基于AdvantEdge的直槽丝锥工艺参数优化*
2021-01-27赵胜荣闫献国任党阳
赵胜荣，郭 宏，曹 铎，闫献国，任党阳
(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)
0 引言
近些年，316L不锈钢因其良好的耐腐蚀耐高温性、加工硬化性、表面光泽以及生物相容性，被广泛应用于生物医药行业、航空航天业、汽车业以及高温工业领域的大量设备中[1]。但因316L不锈钢塑性、硬度以及伸长率较大，致使攻丝排屑困难，通用丝锥难以进行高效加工，因此本文从优化丝锥工艺参数方面出发，提高通用丝锥的攻丝性能。
在丝锥工艺研究方面，邬本祥等[2]采用PVD涂层技术对M8含钴高速钢丝锥分别进行TiN、AlTiSiXN涂层，并对涂层和未涂层丝锥进行性能测试，试验论证了耐磨涂层可显著提高丝锥寿命、有效降低工件螺纹粗糙度；刘海涛等[3]针对挤压丝锥内螺纹成形加工过程的切屑液选取进行了研究，通过对比两种切削液(乳化液、切削油)作用下的攻丝寿命试验结果，可知切削液对刀具使用寿命影响较大且切削油效果较优；Oliveira J A D等[4]研究了挤压丝锥对7075-T6铝合金材料进行攻丝时的成形速度、丝锥涂层和锥齿状对内螺纹成形的影响，并确定TiN涂层可有效提高锥齿硬度；Bustillo A等[5]对硅合金攻丝过程的稳定性进行研究，研究表明DLC涂层丝锥攻丝产生的切屑表面光滑，有助于降低积屑瘤的产生；Pereira等[6]研究了刀具涂层、螺纹长度和进给速度等参数对SAE 1045工件攻丝轴向力和扭矩值的影响；Coelho C C F等[7]研究了不同转速下的两种攻丝工艺加工7075-T651铝合金时，润滑油和乳化液用量对攻丝过程及环境的影响，且表明最低用量的润滑油可降低环境污染。
从现有文献来看，优化直槽丝锥工艺参数提高攻丝性能的研究仍不多见，因此本文以加工316L不锈钢的直槽丝锥为研究对象，从优化丝锥工艺参数(主轴转速、丝锥涂层、切削液种类)方面提高工件材料可加工性。旨在提高刀具性能，改善316L不锈钢的攻丝效果。
1 AdvantEdge攻丝模拟模型验证
本研究基于攻丝模拟环境进行，为证实攻丝模拟数据的可靠性，需进行攻丝模拟试验可行性验证。为此，分别通过攻丝机和AdvantEdge软件进行M8粗牙通用直槽丝锥攻丝对比试验，其试验参数见表1。
表1 攻丝验证及模拟条件参数
攻丝模拟过程中，为提高有限元软件计算速度，只对受力最大的丝锥切削部分进行模拟[8]，因此将丝锥切削部分三维模型保存为STEP格式导入AdvantEdge软件中作为刀具模型。
攻丝试验与攻丝模拟结果进行对比，其扭矩值(切削锥部分扭矩)、切屑形态对比见图1和图2。
(a)攻丝试验扭矩 (b)攻丝仿真扭矩图1 试验与仿真扭矩对比
由图1可知，在同一转速下的攻丝扭矩变化趋势一致，其攻丝仿真最大扭矩值较小于试验值且差值较小。扭矩值存在差异原因为：攻丝模拟为理想工作条件，而实际攻丝过程中存在装夹误差、测量误差、机床振动等一系列影响，致使攻丝扭矩增加。此外，由图2可知，同一转速下的攻丝模拟及试验切屑形态均为带状切屑，且切屑卷曲形态相似。
(a)攻丝试验切屑 (b)攻丝仿真切屑图2 切屑形态对比图
由此分析可知，攻丝试验及模拟扭矩整体变化趋势相同，且同一转速下的切屑形态相似，可证实基于AdvantEdge的攻丝有限元模拟模型数据可靠。
2 直槽丝锥工艺参数优化
在内螺纹加工过程中，主轴转速、丝锥涂层和切削液种类均对攻丝性能有所影响，因此选取其作为丝锥工艺优化试验的影响因素，从改善工艺方面提高316L不锈钢材料的可加工性。
2.1 各工艺参数对攻丝性能的影响
为明确各工艺参数对丝锥攻丝性能的影响趋势，本研究选取主轴转速、丝锥涂层、切削液种类为优化对象进行单因素试验分析。其主轴转速水平选取为200 r/min、240 r/min、280 r/min、320 r/min、380 r/min；丝锥涂层水平选取为TiN涂层、TiC涂层、TiAlN涂层、Al2O3涂层(各涂层特点见表2)；切削液种类水平选取为煤油与机油1:1比例混合、水、乳化液(稀释10倍)、油基切削液、表面活性剂10%与水90%配比。
