基于SolidWorks的直槽絲錐數字化設計與模態仿真

摘" 要：直槽絲錐具有剛性好、通用性強等優點，廣泛應用于制造業中，但其型號種類繁多，幾何結構復雜，導致其設計困難且繁瑣。基于SolidWorks三維CAD軟件，系統研究直槽絲錐的數字化設計與有限元模態仿真方法。詳細說明直槽絲錐的整體結構、截面形狀以及絲錐牙型等，闡明容屑槽曲線各參數之間的關系，為直槽絲錐的數字化設計奠定理論基礎。以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐為例，采用SolidWorks軟件對其開展參數化建模，實現絲錐結構的精確設計。在數字化設計的基礎上，進一步對直槽絲錐進行模態仿真分析，預測其在切削過程中的振動行為，并獲取各階振型對應的頻率，為絲錐的結構優化和切削參數調整提供理論依據。研究結果表明，SolidWorks軟件在直槽絲錐的數字化設計與仿真中具有顯著優勢，能夠有效縮短設計周期，提高設計精度。

關鍵詞：SolidWorks;直槽絲錐;數字化設計;模態仿真;設計精度

中圖分類號：TG71" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0116-04

Abstract： Straight fluted taps have the advantages of good rigidity and strong versatility， and are widely used in manufacturing. However， they have a wide variety of models and complex geometric structures， making their design difficult and cumbersome. Based on SolidWorks 3D CAD software， the digital design and finite element modal simulation methods of straight fluted taps are systematically studied. The overall structure， cross-section shape and tap profile of the straight fluted tap are explained in detail， and the relationship between various parameters of the chip groove curve is clarified， laying a theoretical foundation for the digital design of the straight fluted tap. Taking the M6 thick shank common thread tap and the M12 thick thread tap as examples， parametric modeling was carried out using SolidWorks software to achieve accurate design of the tap structure. Based on the digital design， modal simulation analysis of the straight groove tap was carried out， its vibration behavior during the cutting process was predicted， and the corresponding frequencies of each vibration mode shape were obtained， which provided a theoretical basis for the structural optimization of the tap and the adjustment of cutting parameters. The research results show that SolidWorks software has significant advantages in the digital design and simulation of straight fluted taps， and can effectively shorten the design cycle and improve design accuracy.

Keywords： SolidWorks; straight fluted tap; digital design; modal simulation; design accuracy

絲錐作為內螺紋加工的常用工具[1]，在機械加工、汽車制造、航空航天等領域有著廣泛的應用。在實際的生產過程中，絲錐結構設計的精確性以及幾何參數的合理性將直接影響內螺紋加工的效率、精度和表面質量。同時由于內螺紋的型號繁多，需要開發不同規格的絲錐，且其自身幾何結構復雜、設計參數眾多，導致絲錐設計過程復雜而繁瑣。隨著計算機技術的發展，以SolidWorks為代表的三維CAD軟件，可以對絲錐開展數字化設計，并進行模態等方面的有限元仿真，從而縮短設計周期，提高設計精度。哈爾濱工業大學的王廣洲等[2]在分析刀具切削刃截面幾何結構的基礎上，利用UG軟件對麻花鉆和立銑刀開展了數字化設計，縮短了設計時間。河南工學院的李云等[3]將Pro/E行為建模技術應用于拉削式絲錐設計中，采用目標驅動的方法得到最優化的設計方案。太原科技大學的付健巍等[4]借助Pro/E三維建模軟件對高速鋼絲錐進行快速準確的數字建模，有效地降低了試驗成本。沈序康[5]采用SolidWorks軟件對絲錐進行二次開發，解決了絲錐設計中復雜的參數化建模難題，提高了設計效率。河北建筑工程學院的劉春東等[6]運用SolidWorks軟件提供的API函數和二次開發環境對成形銑刀進行參數化設計開發，有效降低了設計強度。

