基于SolidWorks的直槽絲錐數(shù)字化設(shè)計(jì)與模態(tài)仿真

摘" 要：直槽絲錐具有剛性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中，但其型號種類繁多，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)困難且繁瑣。基于SolidWorks三維CAD軟件，系統(tǒng)研究直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)與有限元模態(tài)仿真方法。詳細(xì)說明直槽絲錐的整體結(jié)構(gòu)、截面形狀以及絲錐牙型等，闡明容屑槽曲線各參數(shù)之間的關(guān)系，為直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐為例，采用SolidWorks軟件對其開展參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)絲錐結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)。在數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對直槽絲錐進(jìn)行模態(tài)仿真分析，預(yù)測其在切削過程中的振動行為，并獲取各階振型對應(yīng)的頻率，為絲錐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和切削參數(shù)調(diào)整提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，SolidWorks軟件在直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真中具有顯著優(yōu)勢，能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)精度。

關(guān)鍵詞：SolidWorks;直槽絲錐;數(shù)字化設(shè)計(jì);模態(tài)仿真;設(shè)計(jì)精度

中圖分類號：TG71" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0116-04

Abstract： Straight fluted taps have the advantages of good rigidity and strong versatility， and are widely used in manufacturing. However， they have a wide variety of models and complex geometric structures， making their design difficult and cumbersome. Based on SolidWorks 3D CAD software， the digital design and finite element modal simulation methods of straight fluted taps are systematically studied. The overall structure， cross-section shape and tap profile of the straight fluted tap are explained in detail， and the relationship between various parameters of the chip groove curve is clarified， laying a theoretical foundation for the digital design of the straight fluted tap. Taking the M6 thick shank common thread tap and the M12 thick thread tap as examples， parametric modeling was carried out using SolidWorks software to achieve accurate design of the tap structure. Based on the digital design， modal simulation analysis of the straight groove tap was carried out， its vibration behavior during the cutting process was predicted， and the corresponding frequencies of each vibration mode shape were obtained， which provided a theoretical basis for the structural optimization of the tap and the adjustment of cutting parameters. The research results show that SolidWorks software has significant advantages in the digital design and simulation of straight fluted taps， and can effectively shorten the design cycle and improve design accuracy.

Keywords： SolidWorks; straight fluted tap; digital design; modal simulation; design accuracy

絲錐作為內(nèi)螺紋加工的常用工具[1]，在機(jī)械加工、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，絲錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性以及幾何參數(shù)的合理性將直接影響內(nèi)螺紋加工的效率、精度和表面質(zhì)量。同時由于內(nèi)螺紋的型號繁多，需要開發(fā)不同規(guī)格的絲錐，且其自身幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，導(dǎo)致絲錐設(shè)計(jì)過程復(fù)雜而繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以SolidWorks為代表的三維CAD軟件，可以對絲錐開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模態(tài)等方面的有限元仿真，從而縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)精度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王廣洲等[2]在分析刀具切削刃截面幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用UG軟件對麻花鉆和立銑刀開展了數(shù)字化設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)時間。河南工學(xué)院的李云等[3]將Pro/E行為建模技術(shù)應(yīng)用于拉削式絲錐設(shè)計(jì)中，采用目標(biāo)驅(qū)動的方法得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。太原科技大學(xué)的付健巍等[4]借助Pro/E三維建模軟件對高速鋼絲錐進(jìn)行快速準(zhǔn)確的數(shù)字建模，有效地降低了試驗(yàn)成本。沈序康[5]采用SolidWorks軟件對絲錐進(jìn)行二次開發(fā)，解決了絲錐設(shè)計(jì)中復(fù)雜的參數(shù)化建模難題，提高了設(shè)計(jì)效率。河北建筑工程學(xué)院的劉春東等[6]運(yùn)用SolidWorks軟件提供的API函數(shù)和二次開發(fā)環(huán)境對成形銑刀進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)開發(fā)，有效降低了設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

綜上所述，利用SolidWorks等三維CAD軟件對絲錐開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，并在基礎(chǔ)模型上進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的修改，就能獲得不同規(guī)格的絲錐模型，從而減少重復(fù)性工作，提高設(shè)計(jì)效率和精度，為后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)改進(jìn)提供依據(jù)。

1" 直槽絲錐的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)

1.1" 直槽絲錐的整體結(jié)構(gòu)

直槽絲錐具有通用性強(qiáng)、加工穩(wěn)定、切削性能好以及成本較低等特點(diǎn)，在螺紋加工領(lǐng)域具有重要地位。直槽絲錐的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工作部分和柄部2部分組成。工作部分主要包括切削部分和校準(zhǔn)部分。切削部分直接與工件接觸，通過旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動去除材料，形成螺紋的基本形狀。校準(zhǔn)部分則位于切削部分之后，用于修正和校準(zhǔn)已切削的螺紋表面，確保螺紋的精度和表面質(zhì)量。直槽絲錐的柄部通常設(shè)計(jì)有方便夾持和傳遞力矩的結(jié)構(gòu)，如方形或六角形等，從而確保絲錐在加工過程中穩(wěn)定可靠地固定在機(jī)床或手持工具上。

1.2" 直槽絲錐的截面形狀

絲錐的截面形狀通常呈現(xiàn)為類圓形或多邊形特征，具體形狀取決于容屑槽、切削刃、錐心等因素的綜合作用。容屑槽的設(shè)計(jì)使得切削過程中產(chǎn)生的碎屑能夠順利排出，避免堵塞和增加切削阻力。切削刃則負(fù)責(zé)實(shí)際的切削工作，其形狀和角度對切削性能有著直接影響。其中絲錐的容屑槽輪廓曲線是絲錐設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到切削屑的排出效率、切削過程的穩(wěn)定性以及絲錐的使用壽命。容屑槽型設(shè)計(jì)受到絲錐槽數(shù)N、錐心直徑d4、刃寬度m、前角γp、刃背角η等因素的影響[7]。

