李小明 羅曉渭 李佳樂 陳 峙 閆獻(xiàn)國(guó) 李 龍

（1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院 環(huán)境工程與技術(shù)研究所，太原 030006；2太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030027）

隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，其在民用核設(shè)施設(shè)備、核軍工以及航空航天等領(lǐng)域中得到了廣范應(yīng)用。材料機(jī)械加工過程中，部分刀具尤其是絲錐存在切削效率低、使用壽命短等。絲錐作為一種多刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刀具，通過AdvantEdge軟件進(jìn)行絲錐攻絲仿真，可以獲取絲錐每個(gè)切削刀的力學(xué)性能指標(biāo)，如扭矩、切削力和溫度云圖等。

不銹鋼材料是一種典型難加工材料，其中316L奧氏體不銹鋼具備韌性好、可塑性強(qiáng)、耐腐蝕性能高等優(yōu)點(diǎn)，故在民用核設(shè)施設(shè)備、核軍工以及航空航天等領(lǐng)域得到廣范應(yīng)用[1]。本文主要對(duì)攻絲過程展開研究，有效地將絲錐切削仿真和試驗(yàn)融合，用以獲得絲錐在不銹鋼等難加工材料上進(jìn)行螺紋孔攻絲時(shí)的整體切削性能，進(jìn)而進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到螺紋孔加工最優(yōu)切削參數(shù)。

1 AdvantEdge攻絲物理模型的建立

1.1 攻絲仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文針對(duì)不同類型的絲錐在進(jìn)行加工時(shí)切削參數(shù)改變所引起攻絲溫度、扭矩、軸向力等的變化規(guī)律及具體原因展開研究，選用了單因素試驗(yàn)法，在充分分析仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出合理選擇攻絲切削參數(shù)的思路，為后續(xù)其他材料加工提供數(shù)據(jù)和方法支持[2]。根據(jù)《刀具材料和刀具的選用》手冊(cè)中所列出絲錐的結(jié)構(gòu)、相應(yīng)切削參數(shù)及推薦參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)用機(jī)床性能制定并實(shí)施了六組切削試驗(yàn)[3]。

1.2 AdvantEdge攻絲切削參數(shù)及仿真定義

根據(jù)整體試驗(yàn)方案安排，將毛坯基材設(shè)定為316L奧氏體不銹鋼，尺寸為20mm×20mm×12mm。使用Proe軟件建立工件毛坯和絲錐的物理模型，根據(jù)刀具手冊(cè)設(shè)置底孔直徑為6.8mm，采用通孔攻絲，絲錐材料選用HSS-M2，螺距為1.25mm。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)劃分等級(jí)為0.5，最小網(wǎng)格0.1，進(jìn)而建立刀具和工件的物理模型。

對(duì)切削模型進(jìn)行定義，設(shè)置工藝類型為右旋，從入口處攻絲，對(duì)流系數(shù)為250kW/（m2·K）；切削刃的最小邊長(zhǎng)lmin為0.025mm；切屑最小單元邊lmin為0.0326mm；切削刃細(xì)化半徑r為0.06mm。

2 316L不銹鋼攻絲過程有限元模擬

通過相關(guān)軟件完成直槽絲錐攻絲、螺旋槽絲錐攻絲和螺尖絲錐攻絲三類有限元模擬，并對(duì)三種類型絲錐攻絲仿真最大扭矩、軸向力、溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析比較，得出在試驗(yàn)所選取轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速與最大軸向力及扭矩的關(guān)系。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速不斷加快時(shí)，三種不同類型絲錐在攻絲時(shí)產(chǎn)生的最大切削溫度總體都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大扭矩總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；在主軸低轉(zhuǎn)速較低且速度達(dá)到320r/min時(shí)，扭矩達(dá)到最大值，超過320r/min后攻絲扭矩下降；而在最大軸向力方面，直槽絲錐和螺尖絲錐均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，且在速度達(dá)到320r/min時(shí)最大軸向力達(dá)到最大值，然后攻絲軸向力開始下降，在轉(zhuǎn)速為240～280r/min時(shí)，螺旋槽絲錐最大軸向力增速明顯，320r/min時(shí)達(dá)到最大，且在280～380r/min區(qū)間變化波動(dòng)較小，然后攻絲最大軸向力逐漸下降。

