研究與靜態(tài)接觸面的加工表面形貌研究有所不同，大螺距螺紋工作時，左右螺紋面均處于接觸狀態(tài)，因此，除考慮局部加工表面形貌外，還必須考慮單個螺紋面和左右螺紋面之間的加工表面形貌分布一致性。

大螺距螺紋加工表面形貌檢測過程復(fù)雜，通過破壞螺紋進行加工表面形貌檢測的方法成本較高，因此，通過仿真方法進行大螺距螺紋加工表面形貌的研究是一種可行的方法。大螺距螺紋車削時，由于刀桿長、刀具剛度低、切削力大，切削時振動較為劇烈；在載荷較大、切削溫度較高時，切削刃磨損嚴(yán)重，切削刃刃形保持性差，進行仿真分析時，需要考慮切削過程中的刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響。以往對加工表面形貌的仿真，多數(shù)為平面加工表面形貌的仿真，忽略了曲面的曲率特征對加工表面形貌的影響，同時，忽略了刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌沿工件軸向分布特性的影響，加工表面形貌仿真模型的準(zhǔn)確性有待提高。

大螺距螺紋對加工表面形貌沿軸向分布一致性的要求，對大螺距螺紋車削工藝提出了較高要求。已有的大螺距螺紋車削工藝評價方法，只考慮加工表面形貌指標(biāo)水平，如加工表面粗糙度、加工表面殘留高度等，無法保證大螺距螺紋左右螺紋面加工表面形貌沿軸向分布的一致性，大螺距螺紋車削工藝評價方法有待進一步研究。

本項發(fā)明針對大螺距螺紋切削刃磨損特性，提出刀具切削刃磨損后的刃形表征方法；針對刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響，提出刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌影響的表征方法，進而提出刀具磨損和刀具與工件相對振動影響下的大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法及大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果的驗證方法；為提高大螺距螺紋加工表面形貌沿軸向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征與評價方法及大螺距螺紋車削工藝評價方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法與車削工藝評價方法。針對大螺距螺紋切削刃磨損特性，提出刀具切削刃磨損后的刃形表征方法；針對刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響，提出刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌影響的表征方法，進而提出刀具磨損和刀具與工件相對振動影響下的大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法及大螺距螺紋加工表面形貌仿真模型的驗證方法；為提高大螺距螺紋加工表面形貌沿軸向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征與評價方法及大螺距螺紋車削工藝評價方法。

發(fā)明技術(shù)方案：

大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法，包括以下步驟，

步驟一、進行大螺距外螺紋精加工車削實驗，提取切削刃刃形磨損量，用以構(gòu)建切削刃刃形方程，

式中，f(l)為切削刃刃形磨損量，l為刃形磨損量檢測位置點距刀尖的距離，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)為擬合方程的系數(shù)；

步驟二、確定刀具切削刃在機床和工件兩坐標(biāo)系中的位置關(guān)系，結(jié)合切削刃刃形方程，獲得刀具磨損對大螺距螺紋加工表面形貌的影響特性方程，

式中，zlwit'為t時刻磨損作用下左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，其中，點il'為第i個磨損測量點對應(yīng)的左切削刃上的位置點，zlw10為左切削刃刀尖點在zw軸上的初始坐標(biāo)值，δlli為左切削刃上il'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，κγ為主偏角，p為螺距，n為工件轉(zhuǎn)速，lli為左切削刃上il'點與刀尖的距離，f(lli)為左切削刃上i'點處的刃形磨損量；zrwit'為t時刻磨損作用下右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值，其中，點ir'為第i個磨損測量點對應(yīng)的右切削刃上的位置點，f為螺紋牙頂寬度，d為螺紋大徑，d1為螺紋小徑，δlri為右切削刃上ir'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，f(lri)為右切削刃上ir'點處的刃形磨損量；

