基于AdvantEdge的直槽絲錐工藝參數優化*

趙勝榮，郭 宏，曹 鐸，閆獻國，任黨陽

(太原科技大學機械工程學院，太原 030024)

0 引言

近些年，316L不銹鋼因其良好的耐腐蝕耐高溫性、加工硬化性、表面光澤以及生物相容性，被廣泛應用于生物醫藥行業、航空航天業、汽車業以及高溫工業領域的大量設備中[1]。但因316L不銹鋼塑性、硬度以及伸長率較大，致使攻絲排屑困難，通用絲錐難以進行高效加工，因此本文從優化絲錐工藝參數方面出發，提高通用絲錐的攻絲性能。

在絲錐工藝研究方面，鄔本祥等[2]采用PVD涂層技術對M8含鈷高速鋼絲錐分別進行TiN、AlTiSiXN涂層，并對涂層和未涂層絲錐進行性能測試，試驗論證了耐磨涂層可顯著提高絲錐壽命、有效降低工件螺紋粗糙度；劉海濤等[3]針對擠壓絲錐內螺紋成形加工過程的切屑液選取進行了研究，通過對比兩種切削液(乳化液、切削油)作用下的攻絲壽命試驗結果，可知切削液對刀具使用壽命影響較大且切削油效果較優；Oliveira J A D等[4]研究了擠壓絲錐對7075-T6鋁合金材料進行攻絲時的成形速度、絲錐涂層和錐齒狀對內螺紋成形的影響，并確定TiN涂層可有效提高錐齒硬度；Bustillo A等[5]對硅合金攻絲過程的穩定性進行研究，研究表明DLC涂層絲錐攻絲產生的切屑表面光滑，有助于降低積屑瘤的產生；Pereira等[6]研究了刀具涂層、螺紋長度和進給速度等參數對SAE 1045工件攻絲軸向力和扭矩值的影響；Coelho C C F等[7]研究了不同轉速下的兩種攻絲工藝加工7075-T651鋁合金時，潤滑油和乳化液用量對攻絲過程及環境的影響，且表明最低用量的潤滑油可降低環境污染。

從現有文獻來看，優化直槽絲錐工藝參數提高攻絲性能的研究仍不多見，因此本文以加工316L不銹鋼的直槽絲錐為研究對象，從優化絲錐工藝參數(主軸轉速、絲錐涂層、切削液種類)方面提高工件材料可加工性。旨在提高刀具性能，改善316L不銹鋼的攻絲效果。

1 AdvantEdge攻絲模擬模型驗證

本研究基于攻絲模擬環境進行，為證實攻絲模擬數據的可靠性，需進行攻絲模擬試驗可行性驗證。為此，分別通過攻絲機和AdvantEdge軟件進行M8粗牙通用直槽絲錐攻絲對比試驗，其試驗參數見表1。

表1 攻絲驗證及模擬條件參數

攻絲模擬過程中，為提高有限元軟件計算速度，只對受力最大的絲錐切削部分進行模擬[8]，因此將絲錐切削部分三維模型保存為STEP格式導入AdvantEdge軟件中作為刀具模型。

攻絲試驗與攻絲模擬結果進行對比，其扭矩值(切削錐部分扭矩)、切屑形態對比見圖1和圖2。

(a)攻絲試驗扭矩 (b)攻絲仿真扭矩圖1 試驗與仿真扭矩對比

由圖1可知，在同一轉速下的攻絲扭矩變化趨勢一致，其攻絲仿真最大扭矩值較小于試驗值且差值較小。扭矩值存在差異原因為：攻絲模擬為理想工作條件，而實際攻絲過程中存在裝夾誤差、測量誤差、機床振動等一系列影響，致使攻絲扭矩增加。此外，由圖2可知，同一轉速下的攻絲模擬及試驗切屑形態均為帶狀切屑，且切屑卷曲形態相似。

(a)攻絲試驗切屑 (b)攻絲仿真切屑圖2 切屑形態對比圖

由此分析可知，攻絲試驗及模擬扭矩整體變化趨勢相同，且同一轉速下的切屑形態相似，可證實基于AdvantEdge的攻絲有限元模擬模型數據可靠。

2 直槽絲錐工藝參數優化

在內螺紋加工過程中，主軸轉速、絲錐涂層和切削液種類均對攻絲性能有所影響，因此選取其作為絲錐工藝優化試驗的影響因素，從改善工藝方面提高316L不銹鋼材料的可加工性。

2.1 各工藝參數對攻絲性能的影響

為明確各工藝參數對絲錐攻絲性能的影響趨勢，本研究選取主軸轉速、絲錐涂層、切削液種類為優化對象進行單因素試驗分析。其主軸轉速水平選取為200 r/min、240 r/min、280 r/min、320 r/min、380 r/min；絲錐涂層水平選取為TiN涂層、TiC涂層、TiAlN涂層、Al2O3涂層(各涂層特點見表2)；切削液種類水平選取為煤油與機油1:1比例混合、水、乳化液(稀釋10倍)、油基切削液、表面活性劑10%與水90%配比。

