絲錐全生命周期參數(shù)對攻絲性能影響的研究*

彭 菲 郭 宏 閆獻國 李俊吉

(太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

刀具全生命周期，是指涵蓋刀具從需求的確定到刀具的設(shè)計、制造、使用(切削)、維護和報廢等階段在內(nèi)的全部過程。

以絲錐(一種常用加工內(nèi)螺紋刀具)為例，由于其本身的設(shè)計、制造過程復(fù)雜，使用時加工條件惡劣，切削效率低下;因而對絲錐全生命周期各階段參數(shù)進行優(yōu)化，可以明顯改善攻絲的切削性能指標(biāo)。為此，國內(nèi)開展了相關(guān)研究:韓榮第等通過改變絲錐的幾何(設(shè)計)參數(shù)，提高了絲錐攻高溫合金GH4169的切削性能［1］。賈秀杰等從刀具的制造工藝方面研究了刀具鈍化技術(shù)對刀具切削性能具有積極意義［2］。閆獻國也從絲錐的深冷處理和刃口鈍化技術(shù)等新制造工藝方面研究了其對絲錐壽命的影響［3］。李茂偉等則從刀具使用的角度研究了銑削過程中不同切深和主軸轉(zhuǎn)速對刀具切削力的影響［4］。以上研究均對刀具全生命周期中某個階段的參數(shù)進行優(yōu)化，并未將刀具全生命周期各階段參數(shù)作為一個整體考慮進行優(yōu)化。

本文采用正交試驗法，對絲錐全生命周期即絲錐前角(刀具設(shè)計參數(shù))、刃口鈍化半徑(刀具制造參數(shù))和主軸轉(zhuǎn)速(刀具使用參數(shù))進行試驗設(shè)計，并對改變以上3因素下攻絲數(shù)據(jù)進行極差分析，利用綜合評分法將3個攻絲性能指標(biāo)即扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max轉(zhuǎn)化為單一的綜合切削性能指標(biāo)y*i再進行計算分析，確定出試驗因素的主次、各試驗因素的優(yōu)水平及試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，提供了1種絲錐全生命周期參數(shù)對攻絲性能影響的定量分析方法。

1 多指標(biāo)正交試驗設(shè)計模型

正交試驗設(shè)計是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗設(shè)計方法，即挑選出有代表性的試驗點進行試驗，是利用部分試驗代替全面試驗的高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)計算方法［5］。多指標(biāo)正交試驗設(shè)計就是在正交試驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過2個或者更多個指標(biāo)來衡量其試驗效果，其中綜合評分法就是多指標(biāo)試驗結(jié)果分析方法中最常用的分析方法。將各指標(biāo)轉(zhuǎn)化為“綜合評分”的一般公式為

式中:y*i表示第i號試驗的綜合評分;αk為轉(zhuǎn)化系數(shù)，即將第k項指標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合評分的系數(shù)。若wk表示第k項試驗指標(biāo)的權(quán)值，則當(dāng)αk=ckwk時，稱為直接加權(quán)法，其中ck為第k項指標(biāo)的縮減(擴大)系數(shù)，它的選取使各項試驗指標(biāo)具有大致相同的數(shù)量級。

2 絲錐攻Ti－6Al－4V鈦合金的切削性能試驗設(shè)計

2.1 試驗攻絲參數(shù)的選取及方法

試驗用被加工板材選用Ti－6Al－4V鈦合金，板厚為12mm，絲錐材料選用HSS/Co－M35含鈷高速鋼M8普通螺紋用三槽(粗牙)絲錐，通孔加工。

以影響攻絲性能的絲錐全生命周期中絲錐前角(刀具設(shè)計參數(shù))、刃口鈍化半徑(刀具制造參數(shù))、主軸轉(zhuǎn)速(刀具使用參數(shù))3個主要因素為研究對象，采用3因素2水平的正交設(shè)計，選用L4(23)型正交表安排試驗。并通過分析扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max等多指標(biāo)試驗數(shù)據(jù)，確定出絲錐全生命周期各階段參數(shù)對攻絲性能影響的主次關(guān)系、各試驗因素的優(yōu)水平及試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 試驗多指標(biāo)模型

對已選擇的3種用于評價絲錐切削性能的指標(biāo)，由于被加工工件選用難加工材料Ti－6Al－4V鈦合金，其導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大，攻絲時絲錐—切屑表面和絲錐—工件材料表面會產(chǎn)生較高的切削溫度、較強的粘附力［6］，因此切削溫度max是在刀具選擇中首先考查的指標(biāo)，其對刀具性能的影響最大;扭矩max和軸向切削力max在刀具選擇的重要性基本一致，僅次于切削溫度max;且通過扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max3指標(biāo)衡量絲錐切削性能時，值都越小越好。因此，扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max等3個指標(biāo)的權(quán)值均為正值，即 w1=0.3，w2=0.3，w3=0.4。

3項指標(biāo)值量級相同，故取c1=c2=c3=1;由αk=ckwk，代入式(1)，得綜合評分為:

2.3 攻絲建模過程

由于在實際生產(chǎn)加工中對絲錐全生命周期各參數(shù)的改變歷時較長，因而本文利用Pro/E軟件建立絲錐的三維幾何模型，并完成絲錐前角［7－8］(刀具設(shè)計)和刃口鈍化半徑［9］(刀具制造)模型參數(shù)的改變，既節(jié)約成本又可提高攻絲工藝效率，如圖1所示;具體尺寸參數(shù)對照表2可知。

表2 M8普通螺紋用三槽絲錐(粗牙)尺寸

基于有限元CAE的金屬切削仿真軟件Advant-Edge FEM，對絲錐全生命周期即絲錐前角(刀具設(shè)計參數(shù))、刃口鈍化半徑(刀具制造參數(shù))和主軸轉(zhuǎn)速(刀具使用參數(shù))進行攻絲工藝優(yōu)化。HSS/Co－M35含鈷高速鋼絲錐攻Ti－6Al－4V鈦合金物理建模如圖2所示。

由于AdvantEdge FEM軟件的攻絲工藝中不具備標(biāo)準(zhǔn)刀具，需通過SETP格式導(dǎo)入在Pro/E軟件中建立的M8絲錐模型;同時工件尺寸設(shè)為(長×寬×高:20mm×20mm×12mm)，底孔直徑取6.9mm，鉆孔深度設(shè)為12mm即進行通孔攻絲。仿真時工件固定不動，刀具沿Z軸負方向運動。切削參數(shù)定義:主軸轉(zhuǎn)速(刀具使用參數(shù))取150和200 r/min。冷卻液的熱對流系數(shù)取250 kW/(m2·K)，初始溫度設(shè)為20℃，冷卻區(qū)域選擇浸入式。

2.4 試驗結(jié)果分析

改變絲錐全生命周期參數(shù)測得的扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max多指標(biāo)試驗結(jié)果分析如表3可知。

3 試驗?zāi)Ｐ涂煽啃缘尿炞C

在Harding GX－600加工中心進行M8高速鋼絲錐(未鈍化)攻Ti－6Al－4V鈦合金通孔攻絲試驗，切削液采用 30#機油3#煤油 1:1配比，攻絲速度取200 r/min，測力儀選用型號為9272A瑞士奇石樂Kistler牌測力儀，試驗用攻絲及測力裝置如圖3所示。

表3 多指標(biāo)試驗結(jié)果分析

3.1 通過扭矩值驗證模型的可靠性

試驗與模擬的扭矩值對比圖如圖4所示(為提高解算速度，模擬時間取4 s，即求解出扭矩max時停止)，由圖4a、b可知:試驗與模擬的扭矩值增大幅度基本吻合，扭矩max均在8 N·m左右。試驗獲得的扭矩值驗證了在AdvantEdge FEM軟件中建立的絲錐攻Ti－6Al－4V鈦合金模型的可靠性。

3.2 通過切屑形態(tài)及切削刃驗證模型的可靠性

切屑形態(tài)對比圖如圖5所示，由圖5b可知:攻絲開始時，切屑發(fā)生打卷變形;隨著扭矩的增大，切屑呈分散的細小鋸齒擠裂狀;對比攻絲試驗最終獲得的切屑形態(tài)圖5a可知，試驗與模擬的切屑形態(tài)基本吻合。

切削刃對比圖如圖6所示，由圖6a可知:絲錐切削刃口極易發(fā)生高溫集中現(xiàn)象，這是由于絲錐刃口在切屑的高溫高壓作用下溫度驟升，導(dǎo)致絲錐的刃口部分剝落，造成圖6b崩刃現(xiàn)象的發(fā)生。因此，攻鈦合金時常見的絲錐刃口損傷如崩刃現(xiàn)象，可以清晰、直觀地從AdvantEdge FEM軟件的絲錐切削刃溫度變化云圖中找到誘因。

因此，試驗獲得的切屑形態(tài)及切削刃崩刃現(xiàn)象再一次驗證了在AdvantEdge FEM軟件中建立的絲錐攻Ti－6Al－4V鈦合金模型的可靠性。

4 結(jié)語

考慮絲錐全生命周期參數(shù)對攻絲Ti－6Al－4V鈦合金切削性能的影響，影響因素由大到小依次為刃口鈍化半徑、主軸轉(zhuǎn)速、絲錐前角。綜合參考扭矩max、軸向切削力max和切削溫度max3項攻絲性能指標(biāo)，得到理想的攻Ti－6Al－4V鈦合金方案為絲錐前角取10°、刃口鈍化半徑取0.01mm、主軸轉(zhuǎn)速取150 r/min;同時，適當(dāng)增大絲錐前角，選擇較小的刃口鈍化半徑和合適的切削速度，可以有效提高絲錐全生命周期參數(shù)對攻絲性能的影響。

利用已驗證的可靠攻絲模型，可以獲得攻絲試驗過程中不易觀測到的絲錐切削刃溫度變化云圖，高效、便捷地為攻絲工藝研究提供有價值的工藝分析數(shù)據(jù);為研究絲錐全生命周期不同階段參數(shù)對絲錐壽命影響的定量分析提供了一種可行的方案。

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