步驟三、在步驟一所述大螺距螺紋車削實驗中，提取切深方向、切削速度方向和沿軸向進給方向的工件、刀具振動時域信號，利用matlab軟件進行正弦函數(shù)擬合，得到振動加速度信號擬合方程，二次積分得到振動位移方程；對刀具與工件相對振動作用下，切削刃一點在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值進行解算，解算得到刀具與工件相對振動對切削刃一點位置的影響特性方程，

xwit″＝xwit+fgx(t)+fdx(t)

ywit″＝y(tǒng)wit+fgy(t)+fdy(t)

zwit″＝zwit+fgz(t)+fdz(t)

式中，xwit”、ywit”、zwit”為振動作用下t時刻切削刃上i'點在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，xwit、ywit、zwit為t時刻切削刃上i'點在owxwyw平面上投影點的坐標(biāo)值，fgx(t)、fgy(t)、fgz(t)分別為工件坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移，fdx(t)、fdy(t)、fdz(t)分別為刀具坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移，其中，x方向為切削速度放向，y方向為切深方向，z方向為軸向進給方向；

步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三中磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響特性方程，得到切削刃磨損和刀具與工件相對振動共同作用下，大螺距螺紋加工表面形貌的仿真方程，

式中，d1為螺紋小徑，δli為切削刃上i'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，其中，i'點為第i個磨損測量點對應(yīng)的切削刃上的位置點，λs為切削刃刃傾角，θ0為切削刃初始角度，zlwit”'為t時刻磨損和振動共同作用下左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，zrwit”'為t時刻振動和磨損共同作用下右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值，flgz(t)、fldz(t)分別為左刃切削時工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移，frgz(t)、frdz(t)分別為右刃切削時工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移；

采用matlab軟件進行仿真，得到大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果；

步驟五、用線切割機床，對由步驟一所述實驗方案加工完成的試件螺紋面進行不同位置處的樣塊提取，采用超景深顯微鏡對樣塊加工表面形貌進行檢測，得到大螺距螺紋加工表面形貌實驗結(jié)果；根據(jù)步驟四得到大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果；將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，驗證仿真結(jié)果的正確性；

進一步，所述一種加工表面形貌沿軸向分布一致性的表征與評判方法，包括以下步驟，

步驟一、檢測大螺距螺紋加工表面形貌并進行評判；

步驟二、進行單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性評判；

步驟三、進行多個螺紋面加工表面形貌的一致性評判；

步驟四、根據(jù)關(guān)聯(lián)度的變化范圍輸出評判結(jié)果，關(guān)聯(lián)度變化區(qū)間越小，說明多個螺紋面的加工表面形貌一致性越好。

大螺距螺紋車削工藝評價方法，包括以下步驟，

步驟一、確定大螺距螺紋車削工藝方案；

步驟二、進行大螺距外螺紋精加工車削實驗，得到q個大螺距螺紋，每個螺紋有左右兩個螺紋面，則共得到2q個螺紋面；

步驟三、進行刀具磨損檢測和刀具振動信號檢測；

步驟四、得出大螺距加工表面形貌仿真模型，并仿真得到加工表面形貌仿真結(jié)果；

步驟五、對螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度指數(shù)進行檢測；

步驟六、如果螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度不符合要求，則工藝方案不合格，如果螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度符合要求，檢測單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性是否符合要求；

步驟七、如果單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性不符合要求，則工藝方案不合格，如果單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性符合要求，檢測2q個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性是否符合要求；

步驟八、如果2q個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性不符合要求，則工藝方案不合格，如果符合要求，工藝方案合格。