表2 常用刀具涂層特點

在通用絲錐攻絲模擬試驗條件基礎之上，修改各工藝因素水平進行單因素試驗，其中絲錐涂層涂覆厚度為0.001 mm，攻絲模擬試驗結果如表3所示。各工藝參數變化對攻絲軸向力、扭矩、溫度的影響趨勢見表3。

表3 絲錐各工藝參數對攻絲性能的影響分析

續表

由表3各性能指標變化趨勢分析可知：

(1)隨著主軸轉速的增加，攻絲軸向力逐漸減小，扭矩逐漸上升，溫度呈先減小后增加趨勢。

(2)在同一工況下，TiC涂層、TiAlN涂層、Al2O3涂層與未涂層絲錐相比，可有效降低攻絲扭矩和軸向力，但溫度有所升高；其中，Al2O3涂層可顯著降低軸向力、扭矩，但因涂層導熱及傳熱性差的特點致使攻絲溫度明顯升高。

(3)在320 r/min攻絲條件下，使用煤油與機油1:1比例的切削液攻絲，其軸向力、扭矩值比其他切削液大，但溫度降幅明顯。原因為：煤油與機油混合的切削液熱對流系數高，降溫效果良好，但因切屑液本身材料屬性致使潤滑性較差。

為改善加工316L不銹鋼的直槽絲錐攻絲性能，應以降低軸向力、扭矩、溫度為優化原則，因此為顯著提高攻絲過程降溫能力，選定切削液為煤油和機油1:1比例混合液。此外，主軸轉速、絲錐涂層最優工藝水平需依據進一步的優化試驗選定。

2.2 全因素試驗設計及結果

為了高效實現工藝參數優化目標，在單因素試驗分析基礎之上，從優化主軸轉速、絲錐涂層方面進行全因素攻絲試驗。此外，為提高工藝優化數據的可靠性，增設了主軸轉速水平420 r/min，則全因素無重復試驗因素水平選取如表4所示。

表4 全因素試驗的因素與水平

本工藝優化研究需進行30組攻絲模擬試驗，如表5所示。攻絲試驗模擬條件為：采用M8通用絲錐三維模型作為加工刀具。設定尺寸為20×20×12 mm的316L不銹鋼為工件，螺紋底孔直徑為6.8 mm；切削液選取煤油和機油1:1比例混合液，浸入式潤滑，通孔加工；絲錐涂層以及主軸轉速依據表5試驗設計進行攻絲模擬參數設置。工藝參數優化模擬試驗結果如表5所示,其各涂層絲錐在不同轉速下的攻絲性能影響趨勢見圖3。

表5 全因素試驗及結果

續表

(a)不同涂層絲錐對攻絲軸向力的影響趨勢

(b)不同涂層絲錐對攻絲扭矩的影響趨勢

(c)不同涂層絲錐對攻絲溫度的影響趨勢圖3 不同涂層絲錐對攻絲性能的影響趨勢分析

2.3 試驗數據熵權分析

2.3.1 熵權分析法

熵權法是以信息熵理論為基礎建立的綜合評價權重分析方法，可彌補主觀賦權的不足性和增加目標權重的可信度，在多目標優化研究方面應用廣泛[9]。多目標試驗熵權分析方法具體步驟如下：

(1)試驗數據標準化處理

在攻絲試驗數據中，可得到各組試驗的評價指標值Xi(i=1,2,3,…,m)。其中，m為試驗次數，n為評價指標，構成原始數據矩陣D=(xij)m×n。

為提高數據分析的可靠性，對試驗數據進行歸一化處理，本研究采用“越小越好”標準，歸一化公式如下：

(1)

(2)各性能指標的信息熵計算

由信息熵理論可知，第j個信息熵值計算公式如下：

(2)

式中，m為試驗次數；rij為標準化處理后的各試驗指標值，其中當rij=0時，令rijlnrij=0 。

(3)各性能指標的熵權計算

為進一步確定各性能指標所占權重，第j個指標的熵權計算公式如下所示：

(3)

其中，各性能指標權重之和為1，則基于熵權法的綜合權重指標W表示如下：

W=(w1,w2,…,wn)

(4)

(4)各試驗數據綜合評分

綜合評分公式作為將多指標轉化單指標問題的關鍵節點，采用該公式對各試驗組進行綜合評分計算，進而確定最佳跑分試驗組合。綜合評分公式如下所示：

(5)

2.3.2 試驗數據處理

為進一步確定最優試驗組，根據熵權法確定各性能指標的權重值。因各性能指標單位以及數據波動范圍不一，需對試驗數據進行歸一化處理，采用式(1)進行處理，處理結果如表6所示。