常見的絲錐容屑槽型有多種形式，如圓弧槽型，容屑槽由一段或多段圓弧構(gòu)成，這種形狀簡單，但排屑性能有限。此外還有直線與圓弧組合槽型，由多條直線和圓弧組合而成，如兩條直線和一段圓弧構(gòu)成，或兩段圓弧和一條直線構(gòu)成。其中由兩段圓弧和一段直線構(gòu)成的槽型，可以通過調(diào)整圓弧的曲率半徑與直線段的長度來實(shí)現(xiàn)對切削前角的優(yōu)化調(diào)整，且排屑性能良好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種槽型曲線。圖2為絲錐的槽型曲線，該曲線由兩段圓弧和一段直線構(gòu)成，公式（1）給出了R1、R2、h1三者之間關(guān)系，各部分參數(shù)的取值也可以在表1[7]中選取。

1.3" 絲錐的牙型

螺紋可分為公制螺紋、英制螺紋、管螺紋等多種類型，也會有與之相對應(yīng)的絲錐牙型。其中公制螺紋是一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格系列化、互換性好的螺紋，應(yīng)用最為廣泛。常用的公制螺紋為牙型角60°的普通螺紋。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 192—2003《普通螺紋 基本牙型》規(guī)定中給出了普通螺紋基本牙型[8]，如圖3所示，螺紋的中徑和小徑可按照公式（2）求得。

2" 直槽絲錐數(shù)字化設(shè)計(jì)

直槽絲錐的型號種類繁多，按驅(qū)動方式可分為手用絲錐和機(jī)用絲錐等;按螺紋的牙型可分為粗牙絲錐和細(xì)牙絲錐等;按螺紋的規(guī)格型式可分為普通螺紋絲錐、管螺紋絲錐、螺母絲錐等;按夾持部分的樣式可分為粗柄絲錐和細(xì)柄絲錐、長柄絲錐和短柄絲錐、有頸絲錐和無頸絲錐等[9]。為便于對直槽絲錐開展數(shù)字化設(shè)計(jì)，可在每種類型的絲錐系列中選取某個型號的絲錐作為基礎(chǔ)模型開展參數(shù)化建模，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的修改，就可以獲得其他規(guī)格的絲錐模型。這里分別以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行建模，其結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)見表2。

以M12粗牙普通螺紋絲錐為例來說明具體的建模過程。①創(chuàng)建絲錐的整體結(jié)構(gòu)：根據(jù)直槽絲錐的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制草圖，通過旋轉(zhuǎn)凸臺、倒角等命令生成絲錐整體特征，如圖4（a）所示。②創(chuàng)建絲錐的截面特征：根據(jù)絲錐的截面參數(shù)構(gòu)建容屑槽曲線，將容屑槽曲線沿以直線和圓弧構(gòu)成的引導(dǎo)線進(jìn)行掃描切除，最后圓周陣列，即可獲得絲錐的截面特征，如圖4（b）所示。③創(chuàng)建螺紋特征：繪制螺距P=1.75 mm的螺旋線和普通螺紋牙型草圖，將牙型草圖沿螺旋線進(jìn)行掃描切除，生成螺紋特征，如圖4（c）所示。④創(chuàng)建切削錐角：設(shè)定切削錐角的長度參數(shù)l5=4P，通過旋轉(zhuǎn)切除命令生成切削錐角，如圖4（d）所示。⑤創(chuàng)建其他幾何特征：運(yùn)用拉伸、掃描、倒角等建模命令，依次構(gòu)建傳動方頭、鏟背等結(jié)構(gòu)特征，最終生成M12粗牙普通螺紋絲錐的精確模型，如圖4（e）所示。圖5為M6直粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐，其創(chuàng)建方法與M12絲錐相似，不再贅述。

3" 直槽絲錐模態(tài)仿真

絲錐在攻螺紋的過程中，受切削力變化、機(jī)床-刀具-工件系統(tǒng)剛性、切削參數(shù)匹配度、夾持方式等因素的影響，會產(chǎn)生振動。當(dāng)絲錐的固有頻率與機(jī)床-刀具-工件組成系統(tǒng)的振動頻率接近時，便會發(fā)生共振現(xiàn)象[10]。共振的產(chǎn)生會導(dǎo)致切削精度的下降，甚至損壞絲錐刀具。因此，在完成直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)后，需要對其進(jìn)行模態(tài)仿真，預(yù)測絲錐在切削過程中的振動行為，進(jìn)而對絲錐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其抗振性能和切削穩(wěn)定性，輔助工藝人員調(diào)整切削參數(shù)。參照GB/T 969—2007《絲錐技術(shù)條件》的規(guī)定，選用絲錐的材料為W6Mo5Cr4V2高速鋼，對M6和M12的直槽絲錐開展模態(tài)仿真。各振型對應(yīng)的頻率見表3、表4，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

4" 結(jié)束語

1）本文對直槽絲錐的整體結(jié)構(gòu)、截面形狀以及絲錐牙型進(jìn)行了詳細(xì)說明，闡明了容屑槽曲線各參數(shù)之間的關(guān)系，為直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2）以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐為例開展參數(shù)化建模，詳細(xì)闡明了直槽絲錐的數(shù)字化設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步證明了SolidWorks軟件在絲錐設(shè)計(jì)過程中，能夠有效減少重復(fù)性工作，提高設(shè)計(jì)效率。

3）在直槽絲錐數(shù)字化設(shè)計(jì)完成后，采用SolidWorks的simulation模塊對其開展模態(tài)仿真，能夠有效驗(yàn)證絲錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

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