表2 常用刀具涂层特点
在通用丝锥攻丝模拟试验条件基础之上，修改各工艺因素水平进行单因素试验，其中丝锥涂层涂覆厚度为0.001 mm，攻丝模拟试验结果如表3所示。各工艺参数变化对攻丝轴向力、扭矩、温度的影响趋势见表3。
表3 丝锥各工艺参数对攻丝性能的影响分析
续表
由表3各性能指标变化趋势分析可知：
(1)随着主轴转速的增加，攻丝轴向力逐渐减小，扭矩逐渐上升，温度呈先减小后增加趋势。
(2)在同一工况下，TiC涂层、TiAlN涂层、Al2O3涂层与未涂层丝锥相比，可有效降低攻丝扭矩和轴向力，但温度有所升高；其中，Al2O3涂层可显著降低轴向力、扭矩，但因涂层导热及传热性差的特点致使攻丝温度明显升高。
(3)在320 r/min攻丝条件下，使用煤油与机油1:1比例的切削液攻丝，其轴向力、扭矩值比其他切削液大，但温度降幅明显。原因为：煤油与机油混合的切削液热对流系数高，降温效果良好，但因切屑液本身材料属性致使润滑性较差。
为改善加工316L不锈钢的直槽丝锥攻丝性能，应以降低轴向力、扭矩、温度为优化原则，因此为显著提高攻丝过程降温能力，选定切削液为煤油和机油1:1比例混合液。此外，主轴转速、丝锥涂层最优工艺水平需依据进一步的优化试验选定。
2.2 全因素试验设计及结果
为了高效实现工艺参数优化目标，在单因素试验分析基础之上，从优化主轴转速、丝锥涂层方面进行全因素攻丝试验。此外，为提高工艺优化数据的可靠性，增设了主轴转速水平420 r/min，则全因素无重复试验因素水平选取如表4所示。
表4 全因素试验的因素与水平
本工艺优化研究需进行30组攻丝模拟试验，如表5所示。攻丝试验模拟条件为：采用M8通用丝锥三维模型作为加工刀具。设定尺寸为20×20×12 mm的316L不锈钢为工件，螺纹底孔直径为6.8 mm；切削液选取煤油和机油1:1比例混合液，浸入式润滑，通孔加工；丝锥涂层以及主轴转速依据表5试验设计进行攻丝模拟参数设置。工艺参数优化模拟试验结果如表5所示,其各涂层丝锥在不同转速下的攻丝性能影响趋势见图3。
表5 全因素试验及结果
续表
(a)不同涂层丝锥对攻丝轴向力的影响趋势
(b)不同涂层丝锥对攻丝扭矩的影响趋势
(c)不同涂层丝锥对攻丝温度的影响趋势图3 不同涂层丝锥对攻丝性能的影响趋势分析
2.3 试验数据熵权分析
2.3.1 熵权分析法
熵权法是以信息熵理论为基础建立的综合评价权重分析方法，可弥补主观赋权的不足性和增加目标权重的可信度，在多目标优化研究方面应用广泛[9]。多目标试验熵权分析方法具体步骤如下：
(1)试验数据标准化处理
在攻丝试验数据中，可得到各组试验的评价指标值Xi(i=1,2,3,…,m)。其中，m为试验次数，n为评价指标，构成原始数据矩阵D=(xij)m×n。
为提高数据分析的可靠性，对试验数据进行归一化处理，本研究采用“越小越好”标准，归一化公式如下：
(1)
(2)各性能指标的信息熵计算
由信息熵理论可知，第j个信息熵值计算公式如下：
(2)
式中，m为试验次数；rij为标准化处理后的各试验指标值，其中当rij=0时，令rijlnrij=0 。
(3)各性能指标的熵权计算
为进一步确定各性能指标所占权重，第j个指标的熵权计算公式如下所示：
(3)
其中，各性能指标权重之和为1，则基于熵权法的综合权重指标W表示如下：
W=(w1,w2,…,wn)
(4)
(4)各试验数据综合评分
综合评分公式作为将多指标转化单指标问题的关键节点，采用该公式对各试验组进行综合评分计算，进而确定最佳跑分试验组合。综合评分公式如下所示：
(5)
2.3.2 试验数据处理
为进一步确定最优试验组，根据熵权法确定各性能指标的权重值。因各性能指标单位以及数据波动范围不一，需对试验数据进行归一化处理，采用式(1)进行处理，处理结果如表6所示。
表6 攻丝试验数据熵权分析
