一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法

本发明属于机械加工，涉及一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法。

背景技术：

1、螺母丝锥是一种用于加工内螺纹的切削工具，特别是在螺母和其他具有内螺纹孔的零件中使用，其设计需要能够适应工业生产中对内螺纹精度和效率的高要求。螺母丝锥的几何结构对加工质量起着至关重要的作用。螺母丝锥在加工时，准确、合适的几何结构可以实现高精度螺纹的形成，保证螺纹的尺寸、位置精度以及光洁度，从而满足高要求的连接和密封功能。一把设计良好的螺母丝锥可以减少加工时的磨损，延长工具的使用寿命，并降低生产成本和提高生产效率。

2、然而，螺母丝锥复杂的几何结构以及对精确度的高要求使其设计、制造过程仍存在难点。例如，螺母丝锥必须具备精确的切削齿形以便能够精准切削出内螺纹。切削齿的设计不仅需要符合螺纹标准，而且需要在保证强度和切削能力的同时，实现有效的排屑。再者，不同材料和不同的加工条件需要不同的切削刃角和前角。这些角度的设计需要仔细计算和实验验证，以确保在减少切削阻力的同时，也能保证丝锥的耐用性。然而，通过试错法加工不同几何尺寸的螺母丝锥，再通过加工验证其性能，成本极大而不可取。目前，利用有限元(fem)仿真设计，可为优化螺母丝锥的几何结构提供一种高效且成本效益较高的方法来预测和改善其性能。通过建立螺母丝锥的详细几何模型，并模拟其在加工过程中的行为，工程师能够在不实际制造和测试实体工具的情况下评估螺母丝锥的切削力、应力分布、热负荷、排屑效率和材料变形。这使得设计能够快速迭代，识别和解决潜在问题，如工具磨损、螺纹质量缺陷或加工效率低下。fem仿真结果还可以揭示复杂交互作用，例如前角、后角等对加工性能的影响，而这在传统的设计方法中很难实现。仿真的数据驱动分析有助于优化这些参数，以实现最佳的切削性能和工具寿命。此外，基于fem仿真结果还可以用来评估不同工作材料对螺母丝锥性能的影响，使得工具设计可以更具针对性地适应特定的应用。然而目前基于fem仿真的螺母丝锥几何结构设计还处于理论初级阶段，具体实施流程还未得到规范。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，包括以下步骤：

4、步骤一：根据待攻丝工件的属性和车间实际加工能力(指工厂的一台机床或加工系统在特定条件下加工工件的能力，包括精度、重复性、加工速度、功率、扭矩、刚性、系统控制等)确定螺母丝锥的几何尺寸参数的取值范围；

5、步骤二：建立n因素m水平的正交试验表，n因素为螺母丝锥的n个几何尺寸参数，m水平为各个几何尺寸参数的m个值；

6、步骤三：基于三维建模软件，建立不同几何尺寸的螺母丝锥三维模型；

7、步骤四：基于advantedge fem有限元平台，对螺母丝锥三维模型的攻丝过程进行模拟仿真；

8、步骤五：提取仿真结果，经过分析得到影响待攻丝工件的加工精度和质量的关键几何尺寸参数；

9、步骤六：利用minitab数据分析软件的响应优化器功能，对关键几何尺寸参数进行响应分析，选定优化目标，通过minitab数据分析软件计算出关键几何尺寸参数的优化值；

10、步骤七：根据关键几何尺寸参数的优化值，调整螺母丝锥的三维模型；

11、步骤八：基于advantedge fem有限元平台，对调整后的螺母丝锥三维模型的攻丝过程进行模拟仿真；

12、步骤九：提取仿真结果，判断调整后的螺母丝锥三维模型对应的优化目标是否均小于调整前的螺母丝锥三维模型对应的优化目标，如果是，则结束；反之，则返回步骤二。

13、作为优选的技术方案：

14、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤一中，待攻丝工件的属性包括待攻丝工件的几何尺寸、材料特性；螺母丝锥的几何尺寸参数包括前角、后角、钝化半径、槽型结构。

15、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤二中，建立n因素m水平的正交试验表利用spss软件的正交表建立模块。

