基于SolidWorks的加工梯形螺紋的雙頭刀設(shè)計(jì)

□ 陳建超 □ 王 瑞

1.廣州市輕工高級技工學(xué)校 廣州 510220

2.河南師范大學(xué) 新聯(lián)學(xué)院 鄭州 451464

普通螺紋加工一般在車床上進(jìn)行,刀體常用的材料為鍛造合金鋼，刀頭為硬質(zhì)合金。鍛造合金鋼是一種綜合性能好、應(yīng)用廣泛的刀具材料，它具有強(qiáng)度高、韌性好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)；硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好、且在800～1000℃的高溫下仍能保持其良好熱硬性的特點(diǎn)。因此，刀具常用此兩種材料。一般螺紋車刀都是單桿單刃，加工效率低，筆者設(shè)計(jì)了加工梯形螺紋的雙頭刀（簡稱雙頭刀），采用此刀具切削，可以極大地提高加工效率［1］。

1 普通梯形螺紋車刀的缺點(diǎn)

在車削加工過程中，常常會遇到一些小批量大螺距的梯形螺紋，通常使用的方法是，用一把高速鋼螺紋車刀采用斜進(jìn)法、左右借刀法或分層切削法來完成螺紋的加工。在加工過程中，一把車刀往往還沒完成對零件的加工就已鈍化，需要重新刃磨車刀。由于在粗加工過程中切削過多，使精加工時(shí)無法把粗加工的刀痕完全去除，造成廢品。有時(shí)由于借刀過少，又會出現(xiàn)三刃切削（如圖1所示），使切削力增大，出現(xiàn)“扎刀”現(xiàn)象，輕者工件出現(xiàn)“啃刀”，重者把工件頂動甚至頂彎，車刀折斷，造成車削事故，所以要求操作者車削時(shí)需要具備較高的技術(shù)水平。

2 雙頭刀的設(shè)計(jì)

采用雙頭刀加工梯形螺紋，是在一把刀桿頭部并列安裝兩個(gè)刀頭（如圖2所示），或用兩把螺紋刀背靠背并行安裝。兩個(gè)刀頭切削時(shí)，前一個(gè)刀頭為主切削，承受主要的切削力，加工螺紋右側(cè)面和底面的大部分；后一個(gè)刀頭加工螺紋左側(cè)面和底面的剩余部分，承受切削力較小。這種刀具可以在一次加工進(jìn)程中完成左右側(cè)面和底面的加工，不僅有效解決普通梯形螺紋車刀加工的缺點(diǎn)，且加工效率可以提高一倍以上。

雙頭刀的設(shè)計(jì)制作需要滿足的條件是：①兩個(gè)刀頭形狀一致、刀頭平齊；②兩刀頭相鄰兩切削刃間的夾角等于螺紋牙型角；③車刀中間相鄰兩個(gè)刀尖的距離等于牙根寬，即為P-W （P為螺距，W為牙槽底寬）；④ 刀頭寬度約為0.8 W。

在加工時(shí)，采用直進(jìn)法進(jìn)行加工，無需借刀，每把車刀只有內(nèi)側(cè)切削刃和橫刃參加切削，切削力不大，避免了借刀和單刀三刃切削帶來的問題，且直進(jìn)法易于掌握，操作簡單，不需要操作者具備太高的技術(shù)水平，中徑尺寸也更易于控制。

▲圖1 普通螺紋單刀加工示意圖

▲圖2 梯形螺紋加工雙頭刀示意圖

3 基于SolidWorks的雙頭刀的仿真

該雙頭刀在實(shí)際切削過程中要受到切削反力的作用，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度。刀桿受力變形不可避免，而較大的變形會對切削精度產(chǎn)生很大影響，以至于達(dá)不到所要求的加工精度。針對以上問題，必須設(shè)計(jì)建立三維模型，然后用有限元分析軟件對模型進(jìn)行分析。

近年來，CAD／CAE／CAM在大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，SolidWorks作為新一代CAD／CAE／CAM軟件，它是基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的零件設(shè)計(jì)功能。因此，采用在SolidWorks中對雙頭刀進(jìn)行仿真，對刀具進(jìn)行應(yīng)力分析，并且進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的［2］。

3.1 雙頭刀三維模型的建立

在SolidWorks中分別繪制刀桿、前后刀頭、切削件等零件的三維模型，然后建立—個(gè)裝配體文件，在裝配體文件中依次加入各零件，編輯這些零件之間的配合關(guān)系，得到雙頭刀及切削過程的三維模型［3-5］，如圖3所示。

3.2 有限元分析

利用SolidWorks Simulation有限元分析功能，通過對刀桿材料、切削力大小等參數(shù)的設(shè)定，便可對建立的三維模型進(jìn)行有限元受力分析，得出雙頭刀工作時(shí)

的應(yīng)力和位移云圖，進(jìn)而分析刀具設(shè)計(jì)的可行性。

3.2.1 材料定義

為簡化模型計(jì)算，在SolidWorks Simulation中選擇材料“普通碳鋼”，該材料的關(guān)鍵指標(biāo)見表 1［6］。

表1 普通碳鋼的性能指標(biāo)

▲圖3 梯形螺紋雙頭刀及切削工作過程的三維模型

3.2.2 約束與載荷

（1）約束。按照車床上車刀安裝與緊固方式將雙頭刀下表面一部分和上表面兩個(gè)相距52mm的φ12mm圓形面設(shè)置為完全約束，如圖4所示。

▲圖4 雙頭刀約束示意圖

（2）載荷。因雙頭刀工作時(shí)兩刀頭所受切削力大小不一樣，前面刀頭所受主要切削力，后面刀頭受力較小。下面以加工公稱直徑為52mm、螺距為8mm的梯形螺紋為例，當(dāng)加工到底徑44mm時(shí)，以每次徑向進(jìn)給0.2mm來計(jì)算切削力：

前刀頭切削力FC1：

式中：kc為單位面積切削力，kc=4991 MPa；AD1為前刀頭切削面積，mm2。

后刀頭切削力FC2：

式中：AD2為后刀頭切削面積，mm2。

3.2.3 分析求解

雙頭刀在上述約束與載荷下的應(yīng)力和位移云圖如圖5所示，由應(yīng)力云圖可看出，最大應(yīng)力處為雙頭刀上表面第一個(gè)壓緊螺柱處 （符合經(jīng)驗(yàn)判斷），其數(shù)值為157 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度220 MPa,安全系數(shù)為1.4倍。由位移云圖可看出，雙頭刀最大位移為第一個(gè)刀頭尖部，位移量為0.02mm，小于螺紋的精度要求。因此，雙頭刀的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

4 結(jié)束語

（1）將梯形螺紋車刀由原來的單刀頭改為雙刀頭，可有效防止單刀頭加工時(shí)出現(xiàn)的刀具壽命低、“留刀痕”、“扎刀”、“啃刀”等現(xiàn)象，可有效提高加工效率和質(zhì)量，且對操作工的要求不高。

▲圖5 位移和應(yīng)力云圖

（2）通過三維軟件SolidWorks對設(shè)計(jì)的雙頭刀進(jìn)行三維造型和受力分析，通過選擇適宜的切削用量，該雙頭刀在切削時(shí)完全可保證精度要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

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