丝锥全生命周期参数对攻丝性能影响的研究*

彭 菲 郭 宏 闫献国 李俊吉

(太原科技大学，山西 太原 030024)

刀具全生命周期，是指涵盖刀具从需求的确定到刀具的设计、制造、使用(切削)、维护和报废等阶段在内的全部过程。

以丝锥(一种常用加工内螺纹刀具)为例，由于其本身的设计、制造过程复杂，使用时加工条件恶劣，切削效率低下;因而对丝锥全生命周期各阶段参数进行优化，可以明显改善攻丝的切削性能指标。为此，国内开展了相关研究:韩荣第等通过改变丝锥的几何(设计)参数，提高了丝锥攻高温合金GH4169的切削性能［1］。贾秀杰等从刀具的制造工艺方面研究了刀具钝化技术对刀具切削性能具有积极意义［2］。闫献国也从丝锥的深冷处理和刃口钝化技术等新制造工艺方面研究了其对丝锥寿命的影响［3］。李茂伟等则从刀具使用的角度研究了铣削过程中不同切深和主轴转速对刀具切削力的影响［4］。以上研究均对刀具全生命周期中某个阶段的参数进行优化，并未将刀具全生命周期各阶段参数作为一个整体考虑进行优化。

本文采用正交试验法，对丝锥全生命周期即丝锥前角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)和主轴转速(刀具使用参数)进行试验设计，并对改变以上3因素下攻丝数据进行极差分析，利用综合评分法将3个攻丝性能指标即扭矩max、轴向切削力max和切削温度max转化为单一的综合切削性能指标y*i再进行计算分析，确定出试验因素的主次、各试验因素的优水平及试验范围内的最优组合，提供了1种丝锥全生命周期参数对攻丝性能影响的定量分析方法。

1 多指标正交试验设计模型

正交试验设计是目前最常用的工艺优化试验设计方法，即挑选出有代表性的试验点进行试验，是利用部分试验代替全面试验的高效处理多因素优化问题的科学计算方法［5］。多指标正交试验设计就是在正交试验设计的基础上，通过2个或者更多个指标来衡量其试验效果，其中综合评分法就是多指标试验结果分析方法中最常用的分析方法。将各指标转化为“综合评分”的一般公式为

式中:y*i表示第i号试验的综合评分;αk为转化系数，即将第k项指标转化为综合评分的系数。若wk表示第k项试验指标的权值，则当αk=ckwk时，称为直接加权法，其中ck为第k项指标的缩减(扩大)系数，它的选取使各项试验指标具有大致相同的数量级。

2 丝锥攻Ti－6Al－4V钛合金的切削性能试验设计

2.1 试验攻丝参数的选取及方法

试验用被加工板材选用Ti－6Al－4V钛合金，板厚为12mm，丝锥材料选用HSS/Co－M35含钴高速钢M8普通螺纹用三槽(粗牙)丝锥，通孔加工。

以影响攻丝性能的丝锥全生命周期中丝锥前角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)、主轴转速(刀具使用参数)3个主要因素为研究对象，采用3因素2水平的正交设计，选用L4(23)型正交表安排试验。并通过分析扭矩max、轴向切削力max和切削温度max等多指标试验数据，确定出丝锥全生命周期各阶段参数对攻丝性能影响的主次关系、各试验因素的优水平及试验范围内的最优组合。因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 试验多指标模型

对已选择的3种用于评价丝锥切削性能的指标，由于被加工工件选用难加工材料Ti－6Al－4V钛合金，其导热系数小、化学活性大，攻丝时丝锥—切屑表面和丝锥—工件材料表面会产生较高的切削温度、较强的粘附力［6］，因此切削温度max是在刀具选择中首先考查的指标，其对刀具性能的影响最大;扭矩max和轴向切削力max在刀具选择的重要性基本一致，仅次于切削温度max;且通过扭矩max、轴向切削力max和切削温度max3指标衡量丝锥切削性能时，值都越小越好。因此，扭矩max、轴向切削力max和切削温度max等3个指标的权值均为正值，即 w1=0.3，w2=0.3，w3=0.4。

3项指标值量级相同，故取c1=c2=c3=1;由αk=ckwk，代入式(1)，得综合评分为:

2.3 攻丝建模过程

由于在实际生产加工中对丝锥全生命周期各参数的改变历时较长，因而本文利用Pro/E软件建立丝锥的三维几何模型，并完成丝锥前角［7－8］(刀具设计)和刃口钝化半径［9］(刀具制造)模型参数的改变，既节约成本又可提高攻丝工艺效率，如图1所示;具体尺寸参数对照表2可知。