本發(fā)明對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：本發(fā)明提供一種大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法及車削工藝評價方法，針對大螺距螺紋切削刃磨損特性，構(gòu)建了切削刃的磨損刃形方程，表征刀具磨損引起的切削刃結(jié)構(gòu)的改變；提出刀具磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌影響的表征方法，揭示出切削刃磨損對加工表面形貌形成過程的影響特性；建立大螺距螺紋加工表面形貌仿真模型，實驗驗證結(jié)果表明，采用該模型獲得的加工表面形貌與實驗獲得的加工表面形貌之間表現(xiàn)出相近的分布特性，該方法可有效解決大型螺紋類零件加工表面形貌在機測量困難問題；針對加工表面形貌沿軸向分布的變化特性，提出單螺紋面和多螺紋面加工表面形貌及其一致性評價方法，該方法可有效識別滿足高加工表面質(zhì)量要求的刀具磨損和振動特性及刀具使用壽命；提出大螺距螺紋車削工藝評價方法，保證大螺距螺紋左右螺紋面加工表面形貌的分布一致性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明100倍下的切削刃刃形；

圖2是本發(fā)明500倍下的切削刃刃形；

圖3是本發(fā)明切削刃刃形磨損量測量方法；

圖4是本發(fā)明切削刃磨損量擬合曲線；

圖5是本發(fā)明切削刃在機床和工件兩坐標(biāo)系中的位置關(guān)系；

圖6是本發(fā)明切削刃上一點在owxwyw平面上的投影點坐標(biāo)值解算圖；

圖7是本發(fā)明切削刃上一點在zw軸上的坐標(biāo)值解算圖；

圖8是本發(fā)明振動信號檢測方案及傳感器位置示意圖；

圖9是本發(fā)明工件x、y、z三向振動加速度信號圖；

圖10是本發(fā)明刀具x、y、z三向振動加速度信號圖；

圖11是本發(fā)明x向刀具振動加速度信號擬合結(jié)果圖；

圖12是本發(fā)明刀具與工件相對振動作用下的切削刃一點在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值解算圖；

圖13是本發(fā)明大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果圖；

圖14是本發(fā)明工件左螺紋面仿真與實驗形貌對比圖；

圖15是本發(fā)明工件右螺紋面仿真與實驗形貌對比圖；

圖16是本發(fā)明螺紋加工表面形貌指標(biāo)檢測及評判方法流程圖；

圖17是本發(fā)明單個螺紋面加工表面形貌指標(biāo)沿軸向分布一致性評判流程圖；

圖18是本發(fā)明多個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性評判流程圖；

圖19是本發(fā)明大螺距螺紋車削工藝評價方法流程圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。

大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法，包括以下步驟，

步驟一、進行大螺距外螺紋精加工車削實驗，提取切削刃刃形磨損量，用以構(gòu)建切削刃刃形方程，

式中，f(l)為切削刃刃形磨損量，l為刃形磨損量檢測位置點距刀尖的距離，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)為擬合方程的系數(shù)；

步驟二、確定刀具切削刃在機床和工件兩坐標(biāo)系中的位置關(guān)系，結(jié)合切削刃刃形方程，獲得刀具磨損對大螺距螺紋加工表面形貌的影響特性方程，

式中，zlwit'為t時刻磨損作用下左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，其中，點il'為第i個磨損測量點對應(yīng)的左切削刃上的位置點，zlw10為左切削刃刀尖點在zw軸上的初始坐標(biāo)值，δlli為左切削刃上il'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，κγ為主偏角，p為螺距，n為工件轉(zhuǎn)速，lli為左切削刃上il'點與刀尖的距離，f(lli)為左切削刃上i'點處的刃形磨損量；zrwit'為t時刻磨損作用下右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值，其中，點ir'為第i個磨損測量點對應(yīng)的右切削刃上的位置點，f為螺紋牙頂寬度，d為螺紋大徑，d1為螺紋小徑，δlri為右切削刃上ir'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，f(lri)為右切削刃上ir'點處的刃形磨損量；

