基于AdvantEdge的不锈钢攻丝过程切削参数优化

李小明 罗晓渭 李佳乐 陈 峙 闫献国 李 龙

（1.中国辐射防护研究院 环境工程与技术研究所，太原 030006；2太原科技大学 机械工程学院，太原 030027）

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AdvantEdge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。

不锈钢材料是一种典型难加工材料，其中316L奥氏体不锈钢具备韧性好、可塑性强、耐腐蚀性能高等优点，故在民用核设施设备、核军工以及航空航天等领域得到广范应用[1]。本文主要对攻丝过程展开研究，有效地将丝锥切削仿真和试验融合，用以获得丝锥在不锈钢等难加工材料上进行螺纹孔攻丝时的整体切削性能，进而进行切削参数优化设计，得到螺纹孔加工最优切削参数。

1 AdvantEdge攻丝物理模型的建立

1.1 攻丝仿真试验方案设计

本文针对不同类型的丝锥在进行加工时切削参数改变所引起攻丝温度、扭矩、轴向力等的变化规律及具体原因展开研究，选用了单因素试验法，在充分分析仿真数据和实验数据的基础上，提出合理选择攻丝切削参数的思路，为后续其他材料加工提供数据和方法支持[2]。根据《刀具材料和刀具的选用》手册中所列出丝锥的结构、相应切削参数及推荐参数，根据实验用机床性能制定并实施了六组切削试验[3]。

1.2 AdvantEdge攻丝切削参数及仿真定义

根据整体试验方案安排，将毛坯基材设定为316L奥氏体不锈钢，尺寸为20mm×20mm×12mm。使用Proe软件建立工件毛坯和丝锥的物理模型，根据刀具手册设置底孔直径为6.8mm，采用通孔攻丝，丝锥材料选用HSS-M2，螺距为1.25mm。在进行网格划分时划分等级为0.5，最小网格0.1，进而建立刀具和工件的物理模型。

对切削模型进行定义，设置工艺类型为右旋，从入口处攻丝，对流系数为250kW/（m2·K）；切削刃的最小边长lmin为0.025mm；切屑最小单元边lmin为0.0326mm；切削刃细化半径r为0.06mm。

2 316L不锈钢攻丝过程有限元模拟

通过相关软件完成直槽丝锥攻丝、螺旋槽丝锥攻丝和螺尖丝锥攻丝三类有限元模拟，并对三种类型丝锥攻丝仿真最大扭矩、轴向力、温度变化趋势进行分析比较，得出在试验所选取转速范围内，主轴转速与最大轴向力及扭矩的关系。经对比发现在转速不断加快时，三种不同类型丝锥在攻丝时产生的最大切削温度总体都呈现上升趋势，最大扭矩总体呈现先增大后减小的趋势；在主轴低转速较低且速度达到320r/min时，扭矩达到最大值，超过320r/min后攻丝扭矩下降；而在最大轴向力方面，直槽丝锥和螺尖丝锥均呈现先上升后下降趋势，且在速度达到320r/min时最大轴向力达到最大值，然后攻丝轴向力开始下降，在转速为240～280r/min时，螺旋槽丝锥最大轴向力增速明显，320r/min时达到最大，且在280～380r/min区间变化波动较小，然后攻丝最大轴向力逐渐下降。

3 316L不锈钢攻丝扭矩试验

通过对比仿真与实际攻丝过程中扭矩值大小，可以验证出切削仿真过程中获取数据是否准确。使用AdvantEdge的后处理器Tecplot，将模拟仿真中所获得数据拟合为对应曲线，并对试验数据和仿真数据进行符合性对比，发现当试验数据与仿真结果最大扭矩值出现了较大偏差，故使用相同试验方法对试验方案中要求其他切削参数逐一进行验证，通过扭矩变化情况对仿真结果进行进一步符合验证。

4 结果与分析

通过对比三种丝锥在在不同切削参数下的切削性能，发现不同结构丝锥的切削性能差异较大，均有优缺点。在进行攻丝过程中，螺尖丝锥所受到轴向力和最大扭矩值最小，故在加工过程中所产生切削温度最低，其次为螺旋槽丝锥。通过对比三种丝锥在转速变化对扭矩值的影响时发现，当转速超过380r/min时，三类丝锥扭矩值均呈下降趋势，结合机械加工相关经验，判断产生这种变化的原因是丝锥出现了切削粘结，当转速不大于320r/min时，粘结不明显；当转速接近380r/min时，切削粘结现象变的明显，致使刀具切削刃圆弧半径快速增大，扭矩随之快速上升；当转速超过380r/min后，粘结现象会稍微好转，攻丝扭矩有所降低。最终得到攻丝仿真与试验所得扭矩对比曲线图如图1所示。

由图1可知，在设定选转速区间内，机床试验数据与软件仿真计算数据扭矩变化趋势一致，均呈先增大后减小趋势；当丝锥转速超出设定范围后，试验数据与软件仿真计算数据出现明显偏差。

图1 不同模型攻丝仿真与试验所得扭矩对比

另外，从图1中的数据分析可以看出，直槽丝锥试验值与仿真值误差最大，误差均值为2.9N·m；螺尖丝锥次之，误差均值为2.74N·m；而螺旋槽丝锥误差最小，误差均值为0.71N·m，在允许范围之内。此外给定区间内试验值和仿真值最大扭矩值随转速增加的变化趋势一致，可见通过软件所建立的三维切削模型及模拟计算是可靠的。

5 结论

（1）在丝锥攻丝过程时，所发生的不同程度粘结磨损与所选用丝锥结构本身没有因果关系，与不锈钢材料本身的加工易粘结特性有关，所以在进行切削参数选择时应提高转速，通过减小加工中最大扭矩来改善加工水平；

（2）对比不同丝锥在相同切削参数攻丝下的工况可知，加工过程稳定性由高到低依次为：螺旋槽丝锥＞螺尖丝锥＞直槽丝锥。

（3）在对三类丝锥攻丝仿真、试验结果进行对比后发现，丝锥在316L奥氏体不锈钢基材上攻丝时，选用螺旋槽丝锥并设定切削参数为380～440r/min时，刀具加工性能最好；进行通孔加工时应使用螺尖丝锥，并且当切削参数在320～380r/min范围时刀具性能最佳；进行盲孔加工时应使用直槽丝锥的方法，且切削参数在240～280r/min范围时刀具性能最佳。