1引言内容屑丝锥主要用于重型机械行业(如透平机械、发电机设备和反应堆结构等)加工大螺孔, 近年来也有用于中等直径的螺孔加工。内容屑丝锥的主要结构特点是切削锥端面开有贮屑腔(见图 1),加工时切屑经容屑槽存入贮屑腔中,使已加工螺纹表面与切屑隔离,避免划伤已加工表面, 因此加工的螺纹精度高、表面粗糙度值小,特别适用于加工不易排屑的盲孔螺纹和水平通孔螺纹等 。图1内容屑丝锥结构示意图2优化设计2.1优化模型的建立(1)设计变量X=x1x2=d iZ(1)(2)目标函数因为该模型为多目标优化问题,故采用线性加权法,建立的目标函数为 Frx=∑2i=1ωiFi(x)=-ω1di-ω2Z(2)式中ω1、ω2———加权系数 (3)约束条件①因中径最大减小量Δd2小于或等于中径公差Td2之半,即Δd2≤Td2/ 2,得约束条件G1(x1,x2)=Td2/2-Δd2≥0(3)式中,Δd2=2Δmax (Δmax为最大挠度)。②受载后,切削爪上的切削齿齿形角的最大歪斜角度小于或等于齿形半 角公差T2的1/10,即Δα≤T2/10。由于Δα很小,近似有Δα≤Δmax/h(h为 切削爪长度),可得约束条件为G2(x1,x2)=T2/10-Δα≥0(4)③在切向力F c作用下,切削爪危险截面的最大应力应小于或等于丝锥材料的许用应力<σ>,即σmax≤< σ>,由此可得约束条件为G3(x1,x2)=<σ>-σmax≥0(5)④在切削爪的刚度 和强度足够的情况下,若切削爪数太多将导致容屑槽宽度减小,将造成切屑卡在容屑槽中而不能顺 利进入贮屑腔中。因此,一般应使容屑槽宽度B=πd/3Z≥B2(B2为最小槽宽,d为丝锥 大径),由此可得约束条件为G4(x1,x2)=πd/3Z-B2≥0(6)上述模型为二维 非线性约束的优化问题,采用有关的各种优化方法均可求解。2.2丝锥结构的优化结果经Mat lab计算可得切削爪危险截面最大应力σmax与爪数Z、贮屑腔平均内径di的关系(见图2 )、最大挠度Δmax与Z、di的关系(见图3)。由计算过程可知Δmax≤0.05mm。 图2σmax与Z及di关系图图3Δmax与Z及di关系图切削爪数Z可为3、4、5、6, 因单数爪不易测量,很少采用,故以下只分析4爪与6爪内容屑丝锥。2.3容屑槽宽度内容屑丝 锥容屑槽示意图见图4,容屑槽宽度B可按式(7)计算,Z=6时为7.39mm,Z=4时为 11.05mm。B=πd/3Z(7)图4容屑槽示意图图5切屑卷曲示意图容屑槽深度l均取 16mm,容屑槽大小应满足容屑条件。由于切屑在容屑槽内卷曲和填充不可能很紧密(见图5) ,为保证正常容屑,容屑槽有效容积VP必须大于切屑体积VD,即VP>VD或K=VP/VD >1(8)由于切屑在宽度方向变形很小,故容屑系数可用容屑槽纵向截面面积AP与切屑纵向截面面积AD之比来表示。即K=AP/AD=Bl/hDL(9)式中L———切屑长度,L=πd/ZhD———切削厚度K———容屑系数当许用容屑系数
和切屑厚度hD已知时,容屑槽宽度B 可用式(10)计算,即B≥1.13hDL(10)许用容屑系数必须认真选择, 其大小与工件材料性质有关。加工钢料时,=2.5～5.5,在此取最大值。当Z=6、 L=20mm、hD=0.126mm时算得B≥4.21mm,故所设计丝锥的容屑槽宽B=7 .39mm满足条件。同理可算出Z=4时内容屑丝锥也满足容屑条件。2.4贮屑腔尺寸的确定 由于切屑经容屑槽进入贮屑腔,故需确定贮屑腔可否容纳全部切屑。所设计贮屑腔的有效容积V为 V=πdi2h/4(11)式中h———贮屑腔深度,Z=6时,h=50mm。切屑体积VD 为VD=hDLhi(12)式中hi———平均刃宽,Z=6时,hi=3mm。令V= VD,可求出切屑总长度L0=9142.2mm。