步驟三、在步驟一中所述大螺距螺紋車削實驗中，提取切深方向、切削速度方向和沿軸向進給方向的工件、刀具振動時域信號，利用matlab軟件進行正弦函數(shù)擬合，得到振動加速度信號擬合方程，二次積分得到振動位移方程；對刀具與工件相對振動作用下，切削刃一點在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值進行解算，解算得到刀具與工件相對振動對切削刃一點位置的影響特性方程，

xwit″＝xwit+fgx(t)+fdx(t)

ywit″＝y(tǒng)wit+fgy(t)+fdy(t)

zwit″＝zwit+fgz(t)+fdz(t)

式中，xwit”、ywit”、zwit”為振動作用下t時刻切削刃上i'點在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，xwit、ywit、zwit為t時刻切削刃上i'點在owxwyw平面上投影點的坐標(biāo)值，fgx(t)、fgy(t)、fgz(t)分別為工件坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移，fdx(t)、fdy(t)、fdz(t)分別為刀具坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移，其中，x方向為切削速度放向，y方向為切深方向，z方向為軸向進給方向；

步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三中磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響特性方程，得到切削刃磨損和刀具與工件相對振動共同作用下，大螺距螺紋加工表面形貌的仿真方程，

式中，d1為螺紋小徑，δli為切削刃上i'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，其中，i'點為第i個磨損測量點對應(yīng)的切削刃上的位置點，λs為切削刃刃傾角，θ0為切削刃初始角度，zlwit”'為t時刻磨損和振動共同作用下左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，zrwit”'為t時刻振動和磨損共同作用下右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值，flgz(t)、fldz(t)分別為左刃切削時工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移，frgz(t)、frdz(t)分別為右刃切削時工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移；

采用matlab軟件進行仿真，得到大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果；

步驟五、用線切割機床，對由步驟一所述實驗方案加工完成的試件螺紋面進行不同位置處的樣塊提取，采用超景深顯微鏡對樣塊加工表面形貌進行檢測，得到大螺距螺紋加工表面形貌實驗結(jié)果；根據(jù)步驟四得到大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果；將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，驗證仿真結(jié)果的正確性；

所述一種加工表面形貌沿軸向分布一致性的表征與評判方法，包括以下步驟，

步驟一、檢測大螺距螺紋加工表面形貌并進行評判；

步驟二、進行單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性評判；

步驟三、進行多個螺紋面加工表面形貌的一致性評判；

步驟四、根據(jù)關(guān)聯(lián)度的變化范圍輸出評判結(jié)果，關(guān)聯(lián)度變化區(qū)間越小，說明多個螺紋面的加工表面形貌一致性越好。

大螺距螺紋車削工藝評價方法，包括以下步驟，

步驟一、確定大螺距螺紋車削工藝方案；

步驟二、進行大螺距外螺紋精加工車削實驗，得到q個大螺距螺紋，每個螺紋有左右兩個螺紋面，則共得到2q個螺紋面；

步驟三、進行刀具磨損檢測和刀具振動信號檢測；

步驟四、得出大螺距加工表面形貌仿真模型，并仿真得到加工表面形貌仿真結(jié)果；

步驟五、對螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度指數(shù)進行檢測；

步驟六、如果螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度不符合要求，則工藝方案不合格，如果螺紋面加工表面粗糙度和加工面不平度符合要求，檢測單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性是否符合要求；

步驟七、如果單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性不符合要求，則工藝方案不合格，如果單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性符合要求，檢測2q個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性是否符合要求；

步驟八、如果2q個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性不符合要求，則工藝方案不合格，如果符合要求，工藝方案合格。

進行大螺距外螺紋精加工車削實驗，實驗對象為半精加工后的大螺距螺紋工件，材料為調(diào)質(zhì)處理后的35crmo，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù)1，螺紋長度為160mm，大徑為120mm，小徑為104mm，中徑為112mm，螺距p為16mm，牙型半角為15°，螺紋槽寬為6.2mm。刀具為可換刀頭彈簧式車刀，材料為高速鋼(w18cr4v)，切削刃為左右對稱式結(jié)構(gòu)，并由頂刃與左右兩個切削刃連接。刀具切削刃角度參數(shù)及切削方案如表1和表2所示。