表2 M8普通螺纹用三槽丝锥(粗牙)尺寸

基于有限元CAE的金属切削仿真软件Advant-Edge FEM，对丝锥全生命周期即丝锥前角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)和主轴转速(刀具使用参数)进行攻丝工艺优化。HSS/Co－M35含钴高速钢丝锥攻Ti－6Al－4V钛合金物理建模如图2所示。

由于AdvantEdge FEM软件的攻丝工艺中不具备标准刀具，需通过SETP格式导入在Pro/E软件中建立的M8丝锥模型;同时工件尺寸设为(长×宽×高:20mm×20mm×12mm)，底孔直径取6.9mm，钻孔深度设为12mm即进行通孔攻丝。仿真时工件固定不动，刀具沿Z轴负方向运动。切削参数定义:主轴转速(刀具使用参数)取150和200 r/min。冷却液的热对流系数取250 kW/(m2·K)，初始温度设为20℃，冷却区域选择浸入式。

2.4 试验结果分析

改变丝锥全生命周期参数测得的扭矩max、轴向切削力max和切削温度max多指标试验结果分析如表3可知。

3 试验模型可靠性的验证

在Harding GX－600加工中心进行M8高速钢丝锥(未钝化)攻Ti－6Al－4V钛合金通孔攻丝试验，切削液采用 30#机油3#煤油 1:1配比，攻丝速度取200 r/min，测力仪选用型号为9272A瑞士奇石乐Kistler牌测力仪，试验用攻丝及测力装置如图3所示。

表3 多指标试验结果分析

3.1 通过扭矩值验证模型的可靠性

试验与模拟的扭矩值对比图如图4所示(为提高解算速度，模拟时间取4 s，即求解出扭矩max时停止)，由图4a、b可知:试验与模拟的扭矩值增大幅度基本吻合，扭矩max均在8 N·m左右。试验获得的扭矩值验证了在AdvantEdge FEM软件中建立的丝锥攻Ti－6Al－4V钛合金模型的可靠性。

3.2 通过切屑形态及切削刃验证模型的可靠性

切屑形态对比图如图5所示，由图5b可知:攻丝开始时，切屑发生打卷变形;随着扭矩的增大，切屑呈分散的细小锯齿挤裂状;对比攻丝试验最终获得的切屑形态图5a可知，试验与模拟的切屑形态基本吻合。

切削刃对比图如图6所示，由图6a可知:丝锥切削刃口极易发生高温集中现象，这是由于丝锥刃口在切屑的高温高压作用下温度骤升，导致丝锥的刃口部分剥落，造成图6b崩刃现象的发生。因此，攻钛合金时常见的丝锥刃口损伤如崩刃现象，可以清晰、直观地从AdvantEdge FEM软件的丝锥切削刃温度变化云图中找到诱因。

因此，试验获得的切屑形态及切削刃崩刃现象再一次验证了在AdvantEdge FEM软件中建立的丝锥攻Ti－6Al－4V钛合金模型的可靠性。

4 结语

考虑丝锥全生命周期参数对攻丝Ti－6Al－4V钛合金切削性能的影响，影响因素由大到小依次为刃口钝化半径、主轴转速、丝锥前角。综合参考扭矩max、轴向切削力max和切削温度max3项攻丝性能指标，得到理想的攻Ti－6Al－4V钛合金方案为丝锥前角取10°、刃口钝化半径取0.01mm、主轴转速取150 r/min;同时，适当增大丝锥前角，选择较小的刃口钝化半径和合适的切削速度，可以有效提高丝锥全生命周期参数对攻丝性能的影响。

利用已验证的可靠攻丝模型，可以获得攻丝试验过程中不易观测到的丝锥切削刃温度变化云图，高效、便捷地为攻丝工艺研究提供有价值的工艺分析数据;为研究丝锥全生命周期不同阶段参数对丝锥寿命影响的定量分析提供了一种可行的方案。

［1］韩荣第，唐艳丽.修正齿丝锥攻丝成形原理仿真及其试验研究［J］.工具技术，2005，39(4):23 －26.

［2］贾秀杰，李剑峰，孙杰，等.刀具钝化对切削力及表面粗糙度的影响［J］.计算机集成制造系统，2011，17(7):1430 －1434.

［3］闫献国.高速钢丝锥深冷处理及刃口强化技术研究［D］.北京:北京理工大学，2007.

［4］李茂伟，陶华，刘晓志.铣刀悬伸量和主轴转速对切削力的影响［J］.组合机床与自动化加工技术，2010，23(9):23－26.

［5］刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等.正交试验设计和分析方法研究［J］.实验技术与管理，2010，27(9):52 －55.

［6］Jawaid A，Che－Haron C H，Abdullah A.Tool wear characteristics in turning of titanium alloy Ti－ 6246［J］.Journal of Materials Processing Technology，1999，92(1):329 －334.

［7］袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2008，6.524.

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