摘 要: 為高效加工（gōng）出（chū） B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°鈦（tài）合金（jīn）材料的外螺紋，通（tōng）過研究，本文介紹一種特殊鋸齒形螺紋刀片的設計方法和過程。通過分析，該方法能達（dá）到鋸齒形螺紋零件加工（gōng）工藝要求。具體做法是: 采用 UG 建立刀片模型，用（yòng） VEＲCUT 驗證加工螺紋形狀合理性，再（zài）用（yòng） DEFOＲM 仿（fǎng）真加工驗證刀具切削性能。
 
     關鍵詞: 鋸齒形螺紋 加工刀片 UG VＲICUT DEFOＲM
 
     引言
 
    隨（suí）著（zhe）全（quán）球化趨勢的加快，我（wǒ）國機械製造技術也得到了高速發展。在數控機床、刀（dāo）具、夾具、檢具和切削（xuē）工件組成的切（qiē）削係統中，刀具扮演著非（fēi）常重要的角（jiǎo）色，其功能和質量直接決定了機械製造的水平，是提高生產效率和產品精度的重要因素［1］。
 
    機械零件（jiàn）有很多種連接方式（shì），但最常見還是螺紋連接（jiē）［2］。因此，在機械零件中，螺紋加工是（shì）很常見（jiàn）的工藝過程。加工螺紋的方（fāng）法有攻（gōng）絲、銑削、車削、磨削等，其中車削螺紋最為常見，且不可替（tì）代。車削加工高質量或特種螺紋需要高（gāo）精（jīng）度的切（qiē）削刀（dāo）具。目前我（wǒ）國使用最多的是三角形螺紋刀片，它能夠加工一般材料（liào）的（de）普通標準螺紋。但加工像鈦合金材料、非標準的鋸齒形螺紋，還需要開發不同功能的螺紋加工成型刀具。本（běn）文將研究和設計一種非標的鋸齒形螺（luó）紋刀片來加工鈦（tài）合金材料的 B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°外螺紋。
 
    一、鋸齒形螺（luó）紋（wén）刀片設計
 
     ( 一) 鋸齒形螺紋刀片加工對象分析
 
     本鋸齒形螺紋刀片的設計，是針對美國哈裏伯頓公司石油機械某係列零件（jiàn）的加工為案（àn）例（lì）而進行的，該零件有（yǒu）非標（biāo）準的鋸齒形螺紋，零件圖局部放大如圖 1所示。該零件經過換（huàn）算後的（de）鋸齒螺紋的尺寸為B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°。

    
 
                      圖 1 產品設計的局部放大圖
 
     ( 二) 特殊鋸齒形螺紋刀片結構設計
 
     對 B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°鋸齒形螺紋，可（kě）以采（cǎi）用數控車削的方式（shì）加工（gōng）。由於該螺紋的非標（biāo）準性，加（jiā）工所使用的螺紋刀具（jù）所需數（shù）量少，製作難度大，沒（méi）有生產廠家（jiā）提供或（huò）願意開發這種刀（dāo）具。因此，需要對本案例中零件加工所需要的鋸齒（chǐ）形螺紋刀片（piàn）根據 GB /T13576． 1 － 2008 標 準，可 以（yǐ） 計 算 出B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°非標準鋸齒形螺紋（wén）的刀片牙形尺寸［3 － 4］。該米製鋸（jù）齒形螺紋刀片牙形尺寸計算結果如圖 2、圖 3、圖 4 所示。
  
  

     
  
        圖 2 鋸齒形刀片主視（shì）圖
  
  

     
  
          圖 3 前刀麵（miàn）局部放大圖
  
  

      
  
        圖 4 鋸齒形刀片的側視圖

    二、刀片三維模型的建（jiàn）立
 
    通過 UG 軟件可以建（jiàn）立起（qǐ）特殊鋸齒形螺紋刀具的三維（wéi）齒廓，並采用參（cān）數化建（jiàn）模為（wéi）後續（xù）刀片尺寸的優（yōu）化提供便利。建立起來的刀（dāo）片實體模型將導出為． stl文件，提供給 Vericut 仿真作為切削的刀具模型。三維實體模型如圖( 5) 所示:
  
    

     圖 5 鋸（jù）齒形螺紋刀片三維（wéi）模型
 
     三、Vericut 仿真加工
 
     ( 一) 仿真的準備
 
     利用 Vericut 仿真在設置毛坯模型時，可以通（tōng）過（guò）文件導入( ． stl) ，也可以在軟（ruǎn）件中建立回轉體零件。注意（yì），一定要把 Design 中導入零件設計三維（wéi）圖［5］，這（zhè）將為後續的比較做好準備。如圖( 6) 所示:

                    圖6 模型設計
 
 
     在刀具管理器中設置螺紋（wén）刀具時，由於 Vericut自（zì）帶刀 具 庫 中 沒 有 特 殊（shū） 角（jiǎo） 度 的 鋸 齒形螺（luó）紋刀片( B114． 66X1． 5875 － 7h 15°/30°的加工刀片) ，就需
要把三維軟（ruǎn）件已經做好的三維刀（dāo）片導入（rù）到 vericut中，作為仿真加工刀具，如圖( 7) 所示（shì）:
  