表1切削刃角度參數(shù)

表235crmo精加工切削方案

表中，n為工件轉(zhuǎn)速，fz為每轉(zhuǎn)進給量，zlj為左刃切削單次加工余量，zrk右刃切削單次加工余量。

為分析不同尺度下的切削刃磨損對加工表面形貌的影響，利用超景深顯微鏡分別在100倍與500倍下對上述實驗中切削完畢的切削刃刃形磨損量進行檢測，檢測間隔分別為100μm與10μm；其切削刃刃形分別如圖1、圖2所示。

切削刃刃形磨損量提取方法如圖3所示，切削刃的實際磨損量解算方法如式(1)所示。

圖3中，l1為切削刃上1'點與刀尖的距離，li為切削刃上i'點與刀尖的距離，lim為切削刃上第i個磨損測量點到切削刃的距離，點i'為第i個磨損測量點對應(yīng)在切削刃上的位置點。

式中，lim'為切削刃上第i個磨損測量點的實際磨損量。

利用matlab軟件進行切削刃刃形磨損量方程擬合，擬合曲線如圖4所示：

獲得切削刃磨損量擬合方程如式(2)所示，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

式中，f(l)為切削刃刃形磨損量，l為刃形磨損量檢測位置點距刀尖的距離，aj、bj、cj(j＝1,2,…,k)為擬合方程的系數(shù)。

表3切削刃刃形磨損量方程系數(shù)

刀具切削刃在機床和工件兩坐標(biāo)系中的位置關(guān)系如圖5所示，分析圖5可知，切削刃的磨損只會改變切削刃上點在zw軸上的坐標(biāo)值。

圖5中，om-xmymzm為機床坐標(biāo)系，ow-xwywzw為工件坐標(biāo)系；zmw為機床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系沿zw軸方向的距離；θ為切削刃在工件坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)過的角度；δli為切削刃上i'點沿切削刃方向與刀尖點的距離；點1”，2”，…，i”，…，(i+n)”分別為切削刃上點1'，2'，…，i'，…，(i+n)'在owxwyw平面上的投影；(i+n)”'為切削刃點(i+n)'磨損后所處位置；下文所討論的解算公式，所指坐標(biāo)系均為工件坐標(biāo)系。

機床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(3)所示。

切削刃上一點在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)解算方法，如圖6和7所示。

圖6中，xwi0、ywi0為切削刃上點i'在owxwyw平面上投影點的初始坐標(biāo)值；xwit、ywit為t時刻切削刃上點i'在owxwyw平面上投影點的坐標(biāo)值；θ0為切削刃初始角度，d為螺紋大徑，d1為螺紋小徑。

圖7中，zlw10為左切削刃刀尖點在zw軸上的初始坐標(biāo)值，zrw10為右切削刃刀尖點在zw軸上的初始坐標(biāo)值；zlwi0為左切削刃上il'點在zw軸上的初始坐標(biāo)值，其中，點il'為第i個磨損測量點對應(yīng)的左切削刃上的位置點，zrwi0為右切削刃上ir'點在zw軸上的初始坐標(biāo)值，其中，點ir'為第i個磨損測量點對應(yīng)的右切削刃上的位置點；zlwit為t時刻左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，zrwit為t時刻右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值；f為螺紋牙頂寬度。

根據(jù)圖6、圖7，得到初始時刻、切削刃相對工件轉(zhuǎn)過θ角后，切削刃上任一點的坐標(biāo)解算方程，分別如式(4)～(7)、式(8)～(11)所示。結(jié)合切削刃刃形方程，獲得刀具磨損對大螺距左、右螺紋加工表面形貌的影響特性方程，見式(12)、式(13)。

zlwi0＝zlw10+△lli·cosκγ(6)