对应的螺孔深度l0为l0=L0hi6L= 9142.2×36×20=228.56mm而丝锥全长只有200mm,故对应的螺孔深度足 够,所设计的Z=6内容屑丝锥贮屑腔可容纳加工时的所有切屑。同理也可证明Z=4的内容屑丝 锥贮屑腔可以容纳所有切屑。3丝锥的有限元分析边界条件包括模型的约束条件和载荷。由于在攻 丝过程中所有自由度均被约束,故在模型方柄四周全部加上约束,刀尖上加集中载荷。经多次试验 在刀尖上加集中载荷与理论公式所得结果最吻合,图6给出了Z=4(或6)时内容屑丝锥的载荷 施加情况。(a)Z=4丝锥(b)Z=6丝锥图6载荷施加情况有限元后置处理后的Z=4(或 6)内容屑丝锥的应力、应变情况分别如图7、8所示。(a)应力(b)应变图7Z=4丝锥应 力应变图(a)应力(b)应变图8Z=6丝锥应力应变图Z=6内容屑丝锥的σmax=1.9 12GP,Z=4丝锥的σmax=2.154GP,因丝锥材料W9Mo3Cr4V的许用应力 为2.5GP,则所设计丝锥的最大应力都小于丝椎材料的许用应力。最大应力、应变点同为1齿 顶刃刀尖处,Z=6时最大应变为0.014712mm,Z=4时最大应变为0.02574m m,所设计丝锥的最大应变都小于最大挠度Δmax≤0.05mm。故正常工作条件下不存在卷 刃的可能。可见仿制内容屑丝锥切削爪的折断、卷刃及导向部无法旋入并非丝锥结构问题。6爪丝 锥的应力、应变均小于4爪丝锥,而容屑能力相差不多,6爪丝锥加工螺纹的精度比同尺寸4爪丝 锥加工螺纹的精度更高,寿命也更长。故M42内容屑丝锥采用6爪更合适。4结语只要对内容屑 丝锥进行合理的建模和受力加载,通过有限元软件进行静力学分析是可行的,仿真结果与理论结果 表现出很好的一致性。笔者通过计算内容屑丝锥应力、应变的大小及其分布情况,证明了有限元仿 真模型的合理性,得到了M42内容屑丝锥的切削爪、容屑槽和贮屑腔的最优方案。基于有限元的内容屑丝锥结构设计@韩荣第$哈尔滨工业大学机电工程学院!150001哈尔滨市,教授,博导
@桂刚$哈尔滨工业大学通过内容屑丝锥切削爪在切削力作用下的变形分析,推导出了切削爪的变形 方程和最大应力方程,根据螺纹精度及丝锥强度的约束,建立了切削爪数与贮屑腔平均内径优化的 内容屑丝锥模型,并对优化结果进行实体建模。通过将模型导入有限元分析软件进行静力分析,得 到内容屑丝锥结构的最优解。内容屑丝锥;;结构优化;;建模;;有限元分析1 孙从德.内排屑丝锥.工具技术,1989(10):18～23
2 颜丕煊.德国Emuge螺纹工具厂丝锥切削示范及其结果分析.工具技术,1994(11):11～17
3 JB5611-91.内容屑丝锥.中华人民共和国机械行业标准,1991
4 陈 朴,吴能章,邓远超等.内容屑丝锥的研究.四川工业学院学报,1997(4):42～49
5 吴能章,邓远超,陈 朴.内容屑丝锥的优化设计.四川工业学院学报,1998(5):23～27峁股杓艪韩荣第$哈尔滨工业大学机电工程学院!150001哈尔滨市,教授,博导
@桂刚$哈尔滨工业大学通过内容屑丝锥切削爪在切削力作用下的变形分析,推导出了切削爪的变形 方程和最大应力方程,根据螺纹精度及丝锥强度的约束,建立了切削爪数与贮屑腔平均内径优化的 内容屑丝锥模型,并对优化结果进行实体建模。通过将模型导入有限元分析软件进行静力分析,得 到内容屑丝锥结构的最优解。内容屑丝锥;;结构优化;;建模;;有限元分析1 孙从德.内排屑丝锥.工具技术,1989(10):18～23
2 颜丕煊.德国Emuge螺纹工具厂丝锥切削示范及其结果分析.工具技术,1994(11):11～17
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5 吴能章,邓远超,陈 朴.内容屑丝锥的优化设计.四川工业学院学报,1998(5):23～27
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