  

    
  
             圖 7 特（tè）殊鋸齒形螺（luó）紋刀片導入
 
     ( 二) 特殊鋸齒形螺紋加工
 
     除（chú）要注意到上麵所述（shù）事項外，還需要把機床、控製係統、加工坐標係（xì）、工作偏置、程序等（děng）設（shè）置（zhì）好，再運行程序［6］。加（jiā）工出的螺紋（wén）如圖( 8) 所示:

              圖 8 仿真加工出的鋸齒形螺紋
 
     ( 三) 螺紋齒形檢測和對比
 
     在分析時，打開自動比較命令，設置（zhì）好（hǎo）各項參數，然後把 Design 中設計模型顯示出來和仿真加工零件進行自（zì）動比較，就能（néng）判斷（duàn）所設計的螺紋（wén）刀片（piàn）是否正確。也可以通過測量方（fāng）式，對所（suǒ）加工螺紋齒形進行測量。如果所（suǒ）測齒形和設計要求有偏差，那麽就返回UG 中修改刀片（piàn）的尺寸。重複上麵的加工過程，直（zhí）到加工出和（hé）設計要求一致的螺紋。兩種檢測螺紋方法如圖 9 所示:
  
  

    
               圖 9 兩種檢測螺紋尺寸方法
 
     四、基於 Deform 對刀具性能分析（xī）
 
     ( 一) deform 軟件
 
     DEFOＲM 軟件係列是 SFTC 公司采用有限元法對金屬成型和加工過程進行仿真的軟件，該軟件能夠（gòu）根據刀具的幾何形狀、進給速（sù）度、切（qiē）削速度、切削深度和冷卻形式來預測（cè）切屑的形成過程、切削力大小（xiǎo）、切削溫度高（gāo）低、刀具磨損形（xíng）式等參數（shù）［7］。與直接實驗方法相比，該方法費用少，耗時短，在考慮多因素時（shí）其優勢尤為顯著（zhe）。
 
     ( 二) 預處理設置
 
    工作條件的設定: 選擇機械加工類型為車（chē）削，單位標準 SI; 切削速（sù）度 500m /min，背（bèi）吃刀量 0． 2mm，進（jìn）給量 0． 18mm /r; 設定（dìng）環（huán）境（jìng）溫度 20℃ ; 工件接觸屬性:摩擦係數 0． 6 和熱導率 45; 刀具材料選擇 YT 類硬（yìng）質合金 刀 片，主 要 成 分 是 WC，刀具劃分（fèn）網格（gé）數為30000; 工件屬性（xìng）為塑（sù）性，材料為鈦合（hé）金，工件劃分網格數為 50000; 總共運算步數為 2000 步，存儲增量為每 50 步存一次; 刀具設置為剛（gāng）體; 然後檢測（cè）和生成DB 文件; 運行 DB 文件完成模（mó）擬（nǐ）切削運算［8］。
 
      ( 三) 仿真結（jié）果和分析
 
      仿真切削過程中，切削溫度、應（yīng）力應變都將發生變化［9］。圖( 10) 所示是主切削（xuē）力( 縱軸) 隨著切削進行在時間( 橫軸) 上變化的規律: 隨著刀具逐漸切入工件，切削力逐漸上（shàng）升，在開始接（jiē）觸的很短範圍內（nèi），切（qiē）削力迅速升高，之後（hòu）隨（suí）著切削的進行切（qiē）削力逐漸穩（wěn）定。
 
     圖( 11) 是（shì）刀具切削的溫度分布圖，可（kě）以看出溫度的最（zuì）高點（diǎn）在刀尖部分，最高溫度 139 度; 圖( 12) 是工件溫度（dù）分布圖，其最高溫度（dù）點在鐵（tiě）屑和工件體分離處，最高溫度是 828 度; 圖( 13) 是（shì）刀具磨損（sǔn）分布（bù）圖，磨損量最高值是在刀尖處; 圖( 14) 是工件應力分布圖，應力在刃（rèn）前區域（yù）分布最為（wéi）複雜。
  

    
  
           圖10 主切削力隨時間（jiān）變化曲線圖
  
  

     
  
          圖 11 刀（dāo）具溫度分布      圖 12 工件溫度分布（bù）
  
  
  

     
          圖 13 刀具磨損分布圖   圖 14 工（gōng）件應力分（fèn）布圖

       五、結束語
 
      前述方法和過程所設計的特殊鋸齒（chǐ）形螺紋刀（dāo）具，有效地縮（suō）短刀具開發周期且節省了大量的開發費用。采用 DEFOＲM 仿（fǎng）真加工，可（kě）以得到實際切削試驗法（fǎ）難以直接測量的狀態變（biàn）量，如工件和刀具（jù）的切削（xuē）力分（fèn）布、切削溫度分布（bù）等參數。通（tōng）過仿真也能更好地評（píng）價切削加工過程，為進一（yī）步優化刀（dāo）片設計打下良好的基（jī）礎。