式中，zlwit'為t時刻磨損作用下左切削刃上il'點在zw軸上的坐標(biāo)值，lli為左切削刃上il'點與刀尖的距離，f(lli)為左切削刃上i'點處的刃形磨損量；zrwit'為t時刻磨損作用下右切削刃上ir'點在zw軸上的坐標(biāo)值，δlri為右切削刃上ir'點沿切削刃方向與刀尖點的距離，f(lri)為右切削刃上ir'點處的刃形磨損量；

大螺距螺紋切削實驗中，對最后一次切削左、右螺紋面的振動信號進行檢測，由于切削時機床主軸和工件處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法對其振動進行直接測量，因此，將傳感器固定在距離主軸端部最近的位置處；刀具切削刃始終與工件接觸并伴隨切屑流出，為避免干涉，將刀具傳感器設(shè)置在刀具底端距切削刃最近處，所用傳感器為振動加速度傳感器，信號采集系統(tǒng)為東華dhdas-5922，振動信號檢測方案及傳感器振動方向如圖8所示。

圖8中，x方向為切削速度放向，y方向為切深方向，z方向為軸向進給方向。

工件、刀具振動時域信號如圖9、圖10所示。

以刀具x向振動信號為例，提取時域信號中振動加速度數(shù)據(jù)，利用matlab軟件進行正弦函數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖11所示。

獲得刀具x向時域振動加速度信號擬合方程如式(14)所示。

式中，fdx(t)為t時刻刀具在x方向的振動加速度，aj'、bj'、cj'(j＝1,2,…,8)為擬合方程系數(shù)，其值如表4所示。

表4刀具x向振動位移方程系數(shù)

對振動加速度信號擬合方程進行二次積分，得到振動位移方程，如式(15)所示。

式中，fdx(t)為t時刻刀具在x方向的振動位移。

對刀具與工件相對振動作用下，切削刃一點在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值進行解算，如圖12所示。解算得到刀具與工件相對振動對切削刃一點位置的影響特性方程，如式(16)～(18)所示。

圖12中，o'-x'y'z'是振動作用下的工件坐標(biāo)系；o1-x1y1z1為無振動作用下的刀具坐標(biāo)系，o1'-x1'y1'z1'是振動作用下的刀具坐標(biāo)系；點c為無振動情況下切削刃上點i所處位置；點c'為振動作用下切削刃上點i所處位置；點a為點c在owxwyw平面上的投影；點a'為點c'在owxwyw平面上的投影；fgx(t)、fgy(t)、fgz(t)分別為工件坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移；fdx(t)、fdy(t)、fdz(t)分別為刀具坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移。

xwit″＝xwit+fgx(t)+fdx(t)(16)

ywit″＝y(tǒng)wit+fgy(t)+fdy(t)(17)

zwit″＝zwit+fgz(t)+fdz(t)(18)

式中，xwit”、ywit”、zwit”為振動作用下t時刻切削刃上i'點在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，fgx(t)、fgy(t)、fgz(t)分別為工件坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移，fdx(t)、fdy(t)、fdz(t)分別為刀具坐標(biāo)系沿x、y、z三個方向的振動位移。

根據(jù)上述磨損、刀具與工件相對振動對加工表面形貌的影響分析，得到切削刃磨損和刀具與工件相對振動共同作用下，大螺距螺紋加工表面形貌的仿真方程，如式(19)～(22)。

式中，zlwit”'為t時刻磨損和振動共同作用下左切削刃上i點在zw軸上的坐標(biāo)值，zrwit”'為t時刻振動和磨損共同作用下右切削刃上點i在zw軸上的坐標(biāo)值，flgz(t)、fldz(t)分別為左刃切削時工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移，frgz(t)、frdz(t)分別為右刃切削時工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系沿z方向的振動位移。

