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题目：基于攻丝过程仿真的丝锥优化设计

[摘要]: 丝锥是一种常用的内螺纹加工刀具，丝锥结构复杂，传统刀具设计方法无法对丝锥强度、应力等方面进行准确分析，在丝锥设计过程中，由于参数繁多，研究人员需要对不同规格丝锥进行重新建模，导致设计效率低，制约了丝锥的研发速度。针对丝锥在设计制造时存在的问题，在对丝锥物理模型和几何结构参数深入研究的基础上，建立了丝锥的数学模型和力学模型，对丝锥的参数化实体建模和几何参数优化进行了研究。

关键词：螺旋槽丝锥 优化设计 有限元分析 仿真分析

1. 前言

研究背景及意义

机械制造业是经济发展的支柱产业，是经济、国防建设和社会发展的物质基础,是体现一个国家综合实力的重要标志。进入 20 世纪 80 年代后，切削加工技术的相对落后成为抑制机械制造行业发展的因素之一。开发具有“高效率、高柔性、绿色化、信息化”的国产刀具设计方法，能够满足市场提出的动态多变、小批量、产品规格种类增多及产品更新周期短等多种要求，已经成为机械制造业发展的必然趋势[1] [2]。切削加工技术在机械制造业各领域中占有很大比例，是应用最广泛的基础技术之一。越来越多具有高强度、高塑性的难加工材料应用于模具、航空航天等机械电子领域，使得刀具的消耗量十分惊人。零件材料、形状的不同及切削过程中切削环境的不同等都对刀具设计和结构提出了更高要求。实现刀具模型的参数化建模及结构参数的优化，可以提高生产效率，降低生产成本，对机械制造业的快速增长有重要的指导意义[3]。

随着科技的不断进步，涌现出各种各样先进的特种加工技术，但目前仍然以刀具去除材料的加工方式作为最为普遍的加工制造方法。数控加工中心等先进加工设备为高效、高精度切削提供了条件，但这也对刀具性能提出了更高要求，刀具的结构、材料必须能够适应各种新的加工工艺，如高效复合加工、微细加工、干式切削等。为了强化产品的使用性能，产品材料在不断完善的同时，其切削性能变的恶化，难加工材料的出现对刀具寿命和切削性能提出了更高要求[4]。我国刀具制造行业仍处于传统标准化设计发展阶段，相对于国外已经形成的复合化、多功能化刀具研发制造体系还存在一定的差距。一些企业通过引进国外设备，仿造国外刀具研制方法，虽然短期内会缩小与国外产品的差距，但先进的刀具研发制造技术及高附加值产业仍被国外厂商垄断，因此改进我国刀具研发手段是提升我国制造行业的基础。

螺旋槽丝锥广泛应用于各种零件的内螺纹加工中，在传统刀具研制过程，针对不同的零件材料会做大量的切削试验，这不仅造成了材料的大量浪费，而且延长了研发周期，增大了研发成本。本文以参数化建模和有限元模拟切削为技术手段[5]，提出了一种丝锥刀具设计和结构优化的新方法。

1. 国内外研究概况

2.1 螺旋槽丝锥的国内外研究现状

丝锥攻丝是内螺纹加工特别是小孔径内螺纹加工最常用的方法[6]，国内丝锥设计环节一般包括：材料的研制、丝锥设计制造成形、材料切削试验、改进结构、投入生产等。传统的丝锥设计制造方法费时又费力，开发周期长，不能满足现代切削，高精度、高效率、节约资源的要求[7]。随着现代数学、力学、计算机算法等技术的发展，数字化设计技术逐渐应用于刀具结构优化和切削性能分析中。数字化设计方法即通过三维软件建立刀具的数字化模型，并将零件材料属性输入到计算机中，在计算机中进行刀具的模拟切削和静、动力学分析，从而对刀具结构和切削性能进行优化。在以往刀具研发过程中，针对不同材料的零件，需做大量切削试验，这种常规试验方法虽然比较可靠，但会浪费大量时间和成本，切削过程时间很短，切削区域变化复杂，难以通过试验观察到切削的微观过程，并且切削试验的重复性较差[8]。通过数字化技术建立丝锥的三维模型，并进行模拟仿真有着巨大的实际应用价值，仿真试验可以直观的观察到切削过程中刀具及工件切削区域微观作用过程，得到丝锥各结构参数对切削过程的影响。这样可以减少试验次数和试验成本，大大的缩短刀具研发周期，减少财力、人力的浪费，提高了刀具设计制造的可靠性和准确性。

随着计算机技术的发展，CAD/CAM/CAE 技术受到机械行业的高度重视[9]，在刀具产品设计创意阶段应用多种分析方法，以计算机为平台，结合 CAD、CAE 中三维建模、有限元分析、动态优化等技术使得产品研发成本降到了最低，减少了实体试验的次数，提高了设计效率，降低了新产品的研发周期。