车削大螺距螺纹工艺可靠性评判方法

姜彬　王森　李哲　张为　吴培军

摘要：大螺距螺杆左右螺纹面加工误差沿轴向的分布对压力机滑块的定位与重复定位精度有重要影响，车削螺纹工艺应具有高可靠性。已有的利用误差最大值评判加工精度的方法，忽略了加工误差沿轴向的分布特性，无法揭示工艺的可靠性。为此，采用相同工艺方案，进行两次车削螺距16mm外螺纹试验，构建中径误差和左右螺纹面的大小径、牙型半角、螺距误差分布行为序列，采用灰色关联分析方法，利用加工误差分布行为序列的相似性评判大螺距外螺纹工艺可靠性，并进行实验验证。结果表明，采用该方法可有效识别和评判车削大螺距螺纹工艺可靠性。

关键词：大螺距;外螺纹;加工误差;灰色关联;工艺可靠性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.001

中图分类号： TG714

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）01-0001-07

Process Reliability Evaluation Method of Turning Large Pitch External Thread

JIANG Bin 1，WANG Sen 1，LI Zhe 1，ZHANG Wei 1，WU Pei jun 2

（1.Key Lab of National and Local United Engineering for High Efficiency Cutting and Tools，

Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.Qiqihar No.2 Machine Tool （Group） Co.， Ltd. Qiqihar 161000， China）

Abstract：There is a great influence of machining error distribution of large pitch screws left and right thread surface along the axial direction on positioning and repeat positioning accuracy of press slide Thread cutting process should have high reliability The method through judging the machining accuracy by maximum error ignores the distribution characteristics of the machining error along the axial direction and cannot reveal the reliability of the process For all this， there are two tests of turning external thread with pitch 16mm conducted in the same process Through the experiments， distributions of big diameter error， small diameter error，half of thread angle error，pitch and pitch diameter error of left and right thread surfaces are structured The process reliability can be judged by the similarity between the machining error sequences through the grey correlation analysis method Then verification of process reliability evaluation method is verified by experiment Finally， the results show that the method is applicable to recognize and evaluate the stability， repeatability of thread surface machining error and consistence of left and right thread surface machining error

Keywords：large pitch; external thread; machining error; grey correlation; process reliability

0引言

多工位压力机中通常有四个结构尺寸相同的大螺距螺杆，依靠其螺旋传动调整滑块位置和间隙，左右螺纹面加工误差沿轴向的分布特性对其定位与重复定位精度有重要影响[1-2]。在加工多个结构参数相同的大螺距外螺纹时，采用相同的加工工艺，但其螺纹面加工误差沿轴向呈不同的分布特性，则工艺方案的可靠性低[3-4]。已有的利用误差最大值评判加工精度的方法，忽视了加工误差沿轴向的分布，无法揭示车削工艺可靠性，因此提出工艺可靠性评判方法。

工艺可靠性是指工艺在规定的期限和生产率下，保持加工质量和实现规定工艺过程的能力[5-7]。目前，在工艺可靠性研究方面，邓超等[8]针对大型数控机床结构和加工工况负载的实际情况，通过实验识别大型数控机床的动力学参数和切削力动态模型参数，建立数控机床加工过程动力学模型，并拟合加工精度进行工艺可靠性评估。张根宝等[9]提出将产品的基本运动功能进行结构化分解思想，并利用灰色预测理论建立装配过程可靠性与关键可靠性控制点的相关关系，以此评价和预测装配过程可靠性。匡芬等[10]考慮制造过程中的质量特性演化规律，提出基于Granger检验及Cox回归的工艺可靠性综合评估方法.付桂翠等[11]提出了基于产品可靠性的工艺系统基本影响关系可靠性模型，研究了工艺系统可靠度和工序可靠度的定量计算方法。这些研究极大地推动工艺可靠性的发展，但从加工误差沿轴向分布方面，对车削外螺纹工艺可靠性研究较少，有必要对此进行研究。

本文根据轴向分层切削方式和大螺距外螺纹结构的特点，确定螺纹面几何结构特征参数及其加工误差种类;采用一种工艺方案进行两组大螺距外螺纹车削实验，获取螺纹面大径、小径、牙型半角、螺距和中径误差沿轴向的分布曲线，并建立上述加工误差的行为序列，对螺纹面加工误差沿轴向行为序列进行关联分析，定量表征螺纹面加工误差的保持性、可重复性和左右螺纹面加工误差的一致性，从而评价车削大螺距螺纹工艺方案的可靠性，并进行试验验证，证明工艺评判方法的有效性，为车削大螺距螺纹工艺设计提供理论依据。

