本發(fā)明屬于機(jī)械加工，涉及一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、螺母絲錐是一種用于加工內(nèi)螺紋的切削工具，特別是在螺母和其他具有內(nèi)螺紋孔的零件中使用，其設(shè)計(jì)需要能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中對內(nèi)螺紋精度和效率的高要求。螺母絲錐的幾何結(jié)構(gòu)對加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。螺母絲錐在加工時(shí)，準(zhǔn)確、合適的幾何結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高精度螺紋的形成，保證螺紋的尺寸、位置精度以及光潔度，從而滿足高要求的連接和密封功能。一把設(shè)計(jì)良好的螺母絲錐可以減少加工時(shí)的磨損，延長工具的使用壽命，并降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

2、然而，螺母絲錐復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以及對精確度的高要求使其設(shè)計(jì)、制造過程仍存在難點(diǎn)。例如，螺母絲錐必須具備精確的切削齒形以便能夠精準(zhǔn)切削出內(nèi)螺紋。切削齒的設(shè)計(jì)不僅需要符合螺紋標(biāo)準(zhǔn)，而且需要在保證強(qiáng)度和切削能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)有效的排屑。再者，不同材料和不同的加工條件需要不同的切削刃角和前角。這些角度的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保在減少切削阻力的同時(shí)，也能保證絲錐的耐用性。然而，通過試錯法加工不同幾何尺寸的螺母絲錐，再通過加工驗(yàn)證其性能，成本極大而不可取。目前，利用有限元(fem)仿真設(shè)計(jì)，可為優(yōu)化螺母絲錐的幾何結(jié)構(gòu)提供一種高效且成本效益較高的方法來預(yù)測和改善其性能。通過建立螺母絲錐的詳細(xì)幾何模型，并模擬其在加工過程中的行為，工程師能夠在不實(shí)際制造和測試實(shí)體工具的情況下評估螺母絲錐的切削力、應(yīng)力分布、熱負(fù)荷、排屑效率和材料變形。這使得設(shè)計(jì)能夠快速迭代，識別和解決潛在問題，如工具磨損、螺紋質(zhì)量缺陷或加工效率低下。fem仿真結(jié)果還可以揭示復(fù)雜交互作用，例如前角、后角等對加工性能的影響，而這在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中很難實(shí)現(xiàn)。仿真的數(shù)據(jù)驅(qū)動分析有助于優(yōu)化這些參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的切削性能和工具壽命。此外，基于fem仿真結(jié)果還可以用來評估不同工作材料對螺母絲錐性能的影響，使得工具設(shè)計(jì)可以更具針對性地適應(yīng)特定的應(yīng)用。然而目前基于fem仿真的螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還處于理論初級階段，具體實(shí)施流程還未得到規(guī)范。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、步驟一：根據(jù)待攻絲工件的屬性和車間實(shí)際加工能力(指工廠的一臺機(jī)床或加工系統(tǒng)在特定條件下加工工件的能力，包括精度、重復(fù)性、加工速度、功率、扭矩、剛性、系統(tǒng)控制等)確定螺母絲錐的幾何尺寸參數(shù)的取值范圍；

5、步驟二：建立n因素m水平的正交試驗(yàn)表，n因素為螺母絲錐的n個幾何尺寸參數(shù)，m水平為各個幾何尺寸參數(shù)的m個值；

6、步驟三：基于三維建模軟件，建立不同幾何尺寸的螺母絲錐三維模型；

7、步驟四：基于advantedge?fem有限元平臺，對螺母絲錐三維模型的攻絲過程進(jìn)行模擬仿真；

8、步驟五：提取仿真結(jié)果，經(jīng)過分析得到影響待攻絲工件的加工精度和質(zhì)量的關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)；

9、步驟六：利用minitab數(shù)據(jù)分析軟件的響應(yīng)優(yōu)化器功能，對關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)分析，選定優(yōu)化目標(biāo)，通過minitab數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算出關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)的優(yōu)化值；

10、步驟七：根據(jù)關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)的優(yōu)化值，調(diào)整螺母絲錐的三維模型；

11、步驟八：基于advantedge?fem有限元平臺，對調(diào)整后的螺母絲錐三維模型的攻絲過程進(jìn)行模擬仿真；

12、步驟九：提取仿真結(jié)果，判斷調(diào)整后的螺母絲錐三維模型對應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)是否均小于調(diào)整前的螺母絲錐三維模型對應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)，如果是，則結(jié)束；反之，則返回步驟二。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

14、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟一中，待攻絲工件的屬性包括待攻絲工件的幾何尺寸、材料特性；螺母絲錐的幾何尺寸參數(shù)包括前角、后角、鈍化半徑、槽型結(jié)構(gòu)。