將實驗過程中的刀具、工件振動信號與加工后的切削刃磨損量數(shù)據(jù)擬合形成對應(yīng)方程，代入式(19)～式(22)中，進行大螺距螺紋加工表面形貌仿真，仿真結(jié)果如圖13所示。

在上述實驗條件下，完成對螺紋的車削得到成品件，利用線切割機床對成品件進行不同位置處的樣塊提取，采用超景深顯微鏡對樣塊加工表面形貌進行檢測，得到大螺距螺紋加工表面形貌實驗結(jié)果。同時，在相同實驗條件下，對大螺距螺紋進行加工表面形貌仿真，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，驗證仿真結(jié)果的正確性。

提取位置為距離螺紋左端面10mm、42mm、74mm、106mm和138mm處的螺紋樣塊，各位置處的左右螺紋面加工表面形貌對比如圖14～圖15所示。

由圖14和圖15可以看出，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果之間具有一定的相似性，可以反應(yīng)出加工表面形貌沿軸向的分布特性，說明該仿真模型具有可行性；仿真結(jié)果與實驗結(jié)果有一定的誤差，這是由于仿真模型沒有考慮大螺距螺紋切削過程中的工件安裝誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差和后刀面與已加工表面之間摩擦等因素對表面形貌的影響。

大螺距螺紋加工表面形貌指標(biāo)檢測及評判方法如圖16所示。

圖16中，a為沿工件軸向分布的加工表面質(zhì)量指標(biāo)，包括平行于切削速度方向的加工表面不平度wx，垂直于切削速度方向的加工表面不平度wy，垂直于切削速度方向的加工表面粗糙度ra；amax為指標(biāo)a沿工件軸向分布的最大值；amin為指標(biāo)a沿工件軸向分布的最小值；為指標(biāo)a沿工件軸向分布的平均值；σa為指標(biāo)a沿工件軸向分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

螺紋面加工表面質(zhì)量指標(biāo)沿軸向分布的最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的解算方法為：

amax＝maxau,amin＝minau,(u＝1,2,...,p)(23)

式中，au為第u個檢測樣塊的加工表面質(zhì)量指標(biāo)值，u＝1，2，…，p，p為總的樣塊個數(shù)。

按如下方法進行加工表面質(zhì)量評判：

式中，[a]為指標(biāo)a沿軸向分布的允許最大值；為指標(biāo)a沿軸向分布的平均值的允許最大值；[σa]為指標(biāo)a沿軸向分布標(biāo)準(zhǔn)差的允許最大值。

大螺距螺紋加工表面形貌檢測完成后，進行單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性評判，具體評判方法如圖17所示。

圖17中，y為以amin構(gòu)建的等值參考序列，x為以a沿軸向的實際檢測值建立的比較序列；ε為序列y和序列x的灰色絕對關(guān)聯(lián)度；γ為序列y和序列x的灰色相對關(guān)聯(lián)度；ρ為序列y和序列x的灰色綜合關(guān)聯(lián)度；θ'∈[0,1]，該參數(shù)用于調(diào)節(jié)絕對關(guān)聯(lián)度和相對關(guān)聯(lián)度對綜合關(guān)聯(lián)度的影響程度，一般取θ'＝0.5；[ε]為灰色絕對關(guān)聯(lián)度允許最小值；[γ]為灰色相對關(guān)聯(lián)度允許最小值；[ρ]為灰色綜合關(guān)聯(lián)度最小允許值；r0表示序列y和序列x的絕對關(guān)聯(lián)度ε、相對關(guān)聯(lián)度γ、綜合關(guān)聯(lián)度ρ均滿足加工要求，即該螺紋面加工表面形貌指標(biāo)沿軸向分布一致性滿足加工要求；r1、r2、...、r5表示該螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性不滿足加工要求。