16、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤三具体为：先根据n因素m水平的正交试验表设置螺母丝锥的几何尺寸，再设置螺母丝锥除了几何尺寸以外的属性，自动生成不同几何尺寸的螺母丝锥三维模型。

17、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤四和步骤八具体为：首先设置待攻丝工件的属性，自动生成待攻丝工件三维模型；然后导入螺母丝锥三维模型，校正螺母丝锥三维模型和待攻丝工件三维模型的相对位置，使得螺母丝锥三维模型整体位于待攻丝工件三维模型的上方，螺母丝锥三维模型的中轴线与待攻丝工件三维模型的上表面垂直；接着根据螺母丝锥的几何尺寸设置加工参数；最后设置仿真参数，进行模拟仿真。

18、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，加工参数包括主轴转速、每齿进给量、冷却速率；仿真参数包括最小单元尺寸、网格细化区域。

19、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤五中，仿真结果包括加工过程中的温度场、应力场、切削温度、三向切削力、切削扭矩；分析是指基于minitab数据分析软件，对仿真结果进行正交分析，包括主效应分析、等值线图分析。

20、如上所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，步骤六中，优化目标共三个，切削温度为第一优化目标，轴向切削力为第二优化目标，切削扭矩为第三优化目标。

21、有益效果：

22、与现有技术相比，本发明的螺母丝锥几何结构设计与优化方法能够确定实际加工能力和需求下螺母丝锥最优的几何尺寸参数值，可通过迭代流程反复验证优化结果，进而高效地生产出性能优、寿命长的螺母丝锥。由于本发明采用仿真计算方法，相比于基于试错法加工后验证其性能的传统方法，可大大降低人力物力成本，提高效率。

技术特征：

1.一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤一中，待攻丝工件的属性包括待攻丝工件的几何尺寸、材料特性；螺母丝锥的几何尺寸参数包括前角、后角、钝化半径、槽型结构。

3.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤二中，建立n因素m水平的正交试验表利用spss软件的正交表建立模块。

4.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤三具体为：先根据n因素m水平的正交试验表设置螺母丝锥的几何尺寸，再设置螺母丝锥除了几何尺寸以外的属性，自动生成不同几何尺寸的螺母丝锥三维模型。

5.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤四和步骤八具体为：首先设置待攻丝工件的属性，自动生成待攻丝工件三维模型；然后导入螺母丝锥三维模型，校正螺母丝锥三维模型和待攻丝工件三维模型的相对位置，使得螺母丝锥三维模型整体位于待攻丝工件三维模型的上方，螺母丝锥三维模型的中轴线与待攻丝工件三维模型的上表面垂直；接着根据螺母丝锥的几何尺寸设置加工参数；最后设置仿真参数，进行模拟仿真。

6.根据权利要求5所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，加工参数包括主轴转速、每齿进给量、冷却速率；仿真参数包括最小单元尺寸、网格细化区域。

7.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤五中，仿真结果包括加工过程中的温度场、应力场、切削温度、三向切削力、切削扭矩；分析是指基于minitab数据分析软件，对仿真结果进行正交分析，包括主效应分析、等值线图分析。

8.根据权利要求1所述的一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法，其特征在于，步骤六中，优化目标共三个，切削温度为第一优化目标，轴向切削力为第二优化目标，切削扭矩为第三优化目标。

技术总结本发明属于机械加工技术领域，涉及一种螺母丝锥几何结构的设计与优化方法。首先根据待攻丝工件的属性和实际加工能力确定螺母丝锥的几何尺寸参数的取值范围，再基于上述参数范围建立多因素正交仿真试验表，再对螺母丝锥三维模型的攻丝过程进行模拟仿真，再提取仿真结果分析得到关键几何尺寸参数，再对关键几何尺寸参数进行分析，计算出关键几何尺寸参数的优化值，再根据优化值调整螺母丝锥的三维模型，最后验证优化结果的正确性。本发明可降低人力物力成本，提高效率。技术研发人员：陈明,周亚亚,李晗,徐锦泱,张学生,廖俊,安庆龙,明伟伟受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9