1螺纹面加工误差沿轴向的分布特性

实验采用两把结构相同的可换刀头弹簧式车

刀，在机床（CAX6140）上分别对两个试件进行轴向分层切削，试件材料均为35CrMo调质处理，结构为右旋梯形外螺纹，头数为1，螺纹长度为160.mm，大径为120.mm，小径为104.mm，中径为112.mm，螺距为16.mm，牙型半角为15°，牙槽宽为6 2.mm。

刀具材料为高速钢（W18Cr4V），左刃前角、主偏角、刃倾角、后角分别为0°、76°2′、0°、8°50′，右刃前角、主偏角、刃倾角、后角分别为0°、106°14′、0°、6°15′。精加工采用相同的切削方案，进给量均为16.mm/r，主轴转速为10.rpm，先右刃切削10次，而后采用左刃切削13次，轴向单次加工余量均为0 05.mm。

依据轴向分层车削的切削方式，将加工误差分为中径误差，左螺纹面大径、小径、螺距和牙型半角误差，右螺纹面大径、小径、螺距和牙型半角误差。

通过三坐标测量机提取中径误差特征点和左右螺纹面大小径、牙型半角误差特征点处的坐标值，通过解算得到各特征点处的误差值;采用万能工具显微镜测量实际螺距值，通过解算得到左右螺纹面螺距误差。

以螺纹各加工误差值作为纵坐标，误差特征点绕螺纹轴线旋转的角度作为横坐标，建立试件1和试件2螺纹面加工误差沿轴向分布曲线，如下图所示。

由图1～图3可知，试件1和试件2的螺纹面大径误差在 -0 017.9 ～ 0 017.4 mm范围内频繁变动，螺纹面小径误差在 -0 018.7 ～ 0 018.8 mm范围内频繁变动，螺纹面牙型半角误差的波动范围是 -0 52°～ 0 53°，螺距误差的波动范围是-0 012～0 013.mm，中径误差的波动范围是 -0 018.8 ～ 0 017.9 mm;左右螺纹面大径、小径、牙型半角、螺距误差和中径误差均满足螺纹加工精度要求。但螺纹面加工误差沿轴向分布频繁变动，误差分布的平稳性较差;同侧及左右螺纹面加工误差沿轴向的分布具有较大差异性，该实验方案的可靠性有待揭示。

2车削大螺距螺纹工艺可靠性评判

大径、小径、螺距、牙型半角和中径误差是反映大螺距外螺纹螺纹面质量的重要指标。因此，利用上述误差沿轴向的分布特性分析螺纹面加工误差的保持性、可重复性和左右螺纹面加工误差的一致性，便能够评判工艺可靠性。

采用相同加工工艺加工 m（m>1） 个大螺距螺纹试件，建立其工艺可靠性评判方法，如图4所示。

通过构建各加工误差分布行为序列，采用灰色关联分析方法，进行加工误差分布行为序列的相似性评判。以加工误差沿轴向分布序列与其误差绝对值的最小值的等值序列的绝对关联度，表征螺纹面加工误差的保持性;在同侧螺纹面加工误差行为序列中，以螺纹面加工误差保持性最高的序列与其它误差序列的绝对关联度，表征同侧螺纹面加工误差的可重复性;利用左右螺纹面加工误差行为序列的绝对关联度，表征左右螺纹面加工误差的一致性，进而评判工艺可靠性。

3螺纹面加工误差的保持性评判

车削螺纹过程中，伴随着刀具磨损和振动等因素的变化，螺纹面加工误差沿轴向不断变化。以试件1左螺纹面大径误差为例，如图1（a）所示，左螺纹面大径误差在 -0 016.5 ～ 0 017.4 mm范围内频繁变动。因此，以其误差沿轴向分布曲线与该誤差绝对值最小值的等值曲线的形状相似程度，定量表征左螺纹面大径误差沿轴向分布的保持性，形状相似度越高，螺纹面加工误差的保持性越高。

以试件1左螺纹面大径误差为例，以左螺纹面大径误差绕螺纹轴线的实际检测值建立比较序列如下：

X 1=（a 1，a 2，…，a p ）（1）

以左螺纹面大径误差绝对值的最小值a  min 建立等值参考序列如下：

Y 1=（a （1） min ，a （2） min ，…，a （ p ） min ）（2）

式中：a （1） min =a （2） min =…=a （ p ） min ;p为沿工件轴向误差测量点的个数;a p为左螺纹面大径误差沿轴向的第p个加工误差值。

依据灰色绝对关联度分析法[12]，以序列X 1与Y 1的绝对关联度值ε 11 ，定量表征左螺纹面大径误差沿轴向分布曲线与其误差绝对值最小值等值分布曲线的几何形状相似程度。绝对关联度值越接近于1，形状相似度越高，螺纹面加工误差的保持性越高。

同理，采用灰色绝对关联分析法解算m个大螺距螺纹的螺纹面加工误差行为序列与其误差绝对值最小值等值参考序列的绝对关联度，并构建关联度值的集合Sε1 ， 关联度值越接近于1，则说明螺纹面加工误差的保持性越高。