熵权法作为一种多指标试验客观分析方法，可避免主观设置权重的不确定性，提高数据分析准确性。根据式(2)、式(3)分别计算该数据各性能指标的信息熵和权重，计算结果见表7。
表7 评价指标权重
多指标试验数据分析，需将多指标问题转化为单目标问题，对各指标各组试验归一化数据进行综合评分。因此根据熵权计算结果可知，该优化试验的综合评分公式为：
(6)
2.4方差分析
采用Minitab17统计软件对表6各项指标归一化数据进行方差分析，其分析结果如表8所示。
表8 工艺参数方差分析表
在Minitab系统中，显著性系数P<0.01时，表示因素对输出结果影响极为显著，记作“**”；当0.01
由表8可知，各因素对攻丝性能的影响排名为：主轴转速>丝锥涂层；因素B(主轴转速)对直槽丝锥攻丝性能影响极为显著。因此在工艺优化过程中，应着重考虑主轴转速对攻丝过程的影响。
3 工艺优化结果对比
由以上分析可知，对丝锥涂层、攻丝转速进行全因素试验并通过熵权分析得最优工艺参数组合为：转速200 r/min+Al2O3丝锥涂层。为进一步验证优化工艺参数是否达到提高丝锥攻丝性能的要求，对通用丝锥进行优化工艺以及原始工艺参数模拟试验，并进行攻丝效果对比。工艺优化对比试验参数如表9所示。
表9 工艺优化对比试验
3.1 攻丝性能指标对比
对表9中的两组试验进行攻丝模拟，其轴向力、扭矩、温度数据对比如图4所示。图4中，A为对比组，B为工艺优化组。
由图4可知，对通用丝锥攻丝工艺以及刀具涂层进行优化之后，攻丝性能指标轴向力、扭矩、温度值均有所降低。具体表现为：最大轴向力从217.687 N降至183.235 N，降低了34.452 N；最大扭矩从6.344 N·m降至5.207 N·m，降低了1.137 N·m；最大温度从159.732 ℃降至141.584 ℃，降低了18.148 ℃。
由上述数据分析可知，通过熵权分析获得的工艺优化结果可靠，其优化工艺有效改善了通用直槽丝锥的攻丝性能，降低了316L不锈钢材料内螺纹加工难度。
3.2 刀具切屑形态对比
切削加工中，切屑形态作为研究刀具加工性能的重要因素，其切屑卷屑、断屑程度与工件材料、刀具角度、工艺参数等有着不可分割的关系。内螺纹加工中，切屑排出较为困难，为提高丝锥排屑能力应努力降低切屑卷曲直径，提高攻丝性能[11]。为此，应从该方面对A、B组攻丝试验进行分析，进一步判断优化试验是否可行。
(a)轴向力对比
(b)扭矩对比
(c)温度对比图4 工艺优化试验攻丝性能比较
A、B组攻丝试验切屑形态如图5所示。对比分析A、B组攻丝试验切屑形态可知，其切屑卷曲直径由大到小排名为：A>B。分析对比A、B组切屑卷曲程度可发现，B组切屑卷曲半径较小、卷屑能力提高，延长刀具使用寿命。
(a)对比组(b)工艺优化组 图5 切屑形态比较
综上所述，优化工艺参数可有效改善通用直槽丝锥的攻丝性能，提高刀具卷屑能力。因此，加工316L不锈钢的最优丝锥工艺参数为转速200 r/min、Al2O3丝锥涂层，切削液选取与原始工艺一致的煤油和机油1:1比例混合液。
4 结论
通过分析加工316L不锈钢的直槽丝锥工艺参数优化试验结果可知：
(1)选取主轴转速、丝锥涂层、切削液种类为优化对象进行单因素试验分析，确定了最佳切削液种类为煤油和机油1:1比例混合液，该切削液可有效降低攻丝温度。
(2)通过对工艺参数(主轴转速、丝锥涂层)水平进行全因素试验和熵权分析，可确定最佳工艺参数组合为：Al2O3丝锥涂层、攻丝转速200 r/min。
(3)由方差分析可知，与丝锥涂层相比，主轴转速对攻丝性能的影响较大且极为显著。因此在工艺优化过程中，应着重考虑主轴转速对攻丝过程的影响。
(4)优化工艺相对于原始丝锥工艺而言：在攻丝过程中，最大轴向力从217.687 N降至183.235 N，降低了34.452 N；最大扭矩从6.344 N·m降至5.207 N·m，降低了1.137 N·m；最大温度从159.732 ℃降至141.584 ℃，降低了18.148 ℃；丝锥卷屑能力提高。