3 316L不銹鋼攻絲扭矩試驗(yàn)

通過對(duì)比仿真與實(shí)際攻絲過程中扭矩值大小，可以驗(yàn)證出切削仿真過程中獲取數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。使用AdvantEdge的后處理器Tecplot，將模擬仿真中所獲得數(shù)據(jù)擬合為對(duì)應(yīng)曲線，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果最大扭矩值出現(xiàn)了較大偏差，故使用相同試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)方案中要求其他切削參數(shù)逐一進(jìn)行驗(yàn)證，通過扭矩變化情況對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步符合驗(yàn)證。

4 結(jié)果與分析

通過對(duì)比三種絲錐在在不同切削參數(shù)下的切削性能，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)絲錐的切削性能差異較大，均有優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行攻絲過程中，螺尖絲錐所受到軸向力和最大扭矩值最小，故在加工過程中所產(chǎn)生切削溫度最低，其次為螺旋槽絲錐。通過對(duì)比三種絲錐在轉(zhuǎn)速變化對(duì)扭矩值的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過380r/min時(shí)，三類絲錐扭矩值均呈下降趨勢(shì)，結(jié)合機(jī)械加工相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，判斷產(chǎn)生這種變化的原因是絲錐出現(xiàn)了切削粘結(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)速不大于320r/min時(shí)，粘結(jié)不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速接近380r/min時(shí)，切削粘結(jié)現(xiàn)象變的明顯，致使刀具切削刃圓弧半徑快速增大，扭矩隨之快速上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過380r/min后，粘結(jié)現(xiàn)象會(huì)稍微好轉(zhuǎn)，攻絲扭矩有所降低。最終得到攻絲仿真與試驗(yàn)所得扭矩對(duì)比曲線圖如圖1所示。

由圖1可知，在設(shè)定選轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，機(jī)床試驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件仿真計(jì)算數(shù)據(jù)扭矩變化趨勢(shì)一致，均呈先增大后減小趨勢(shì)；當(dāng)絲錐轉(zhuǎn)速超出設(shè)定范圍后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件仿真計(jì)算數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯偏差。

圖1 不同模型攻絲仿真與試驗(yàn)所得扭矩對(duì)比

另外，從圖1中的數(shù)據(jù)分析可以看出，直槽絲錐試驗(yàn)值與仿真值誤差最大，誤差均值為2.9N·m；螺尖絲錐次之，誤差均值為2.74N·m；而螺旋槽絲錐誤差最小，誤差均值為0.71N·m，在允許范圍之內(nèi)。此外給定區(qū)間內(nèi)試驗(yàn)值和仿真值最大扭矩值隨轉(zhuǎn)速增加的變化趨勢(shì)一致，可見通過軟件所建立的三維切削模型及模擬計(jì)算是可靠的。

5 結(jié)論

（1）在絲錐攻絲過程時(shí)，所發(fā)生的不同程度粘結(jié)磨損與所選用絲錐結(jié)構(gòu)本身沒有因果關(guān)系，與不銹鋼材料本身的加工易粘結(jié)特性有關(guān)，所以在進(jìn)行切削參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)提高轉(zhuǎn)速，通過減小加工中最大扭矩來改善加工水平；

（2）對(duì)比不同絲錐在相同切削參數(shù)攻絲下的工況可知，加工過程穩(wěn)定性由高到低依次為：螺旋槽絲錐＞螺尖絲錐＞直槽絲錐。

（3）在對(duì)三類絲錐攻絲仿真、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，絲錐在316L奧氏體不銹鋼基材上攻絲時(shí)，選用螺旋槽絲錐并設(shè)定切削參數(shù)為380～440r/min時(shí)，刀具加工性能最好；進(jìn)行通孔加工時(shí)應(yīng)使用螺尖絲錐，并且當(dāng)切削參數(shù)在320～380r/min范圍時(shí)刀具性能最佳；進(jìn)行盲孔加工時(shí)應(yīng)使用直槽絲錐的方法，且切削參數(shù)在240～280r/min范圍時(shí)刀具性能最佳。