依据实验所得螺纹加工误差沿轴向的分布曲线，采用上述方法，求解试件1和试件2螺纹面加工误差的绝对关联度，关联度解算结果如表1所示。

由表1可知，试件1和试件2的螺纹面加工误差绝对关联度值范围分别为 0 508.4 ～ 0 557.3 和 0 661.7 ～ 0 730.6， 虽然试件2的单侧螺纹面加工误差关联度值均高于试件1，试件2大螺距外螺纹的螺纹面加工误差的保持性较试件1高，但试件1和试件2单个螺纹面加工误差的保持性均低，其螺纹面加工误差的保持性有待提高。

4螺纹面加工误差的可重复性评判

采用相同车削工艺轴向分层车削多个大螺距外螺纹时，其同侧螺纹面加工误差沿轴向分布应具有高相似性。以试件1和试件2左螺纹面大径误差为例，如图5所示。

由图5可知，试件1和试件2的左螺纹面大径误差均在 -0 016.5 ～ 0 017.4 mm范围内频繁变动，但两条误差分布曲线呈不同的分布特性。为此，比较其曲线形状，来评判分布特性的相似性，相似度越高，则螺纹面加工误差的可重复性越高。

以试件1和试件2的左螺纹面大径误差为例，选择试件1和试件2左螺纹面大径误差沿轴向分布保持性最高的曲线，并以其作为参考序列，以其它曲线作为比较序列，解算绝对关联度。

同理，当采用相同车削工艺加工 m个螺纹时，依据上述方法，构建m个螺纹的关联度值的集合S ε2 ，若关联度值越接近于1，则说明同侧螺纹面加工误差沿轴向分布相似性越高，螺纹面加工误差的可重复性越高。

依据上述方法，求解试件1和试件2同侧螺纹面加工误差沿轴向分布行为序列的绝对关联度值，绝对关联度解算结果如下表所示。

由表2可知，左螺纹面加工误差序列与右螺纹面加工误差序列的绝对关联度值各不相同，其绝对关联度值范围为 0 608.8 ～ 0 705.8， 说明同侧螺纹面加工误差沿轴向分布曲线形状相似性低，左螺纹面加工误差可重复性和右螺纹面加工误差可重复性均有待提高。

5左右螺纹面加工误差的一致性评判

车削螺纹时，由于刀具左右刃结构参数和切削参数等因素的不同，左右螺纹面加工误差沿轴向呈不同分布特性。以试件1左右螺纹面大径误差为例，如图1（a）所示，其左右螺纹面大径误差的波动范围虽然都是 -0 017.9 ～ 0 017.4 mm，但其误差沿轴向的分布曲线呈现不同的分布特性。

左右螺纹面加工误差的一致性是指，左右螺纹面加工误差沿轴向分布的相似性，相似性越高，则左右螺纹面加工误差的一致性越高。

以试件1左右螺纹面大径误差为例，选择左右螺纹面中大径误差沿轴向分布保持性最高的序列作为参考序列，与其他序列解算关联度。

当采用相同车削工艺加工 m个螺纹时，依据上述方法，构建m个螺纹的关联度值集合S ε3 ，若关联度值越接近于1，则说明左右螺纹面加工误差沿轴向分布相似性越高，左右螺纹面加工误差沿轴向分布的一致性越高。

依据上述方法，求解试件1和试件2左右螺纹面加工误差沿轴向分布行为序列的灰色绝对关联度。绝对关联度解算结果若下表所示。

由表3可知，试件1与试件2左右螺纹面加工误差序列的绝对关联度值范围分别为 0 519.0 ～ 0 736.0 和 0 631.2 ～ 0 655.0， 左右螺纹面加工误差沿轴向分布曲线的形状相似度低，左右螺纹面加工误差的一致性低。

综上所述，采用上述工艺方案获得的大螺距外螺纹试件1和試件2，其螺纹面加工误差均满足加工精度要求，但其单个螺纹面加工误差绝对关联度值在 0 508.4 ～ 0 730.6 之间，同侧螺纹面加工误差的绝对关联度值在 0 608.8 ～ 0 705.8 之间，左右螺纹面加工误差绝对关联度值在 0 519.0 ～ 0 736.0 之间，该工艺方案不满足工艺可靠性要求。

6工艺可靠性评判方法实验验证

以上述1所述实验方案为工艺方案1，在工艺方案1的基础上改变试件材料、刀具主偏角、后角和切削次数获得工艺方案2。其中，试件材料为45#钢，刀具左刃主偏角为73°46′，后角为5°50′;右刃主偏角为105°;刀具的切削次序为：右刃切削15次，左刃切削21次。采用与工艺方案1相同的加工误差特征点选取方法和解算方法，获得螺纹面加工误差沿轴向的分布曲线如图6和图7所示。