15、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟二中，建立n因素m水平的正交試驗(yàn)表利用spss軟件的正交表建立模塊。

16、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟三具體為：先根據(jù)n因素m水平的正交試驗(yàn)表設(shè)置螺母絲錐的幾何尺寸，再設(shè)置螺母絲錐除了幾何尺寸以外的屬性，自動生成不同幾何尺寸的螺母絲錐三維模型。

17、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟四和步驟八具體為：首先設(shè)置待攻絲工件的屬性，自動生成待攻絲工件三維模型；然后導(dǎo)入螺母絲錐三維模型，校正螺母絲錐三維模型和待攻絲工件三維模型的相對位置，使得螺母絲錐三維模型整體位于待攻絲工件三維模型的上方，螺母絲錐三維模型的中軸線與待攻絲工件三維模型的上表面垂直；接著根據(jù)螺母絲錐的幾何尺寸設(shè)置加工參數(shù)；最后設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行模擬仿真。

18、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，加工參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、冷卻速率；仿真參數(shù)包括最小單元尺寸、網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域。

19、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟五中，仿真結(jié)果包括加工過程中的溫度場、應(yīng)力場、切削溫度、三向切削力、切削扭矩；分析是指基于minitab數(shù)據(jù)分析軟件，對仿真結(jié)果進(jìn)行正交分析，包括主效應(yīng)分析、等值線圖分析。

20、如上所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，步驟六中，優(yōu)化目標(biāo)共三個，切削溫度為第一優(yōu)化目標(biāo)，軸向切削力為第二優(yōu)化目標(biāo)，切削扭矩為第三優(yōu)化目標(biāo)。

21、有益效果：

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法能夠確定實(shí)際加工能力和需求下螺母絲錐最優(yōu)的幾何尺寸參數(shù)值，可通過迭代流程反復(fù)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)而高效地生產(chǎn)出性能優(yōu)、壽命長的螺母絲錐。由于本發(fā)明采用仿真計(jì)算方法，相比于基于試錯法加工后驗(yàn)證其性能的傳統(tǒng)方法，可大大降低人力物力成本，提高效率。

技術(shù)特征：

1.一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟一中，待攻絲工件的屬性包括待攻絲工件的幾何尺寸、材料特性；螺母絲錐的幾何尺寸參數(shù)包括前角、后角、鈍化半徑、槽型結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟二中，建立n因素m水平的正交試驗(yàn)表利用spss軟件的正交表建立模塊。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟三具體為：先根據(jù)n因素m水平的正交試驗(yàn)表設(shè)置螺母絲錐的幾何尺寸，再設(shè)置螺母絲錐除了幾何尺寸以外的屬性，自動生成不同幾何尺寸的螺母絲錐三維模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟四和步驟八具體為：首先設(shè)置待攻絲工件的屬性，自動生成待攻絲工件三維模型；然后導(dǎo)入螺母絲錐三維模型，校正螺母絲錐三維模型和待攻絲工件三維模型的相對位置，使得螺母絲錐三維模型整體位于待攻絲工件三維模型的上方，螺母絲錐三維模型的中軸線與待攻絲工件三維模型的上表面垂直；接著根據(jù)螺母絲錐的幾何尺寸設(shè)置加工參數(shù)；最后設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行模擬仿真。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，加工參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、冷卻速率；仿真參數(shù)包括最小單元尺寸、網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟五中，仿真結(jié)果包括加工過程中的溫度場、應(yīng)力場、切削溫度、三向切削力、切削扭矩；分析是指基于minitab數(shù)據(jù)分析軟件，對仿真結(jié)果進(jìn)行正交分析，包括主效應(yīng)分析、等值線圖分析。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，其特征在于，步驟六中，優(yōu)化目標(biāo)共三個，切削溫度為第一優(yōu)化目標(biāo)，軸向切削力為第二優(yōu)化目標(biāo)，切削扭矩為第三優(yōu)化目標(biāo)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種螺母絲錐幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。首先根據(jù)待攻絲工件的屬性和實(shí)際加工能力確定螺母絲錐的幾何尺寸參數(shù)的取值范圍，再基于上述參數(shù)范圍建立多因素正交仿真試驗(yàn)表，再對螺母絲錐三維模型的攻絲過程進(jìn)行模擬仿真，再提取仿真結(jié)果分析得到關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)，再對關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出關(guān)鍵幾何尺寸參數(shù)的優(yōu)化值，再根據(jù)優(yōu)化值調(diào)整螺母絲錐的三維模型，最后驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性。本發(fā)明可降低人力物力成本，提高效率。

技術(shù)研發(fā)人員：陳明,周亞亞,李晗,徐錦泱,張學(xué)生,廖俊,安慶龍,明偉偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9