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题目：基于三维攻丝过程仿真的机用丝锥结构优化设计

[摘要]: 丝锥,是一种常用加工螺纹刀具, 其在封闭的空间进行攻丝,摩擦阻力增大,产生大量的切削热,由于攻丝时排屑不畅,热量无法被及时带走,容易使得已加工表面硬脆,影响丝锥的耐用度。近年来,在丝锥攻丝工艺上采用改变几何参数、切削参数和选用优质加工材料等方法,业内已经展开了深入研究。在我国,对丝锥攻丝工艺的研究起步较晚,因此,为有效的节省大量时间与成本,选择对其进行计算机模拟有着广泛的发展前景,并已成为必然所趋。

本文以机用丝锥三维攻丝工艺过程为研究对象,以减小丝锥攻丝过程的扭矩和轴向切削力、降低切削温度为目标,实现降低丝锥攻丝成本、改善攻丝效果的目的。利用三维建模软件对丝锥进行目标性建模,结合相关基本理论以及专业仿真分析软件的3D模拟攻丝工艺的功能,对三维攻丝过程进行数值模拟分析。

关键词：参数化建模；丝锥结构优化；数值模拟分析

1. 前言

机械制造业为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是衡量国家工业化程度的重要指标。随着科学技术的不断进步，机械制造业也取得了长足发展，但是随着各个方面的需求增加，作为传统领域的机械制造业也面临着很大的挑战。刀具作为机床切削加工的主要载体，在这个高效率、高精度的现代制造技术中有着举足轻重的地位，其切削参数的优化选取及寿命可靠性也是一项非常重要的指标，因此展开提高刀具寿命及切削效率的研究就变得至关重要了^[1]。

攻丝是一个复杂的动态、非线性过程,丝锥沿着螺纹与工件接触面大,每齿的加工负荷比其它刀具大。攻丝通常安排在工艺的最后阶段,如果丝锥磨损过快，可能造成螺纹加尺寸超差，或者丝锥发生折断,直接影响加工效率和加工成本，甚至造成整个零部件报废。目前缺乏预测丝锥寿命的有效手段和方法，因此研究丝锥的磨损模型，预测磨损量已成为螺纹加工领域关注的课题^[2]。近年来,有限元方法在切削加工领域的成功应用，为揭示刀具磨损机理进而预测其磨损的进程提供了基础:仿真中可以获取例如刀具前、后刀面上的应力、温度分布等参数,这些参数与刀具的磨损直接相关。另外,根据这些参数与刀具寿命的关系，可以对切削工艺及刀具进行优化设计。目前，已经有学者对刀具磨损进行预测，通过有限差分的方法，针对硬质合金切削碳钢的磨损过程进行了仿真预测，证明了预测刀具磨损的可行性^[3]。

同时有限元分析模拟还可以得到切削过程中的各种参数。随着新材料技术的不断发展，其在民用核设施设备、核军工以及航空航天等领域中得到了广范应用。材料机械加工过程中，部分刀具尤其是丝锥存在切削效率低、使用寿命短等。丝锥作为一种多刀结构复杂的刀具，通过软件进行丝锥攻丝仿真，可以获取丝锥每个切削刀的力学性能指标，如扭矩、切削力和温度云图等^[4]。文献[5]在有限元仿真分析中发现，较窄织构宽度的织构刀具减少了衍生切屑的产生。文献[6 ]在刀具前刀面上加工出一条微槽织构微槽的后一条边相当于衍生切屑的切削刃，通过力学理论与数学建模预测了衍生切屑产生的临界条件，并通过实验进行了验证。随着计算机硬件和软件技术的快速发展,有限元法已经成为金属切削仿真的重要工具^[7]。于是，可以根据这些参数优化丝锥结构。

1. 国内外研究概况

国外研究现状

Klamecki BE^[8]等人首先使用三维有限元方法对切屑的成形原理进行分析。Moon^[9]等人通过软件预测了刀具切削过程中的温度分布情况以及所产生切屑的几何形态，并通过实验测量的方式对所得的结果进行验证，吻合度较高。