綜上所述，利用SolidWorks等三維CAD軟件對絲錐開展數字化設計，并在基礎模型上進行相應參數的修改，就能獲得不同規格的絲錐模型，從而減少重復性工作，提高設計效率和精度，為后期的優化設計和參數改進提供依據。

1" 直槽絲錐的結構和幾何參數

1.1" 直槽絲錐的整體結構

直槽絲錐具有通用性強、加工穩定、切削性能好以及成本較低等特點，在螺紋加工領域具有重要地位。直槽絲錐的整體結構如圖1所示，主要由工作部分和柄部2部分組成。工作部分主要包括切削部分和校準部分。切削部分直接與工件接觸，通過旋轉和進給運動去除材料，形成螺紋的基本形狀。校準部分則位于切削部分之后，用于修正和校準已切削的螺紋表面，確保螺紋的精度和表面質量。直槽絲錐的柄部通常設計有方便夾持和傳遞力矩的結構，如方形或六角形等，從而確保絲錐在加工過程中穩定可靠地固定在機床或手持工具上。

1.2" 直槽絲錐的截面形狀

絲錐的截面形狀通常呈現為類圓形或多邊形特征，具體形狀取決于容屑槽、切削刃、錐心等因素的綜合作用。容屑槽的設計使得切削過程中產生的碎屑能夠順利排出，避免堵塞和增加切削阻力。切削刃則負責實際的切削工作，其形狀和角度對切削性能有著直接影響。其中絲錐的容屑槽輪廓曲線是絲錐設計的重要環節，它直接影響到切削屑的排出效率、切削過程的穩定性以及絲錐的使用壽命。容屑槽型設計受到絲錐槽數N、錐心直徑d4、刃寬度m、前角γp、刃背角η等因素的影響[7]。

常見的絲錐容屑槽型有多種形式，如圓弧槽型，容屑槽由一段或多段圓弧構成，這種形狀簡單，但排屑性能有限。此外還有直線與圓弧組合槽型，由多條直線和圓弧組合而成，如兩條直線和一段圓弧構成，或兩段圓弧和一條直線構成。其中由兩段圓弧和一段直線構成的槽型，可以通過調整圓弧的曲率半徑與直線段的長度來實現對切削前角的優化調整，且排屑性能良好，是目前應用最廣泛的一種槽型曲線。圖2為絲錐的槽型曲線，該曲線由兩段圓弧和一段直線構成，公式（1）給出了R1、R2、h1三者之間關系，各部分參數的取值也可以在表1[7]中選取。

1.3" 絲錐的牙型

螺紋可分為公制螺紋、英制螺紋、管螺紋等多種類型，也會有與之相對應的絲錐牙型。其中公制螺紋是一種標準化、規格系列化、互換性好的螺紋，應用最為廣泛。常用的公制螺紋為牙型角60°的普通螺紋。國家標準GB/T 192—2003《普通螺紋 基本牙型》規定中給出了普通螺紋基本牙型[8]，如圖3所示，螺紋的中徑和小徑可按照公式（2）求得。

2" 直槽絲錐數字化設計

直槽絲錐的型號種類繁多，按驅動方式可分為手用絲錐和機用絲錐等;按螺紋的牙型可分為粗牙絲錐和細牙絲錐等;按螺紋的規格型式可分為普通螺紋絲錐、管螺紋絲錐、螺母絲錐等;按夾持部分的樣式可分為粗柄絲錐和細柄絲錐、長柄絲錐和短柄絲錐、有頸絲錐和無頸絲錐等[9]。為便于對直槽絲錐開展數字化設計，可在每種類型的絲錐系列中選取某個型號的絲錐作為基礎模型開展參數化建模，并在此模型的基礎上進行相應參數的修改，就可以獲得其他規格的絲錐模型。這里分別以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐作為基礎模型進行建模，其結構幾何參數見表2。