表6 攻絲試驗數據熵權分析

熵權法作為一種多指標試驗客觀分析方法，可避免主觀設置權重的不確定性，提高數據分析準確性。根據式(2)、式(3)分別計算該數據各性能指標的信息熵和權重，計算結果見表7。

表7 評價指標權重

多指標試驗數據分析，需將多指標問題轉化為單目標問題，對各指標各組試驗歸一化數據進行綜合評分。因此根據熵權計算結果可知，該優化試驗的綜合評分公式為：

(6)

2.4方差分析

采用Minitab17統計軟件對表6各項指標歸一化數據進行方差分析，其分析結果如表8所示。

表8 工藝參數方差分析表

在Minitab系統中，顯著性系數P<0.01時，表示因素對輸出結果影響極為顯著，記作“**”；當0.010.05時，表示因素對輸出結果影響不明顯，可忽略[10]。因此，在方差分析表中，顯著性程度用“*”表示，不顯著不做標識。

由表8可知，各因素對攻絲性能的影響排名為：主軸轉速>絲錐涂層；因素B(主軸轉速)對直槽絲錐攻絲性能影響極為顯著。因此在工藝優化過程中，應著重考慮主軸轉速對攻絲過程的影響。

3 工藝優化結果對比

由以上分析可知，對絲錐涂層、攻絲轉速進行全因素試驗并通過熵權分析得最優工藝參數組合為：轉速200 r/min+Al2O3絲錐涂層。為進一步驗證優化工藝參數是否達到提高絲錐攻絲性能的要求，對通用絲錐進行優化工藝以及原始工藝參數模擬試驗，并進行攻絲效果對比。工藝優化對比試驗參數如表9所示。

表9 工藝優化對比試驗

3.1 攻絲性能指標對比

對表9中的兩組試驗進行攻絲模擬，其軸向力、扭矩、溫度數據對比如圖4所示。圖4中，A為對比組，B為工藝優化組。

由圖4可知，對通用絲錐攻絲工藝以及刀具涂層進行優化之后，攻絲性能指標軸向力、扭矩、溫度值均有所降低。具體表現為：最大軸向力從217.687 N降至183.235 N，降低了34.452 N；最大扭矩從6.344 N·m降至5.207 N·m，降低了1.137 N·m；最大溫度從159.732 ℃降至141.584 ℃，降低了18.148 ℃。

由上述數據分析可知，通過熵權分析獲得的工藝優化結果可靠，其優化工藝有效改善了通用直槽絲錐的攻絲性能，降低了316L不銹鋼材料內螺紋加工難度。

3.2 刀具切屑形態對比

切削加工中，切屑形態作為研究刀具加工性能的重要因素，其切屑卷屑、斷屑程度與工件材料、刀具角度、工藝參數等有著不可分割的關系。內螺紋加工中，切屑排出較為困難，為提高絲錐排屑能力應努力降低切屑卷曲直徑，提高攻絲性能[11]。為此，應從該方面對A、B組攻絲試驗進行分析，進一步判斷優化試驗是否可行。

(a)軸向力對比

(b)扭矩對比

(c)溫度對比圖4 工藝優化試驗攻絲性能比較

A、B組攻絲試驗切屑形態如圖5所示。對比分析A、B組攻絲試驗切屑形態可知，其切屑卷曲直徑由大到小排名為：A>B。分析對比A、B組切屑卷曲程度可發現，B組切屑卷曲半徑較小、卷屑能力提高，延長刀具使用壽命。

(a)對比組(b)工藝優化組 圖5 切屑形態比較

綜上所述，優化工藝參數可有效改善通用直槽絲錐的攻絲性能，提高刀具卷屑能力。因此，加工316L不銹鋼的最優絲錐工藝參數為轉速200 r/min、Al2O3絲錐涂層，切削液選取與原始工藝一致的煤油和機油1:1比例混合液。

4 結論

通過分析加工316L不銹鋼的直槽絲錐工藝參數優化試驗結果可知：

(1)選取主軸轉速、絲錐涂層、切削液種類為優化對象進行單因素試驗分析，確定了最佳切削液種類為煤油和機油1:1比例混合液，該切削液可有效降低攻絲溫度。

(2)通過對工藝參數(主軸轉速、絲錐涂層)水平進行全因素試驗和熵權分析，可確定最佳工藝參數組合為：Al2O3絲錐涂層、攻絲轉速200 r/min。

(3)由方差分析可知，與絲錐涂層相比，主軸轉速對攻絲性能的影響較大且極為顯著。因此在工藝優化過程中，應著重考慮主軸轉速對攻絲過程的影響。

(4)優化工藝相對于原始絲錐工藝而言：在攻絲過程中，最大軸向力從217.687 N降至183.235 N，降低了34.452 N；最大扭矩從6.344 N·m降至5.207 N·m，降低了1.137 N·m；最大溫度從159.732 ℃降至141.584 ℃，降低了18.148 ℃；絲錐卷屑能力提高。