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高速钢丝锥攻铝合金的参数优化

工具技术 2021-05-03 13:36:39

丝锥的特点是切削环境差,形式固定,切削效率低,而高速钢丝锥因具有良好的强韧性在攻丝刀具中仍不可替代。因此,通过有限元软件对高速钢丝锥的模型进行参数优化来改善丝锥切削性能显得尤为重要。国内学者对丝锥以及金属切削领域做了一些研究,闫献国等从丝锥的刃口钝化技术和高速钢丝锥深冷处理技术对丝锥的切削性能进行了研究,韩荣第、程龙等通过对丝锥的齿形进行修正来提高丝锥攻丝性能,刘战强等研究了高速切削中工件和切屑的变化规律,揭示了不同切削速度下产生不同切屑形态的切削机理,彭菲等从丝锥的全生命周期参数来研究丝锥攻丝性能。以上研究均未对高速钢丝锥加工某种特定类型材料时的设计参数与使用参数进行优化,因此本文采用正交试验设计法,通过三维仿真软件对高速钢丝锥加工低密度、高强度材料(以铝合金为例)时的切削过程进行数值模拟及丝锥参数优化,以得到丝锥切削铝合金的具体模型。

1  试验方案设计

试验采用多指标正交试验设计法。正交设计是多因素的优化试验设计方法,从全部试验的样本点中挑选出部分有代表性的样本点作为试验点,通过对这些少数试验方案的试验结果进行统计分析,得到优化的试验方案。通常情况下,丝锥的质量特性需要多个指标来描述,而每一个试验的水平和因素对丝锥质量特性的评价指标的权重比并不相等,且指标间有一定的关联性,可能在其中一项指标得到优化的同时另一项指标则不在最优值范围内。因此,分析丝锥攻丝性能的试验结果应当综合考虑试验的每一项评价指标,寻找尽可能使各个评价指标都在最佳状态的丝锥模型。

研究的因素包括丝锥前角、锥角以及主轴转速(见表1)。

表1  因素水平表

将攻丝过程中的扭矩、轴向切削力及温度三项指标的最大值作为攻丝性能的评价指标,并且通过适当的评分公式将多指标的正交优化问题转化为单指标问题来解决。评分公式为   

(1)

由于不同的指标对攻丝性能评价的重要性不同,因此在评分算法中最重要的是确定各指标的权重比。在切削过程中,攻丝环境封闭,切削产生的切屑不能及时将热量带走,使得攻丝产生的切削热主要聚集在切屑最底部,所以攻丝温度的升高对工件被加工区域的剪切强度影响很大,从而影响丝锥的摩擦系数,同时,随着切削区域温度的升高,被加工的铝合金材料极易变形,严重影响螺纹精度。因此切削产生的热量对攻丝性能的影响较大,扭矩及轴向切削力对攻丝性能的影响基本一致,且这三个指标的最大值越小切削性能越好。故温度、扭矩及轴向切削力的权值应取α1=0.5、α2=0.3、α3=0.2,则综合评分公式为 

(2)

2  试验模型建立与结果分析

(1) M8普通螺纹三槽粗牙丝锥建模

由于丝锥的形状复杂,AdvantEdge FEM刀具库中没有标准丝锥参数定义,需通过三维建模软件将完整的丝锥三维模型保存为STEP文件后导入AdvantEdge FEM。M8丝锥基本尺寸见表2。

表2  M8粗牙普通螺纹丝锥基本尺寸

通过拉伸命令对丝锥棒料进行建模,螺旋扫描切除丝锥螺纹部分如图1a所示;丝锥采用标准容屑槽,运用扫描切口命令对容屑槽进行建模,阵列得到其余三个容屑槽(见图1b);丝锥切削锥长5p,通过旋转切除命令对丝锥锥角进行建模(见图1c);通过阿基米德齿背曲线及M8丝锥的铲磨量计算曲线方程中的参数得出M8丝锥阿基米德齿背曲线方程为ρ=4-0.42θ,根据齿背曲线切除后角(见图1d)。完整的M8丝锥三维模型见图2。

(2) 建立攻丝模型

刀具材料:HSS-M2;工件材料:319铝合金;攻丝仿真软件:AdvantEdge FEM。

选用M8普通螺纹三槽粗牙丝锥,将丝锥三维模型导入AdvantEdge FEM中,同时建立标准工件,其尺寸为15mm×15mm×10mm,工件底孔直径6.8mm,通孔攻丝,丝锥切削锥全部攻透工件时停止。确定加工类型为右旋从入口处攻丝,主轴转速为900/1100/1300r/min,冷却液热对流系数250kW/(m2·K),初始温度20℃,冷却区域选择浸入式。切屑最小单元边长为0.0326mm,切削刃最小单元边长为0.025mm,切削刃细化半径为0.06mm,网格细化因子为1,设定完成后的物理模型及切削所得的温度、扭矩和轴向力曲线见图3。


图1  M8丝锥三维建模过程


图2  M8丝锥三维模型


(a)物理模型


(b)温度曲线


(c)扭矩曲线


(d)轴向力曲线

图3  攻丝物理模型与数据曲线

(3) 试验结果与分析

根据多指标正交试验设计的高速钢攻铝合金L9(34)结果分析表见表3。

表3  正交试验结果分析表

试验的三个指标(温度、扭矩、轴向力)均越小越好,所以应该选择三个因素(前角、锥角、主轴转速)的k1、k2、k3中最小值对应的水平(见图4)。

前角因素列:k1<k2<k3

锥角因素列:k1<k2<k3

主轴转速因素列:k1<k2<k3

根据多指标试验的综合评分公式,将试验得到的多指标结果转换成单一的综合评分分数。由上述分析可知,影响丝锥攻丝性能的因素为:锥角>主轴转速>前角(即B>C>A),最优方案为:前角10°、锥角8°、主轴转速900r/min(即A1B1C1)。考虑到高速钢丝锥攻铝合金时设计参数与使用参数对切削性能的影响主次顺序为:丝锥锥角、主轴转速、丝锥前角,即丝锥的前角为10°、锥角为8°、主轴转速为900r/min时,加工铝合金的性能最佳。


(a)前角


(b)锥角


(c)主轴转速

图4  不同因素对丝锥攻丝性能的影响曲线

小结

通过三维建模软件,选择丝锥设计时的前角、锥角对丝锥进行三维建模。综合考虑攻丝的主轴转速和温度、扭矩及轴向切削力这三个指标的最大值,得到影响高速钢丝锥攻铝合金时切削性能的因素影响主次顺序为丝锥锥角、主轴转速、丝锥前角。最佳锥攻铝合金的方案为:丝锥的前角为10°、锥角为8°、主轴转速为900r/min。

通过三维切削软件AdvantEdge FEM,可清晰地观察到刀—屑接触区的温度梯度变化云图,为研究切削温度对丝锥寿命的影响提供了理论依据,也为今后攻丝工艺方案的确定提供了数据支撑。

原载《工具技术》    作者:赵晓红