以M12粗牙普通螺紋絲錐為例來說明具體的建模過程。①創建絲錐的整體結構：根據直槽絲錐的整體結構參數繪制草圖，通過旋轉凸臺、倒角等命令生成絲錐整體特征，如圖4（a）所示。②創建絲錐的截面特征：根據絲錐的截面參數構建容屑槽曲線，將容屑槽曲線沿以直線和圓弧構成的引導線進行掃描切除，最后圓周陣列，即可獲得絲錐的截面特征，如圖4（b）所示。③創建螺紋特征：繪制螺距P=1.75 mm的螺旋線和普通螺紋牙型草圖，將牙型草圖沿螺旋線進行掃描切除，生成螺紋特征，如圖4（c）所示。④創建切削錐角：設定切削錐角的長度參數l5=4P，通過旋轉切除命令生成切削錐角，如圖4（d）所示。⑤創建其他幾何特征：運用拉伸、掃描、倒角等建模命令，依次構建傳動方頭、鏟背等結構特征，最終生成M12粗牙普通螺紋絲錐的精確模型，如圖4（e）所示。圖5為M6直粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐，其創建方法與M12絲錐相似，不再贅述。

3" 直槽絲錐模態仿真

絲錐在攻螺紋的過程中，受切削力變化、機床-刀具-工件系統剛性、切削參數匹配度、夾持方式等因素的影響，會產生振動。當絲錐的固有頻率與機床-刀具-工件組成系統的振動頻率接近時，便會發生共振現象[10]。共振的產生會導致切削精度的下降，甚至損壞絲錐刀具。因此，在完成直槽絲錐的數字化設計后，需要對其進行模態仿真，預測絲錐在切削過程中的振動行為，進而對絲錐的結構進行優化設計，以提高其抗振性能和切削穩定性，輔助工藝人員調整切削參數。參照GB/T 969—2007《絲錐技術條件》的規定，選用絲錐的材料為W6Mo5Cr4V2高速鋼，對M6和M12的直槽絲錐開展模態仿真。各振型對應的頻率見表3、表4，仿真結果如圖6、圖7所示。

4" 結束語

1）本文對直槽絲錐的整體結構、截面形狀以及絲錐牙型進行了詳細說明，闡明了容屑槽曲線各參數之間的關系，為直槽絲錐的數字化設計提供了理論依據。

2）以M6粗柄帶頸粗牙普通螺紋絲錐和M12粗牙普通螺紋絲錐為例開展參數化建模，詳細闡明了直槽絲錐的數字化設計步驟，進一步證明了SolidWorks軟件在絲錐設計過程中，能夠有效減少重復性工作，提高設計效率。

3）在直槽絲錐數字化設計完成后，采用SolidWorks的simulation模塊對其開展模態仿真，能夠有效驗證絲錐結構設計的合理性和穩定性，為后續的優化設計打下基礎。

參考文獻：

[1] 張建新，李沙，彭寧濤，等.多型號絲錐的Pro/E參數化與族表聯合建模方法[J].工具技術，2013，47（3）：36-39.

[2] 王廣洲，吳春亞，程健，等.基于UG的硬質合金刀具數字化建模[J].航空精密制造技術，2021，57（2）：1-3，8.

[3] 李云，趙敬云.Pro/E行為建模技術在拉削式絲錐設計中的應用[J].工具技術，2023，57（9）：140-143.

[4] 付健巍，閆獻國，王春燕，等.基于Pro/E的絲錐參數化建模方法[J].工具技術，2017，51（9）：49-54.

[5] 沈序康.基于Solidworks二次開發的絲錐參數化設計[J].西華大學學報（自然科學版），2010，29（5）：10-12.

[6] 劉春東，張東輝，陳龍，等.基于SolidWorks的成形銑刀參數化設計開發[J].煤礦機械，2012，33（4）：246-248.

[7] 袁哲俊，劉獻禮.金屬切削刀具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2019：547.

[8] 虞濤.螺旋槽絲錐結構的優化設計及有限元分析[D].上海：上海工程技術大學，2016.

[9] 陳為國，陳昊.數控加工刀具應用指南[M].北京：機械工業出版社，2023：285.

[10] 史文.螺旋槽絲錐參數化設計及優化[D].天津：河北工業大學，2017.