多個螺紋面加工表面形貌的一致性對于整機的工作精度具有重要意義，其評判方法如圖18所示。

圖18中，q為螺紋面總數(shù)；xmin^v為以第v個螺紋面加工表面形貌指標(biāo)amin構(gòu)建的等值參考序列，v＝1，2，…，q；x^v為第v個螺紋面加工表面形貌指標(biāo)a的行為序列，v＝1，2，…，q，au^v表示第v個螺紋面上第u個檢測樣塊的加工表面形貌指標(biāo)，u＝1，2，…，p；εv為序列x^v與序列xmin^v的絕對關(guān)聯(lián)度，γv為序列x^v與序列xmin^v的相對關(guān)聯(lián)度，ρv為序列x^v與序列xmin^v的綜合關(guān)聯(lián)度；εt為q個螺紋面中灰色絕對關(guān)聯(lián)度的最大值，γt為q個螺紋面中灰色相對關(guān)聯(lián)度最大值，ρt為q個螺紋面中灰色綜合關(guān)聯(lián)度最大值；x^t為第t個螺紋面加工表面質(zhì)量指標(biāo)a的行為序列，該序列與序列xmin^t的絕對關(guān)聯(lián)度、相對關(guān)聯(lián)度、綜合關(guān)聯(lián)度分別為εt、γt、ρt；sε為各比較序列與參考序列之間的灰色絕對關(guān)聯(lián)度集合；sγ為各比較序列與參考序列之間的灰色相對關(guān)聯(lián)度集合；sρ為各比較序列與參考序列之間的灰色綜合關(guān)聯(lián)度集合。

將集合sε、sγ和sρ中的灰色關(guān)聯(lián)度由小到大進行排序，得到灰色關(guān)聯(lián)度變化范圍：

min{εit}<εit<max{εit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q；(26)

min{γit}<γit<max{γit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q；(27)

min{ρit}<ρit<max{ρit},i＝1,...,t-1,t+1,...,q；(28)

式中，εit為序列xⁱ與序列x^t的灰色絕對關(guān)聯(lián)度，γit為序列xⁱ與序列x^t的灰色相對關(guān)聯(lián)度，ρit為序列xⁱ與序列x^t的灰色綜合關(guān)聯(lián)度，其中，i＝1，…，t-1，t+1，…，q。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的變化范圍輸出評判結(jié)果，灰色關(guān)聯(lián)度變化區(qū)間越小，說明多個螺紋面的加工表面形貌一致性越好。

針對大型螺紋類零件加工表面形貌在機測量困難問題，同時，為保證大螺距螺紋加工表面形貌的分布一致性，提出了大螺距螺紋車削工藝評價方法，如圖19所示。

圖19中，對螺紋面加工表面質(zhì)量、單個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性和2q個螺紋面加工表面形貌沿軸向分布一致性的評判分別按圖16、圖17和圖18進行。

以往對加工表面形貌的仿真，多數(shù)為平面加工表面形貌的仿真，忽略了曲面的曲率特征對加工表面形貌的影響，同時，忽略了刀具磨損、刀具-工件相對振動對加工表面形貌沿工件軸向分布特性的影響，無法保證加工表面形貌仿真模型的準(zhǔn)確性；已有的大螺距螺紋車削工藝評價方法，只考慮加工表面粗糙度水平，無法保證大螺距螺紋左右螺紋面加工表面形貌沿軸向分布的一致性。

本項發(fā)明針對大螺距螺紋切削刃磨損特性，提出刀具切削刃磨損后的刃形表征方法；針對刀具磨損、刀具-工件相對振動對加工表面形貌的影響，提出刀具磨損、刀具-工件相對振動對加工表面形貌影響的表征方法，進而提出刀具磨損和刀具-工件相對振動影響下的大螺距螺紋加工表面形貌仿真方法及大螺距螺紋加工表面形貌仿真結(jié)果的驗證方法；為提高大螺距螺紋加工表面形貌沿軸向分布的一致性，提出加工表面形貌分布一致性表征與評價方法及大螺距螺紋車削工藝評價方法。