由图6～图8可知，试件3和试件4的左右螺纹面大径、小径、牙型半角、螺距误差和中径误差均满足螺纹加工精度要求。将图6、图7的螺纹面加工误差分布曲线与图2、图3对比可知，改变工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序，螺纹面加工误差沿轴向分布特性发生改变。

采用上述工艺可靠性评判方法对工艺方案2进行评判。螺纹面加工误差关联度值如下所示。

由表4、表5和6可知，工艺方案2得到的大螺距螺纹的单侧螺纹面加工误差绝对关联度值范围为 0 783.2 ～ 0 876.6， 同侧螺纹面加工误差绝对关联度值范围为 0 757.8 ～ 0 888.9， 左右螺纹面加工误差绝对关联度值均范围是 0 759.6 ～ 0 904.3。 对比方案1的螺纹面加工误差绝对关联度值均明显提高，说明工艺方案2的工艺可靠性明显提高。

由表4可知，试件3与试件4的左螺纹面牙型半角误差的绝对关联度值为 0 783.2 和 0 799.6， 试件3的右螺纹面小径误差的绝对关联度值为 0 788.9， 其余绝对关联度值均在 0 802.3 ～ 0 876.6 之间;由表5可知，左螺纹面小径误差、右螺纹面小径误差和左螺纹面螺距误差的绝对关联度值分别为 0 769.1、 0 757.8 和 0 791.6， 其余绝对关联度值均在 0 840.9 ～ 0 888.9 之间。由表6可知，试件3的左右螺纹面小径误差、螺距误差的绝对关联度值分别为 0 788.4 和 0 759.6， 其它左右螺纹面加工误差绝对关联度值均在 0 818.6 ～ 0 904.3 之间。工艺方案2的绝对关联度值水平高，满足工艺可靠性要求。

对比工艺方案1和工艺方案2的切削实验方案和加工误差绝对关联度发现，改变工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序会引起加工误差绝对关联度的变化，表明上述評判方法可有效识别大螺距螺纹工艺可靠性。

7结论

1）车削大螺距外螺纹实验结果表明，大螺距外螺纹左右螺纹面加工误差均满足加工精度要求;但螺纹面加工误差沿轴向频繁变动。中径误差和左右螺纹面大径、小径、牙型半角、螺距误差沿轴向的分布呈不稳定的状态，同侧及左右螺纹面加工误差沿轴向分布存在明显的差异。

2）提出一种工艺可靠性评判方法。该方法利用螺纹面加工误差沿轴向的分布特性，采用灰色关联分析方法，定量表征单螺纹面加工误差沿轴向分布的保持性、多螺纹面加工误差沿轴向分布的可重复性和左右螺纹面加工误差沿轴向分布的一致性。

3）工艺可靠性评判结果表明，改变工件材料、刀具主偏角、后角和切削次序，可有效提高螺纹面加工误差绝对关联度值，该评判方法可有效识别和评判大螺距螺纹工艺可靠性。

参 考 文 献：

[1]高峰，郭为忠，宋清玉，等 重型制造装备国内外研究现状[J]. 机械工程学报，2010，19 ： 92

[2]卢蔚民，孙友松，卢怀亮 重型摩擦压力机的再制造方案[J]. 锻压技术， 2013，05 ： 132

[3]LI K，JIANG L，CHEN M Experimental study on the influence of cutting parameters on thread precision of external thread turning[J]. Materials Science Forum，2014，770 ： 7

[4]PIERRE S，FLORESTAN M，JEAN G Experimental study of forming and tightening processes with thread forming screws[J]. Journal of Materials Processing Tech，2011，2124

[5]张义民 机械可靠性设计的内涵与递进[J]. 机械工程学报，2010，14 ： 167

[6]张义民，孙志礼 机械产品的可靠性大纲[J]. 机械工程学报，2014，14 ： 14

[7]胡占齐，解亚飞，刘金超 超重型数控镗铣床精度可靠性研究[J]. 哈尔滨工程大学学报，2011，32（12） ： 1599

[8]邓超，吴军，毛宽民，等 面向大型数控机床的工艺可靠性评估[J].计算机集成制造系统， 2010，10 ： 2250

[9]张根保，葛红玉，刘佳，等 可靠性驱动的装配过程建模及预测方法[J]. 计算机集成制造系统，2012，02 ： 349

[10]匡芬，戴伟，王健，等 基于质量特性演化的工艺可靠性评估[J]. 计算机集成制造系统，2015，08 ： 2124

[11]付桂翠，上官云，史兴宽，等 基于产品可靠性的工艺系统可靠性模型[J].北京航空航天大学学报，2009，01：9

[12]刘勇，刘思峰，JEFFREY F 一种新的灰色绝对关联度模型及其应用[J]. 中国管理科学，2012，20（5）：173