阅读说明：本技术 面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥及其实现方法 (Optimized extrusion screw tap for aluminum alloy thin-wall part thread machining and implementation method thereof ) 是由 陈明 王建文 明伟伟 徐兴伟 安庆龙 马海善 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明面向铝合金等低强度材料的汽车发动机缸盖、阀体等薄壁件的内螺纹挤压加工过程工程需求,基于已有的刀具参数和工艺条件,能够对优化挤压丝锥的刀具结构参数进行进一步优化设计,实现对加工过程工件的形变量和刀具自身载荷的合理有效控制,从而提升螺纹加工精度,保证工件加工质量,延长所用优化挤压丝锥的刀具寿命,减少刀具消耗和换刀时间,有效降低成本,提高产线的生产效率。(The invention aims at the engineering requirements of the internal thread extrusion processing process of thin-wall parts such as automobile engine cylinder covers, valve bodies and the like made of low-strength materials such as aluminum alloy and the like, can further optimize and design the structural parameters of the cutter of the optimized extrusion screw tap based on the existing cutter parameters and process conditions, and realizes reasonable and effective control on the deformation quantity of the workpiece and the self load of the cutter in the processing process, thereby improving the thread processing precision, ensuring the processing quality of the workpiece, prolonging the service life of the cutter of the optimized extrusion screw tap, reducing the cutter consumption and cutter changing time, effectively reducing the cost and improving the production efficiency of a production line.)

面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工制造领域的技术，具体是一种面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥及其实现方法。

背景技术

随着机械制造技术的飞速发展，铝合金薄壁件的加工和应用越来越广泛，尤其是在汽车制造业中。在汽车发动机缸盖、阀体生产线等领域实现成型螺纹疲劳强化的优化挤压丝锥的话，能够有效提升螺纹连接强度，提高发动机产品加工效率。

由于优化挤压丝锥在进行工件的内螺纹挤压成型过程中挤压力矩大、挤压径向力大，尤其对于加工过程容易变形的铝合金薄壁件的螺纹挤压成型，容易出现因工件变形而造成的成型螺纹孔径超差问题，使得工件加工质量降低，生产线的产品合格率低；同时，由于铝合金材质本身的低强度特性，成型过程中材料塑性流动所致的挤压扭矩会影响优化挤压丝锥的可靠性，并且过大的挤压扭矩会降低刀具寿命，增加机床换刀时间，影响工厂和生产线的加工节拍。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥及其实现方法，针对薄壁件螺纹加工成型过程的变形量控制和刀具寿命提升的工程需求，对挤压锥角、刀齿铲背量、挤压锥部齿数和丝锥截面棱边数等丝锥结构参数进行多目标联合优化，在保证既有加工效率的基础上，提升工件螺纹精度，提高产品合格率，并降低加工过程刀具自身载荷，延长优化挤压丝锥刀具寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：基于有限元方法对薄壁工件及薄壁圆筒在器内壁受到与丝锥刀齿等效分布的径向力载荷下而发生径向变形进行数值仿真，计算得到径向形变量和径向力数值，并作为后续优化步骤所需的阈值参量和约束条件；

所述的薄壁工件的壁厚尺寸为w，内螺纹加工尺寸公差为ΔD，基于有限元仿真计算的径向形变量为ΔD/2，径向力数值为F’。

步骤二：根据刀具参数和加工条件，确定工件内螺纹加工现有的工艺参数，用于优化挤压丝锥刀具的结构参数，作为优化变量确定各变量的优化范围；

所述的工艺参数包括：挤压锥角

刀齿铲背量k、挤压锥部齿数lc和丝锥截面棱边数z。

步骤三：根据优化挤压丝锥刀具参数变量的优化范围，基于Box-Behnken方法设计出试验变量组合，并对每一组参数变量工况下的薄壁件内螺纹挤压成型过程进行数值模拟，得到对应的加工工况下的螺纹成型过程仿真结果数据中径向力最大值和挤压扭矩最大值；

所述的Box-Behnken方法，记载于杨振朝,林允博,刘三娃,等.“基于Box-Behnken设计的高速铣削TC11钛合金切削力预测模型研究”.《航空精密制造技术》,2018,54(4):14-18.DOI:10.3969/j.issn.1003-5451.2018.04.004.

步骤四：基于二阶曲面响应法，获得内螺纹挤压成型过程的径向力最大值和挤压扭矩最大值相对于优化挤压丝锥的优化变量的回归模型；

所述的回归模型为：

其中：F为径向力最大值，M为挤压扭矩最大值，x₁,x₂,x₃,x₄为优化挤压丝锥的四个优化变量。

所述的四个优化变量的变化范围为：其中：φ₀为原丝锥的锥角角度，Δφ为根据实际需求自行设取的锥角范围角度大小，P为螺纹螺距，K_zmax为根据实际工程设计经验所设取的z棱边刀齿最大铲背量，K_zmax根据截面棱边数z的具体取值为：

d为内螺纹挤压加工的螺纹公称直径。

步骤五：面向铝合金等薄壁件螺纹加工的变形量控制和刀具寿命提升的工程需求，基于线性加权法，设定优化挤压丝锥结构参数多目标优化的目标函数；

所述的目标函数为：g＝v₁M+v₂F，其中：v₁、v₂分别为M和F的权重，变化范围为v₁、v₂∈(0,1)。

步骤六：结合优化挤压丝锥参数优化的约束条件，对目标函数的最小值进行求解，得到的刀具参数组合的最优解。

所述的参数优化的约束条件是指：

其中：φ₀为原丝锥的锥角角度，Δφ为根据实际需求自行设取的锥角范围角度大小，P为螺纹螺距，K_zmax为根据实际工程设计经验设取z棱边刀齿最大铲背量，K_zmax根据截面棱边数z的具体取值为：

d为内螺纹挤压加工的预制底孔尺寸。

所述的刀具参数中的最优截面棱边数需要进一步圆整为正整数，得到最终优化后的刀具结构参数。

本发明涉及上述方法实现的挤压丝锥，包括：依次连接的加工工作部分、轴颈、柄部和机床夹持部，其中刀具加工工作部分的结构尺寸获得优化调整。

所述的加工工作部分包括：锥部齿、导向齿，其中：与轴颈相连，导向齿环形设置于加工工作部分上。

所述的加工工作部分为多棱边截面结构。

技术效果

本发明整体解决了现有技术面向铝合金等低强度材料构成的薄壁零件的内螺纹挤压加工过程中出现的螺纹加工尺寸超差和刀具寿命短等工程问题，本发明基于已有的刀具参数和工艺条件，能够对优化挤压丝锥的刀具结构参数进行进一步优化设计，实现对加工过程工件的形变量和刀具自身载荷的合理有效控制，从而提升螺纹加工精度，保证工件加工质量，延长所用优化挤压丝锥的刀具寿命，减少刀具消耗和换刀时间，有效降低成本，提高产线的生产效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明所优化的优化挤压丝锥刀具和结构参数示意图；

其中：a为主视图，b为结构参数图，c为不同棱边数结构示意图。

图中：加工工作部分1、轴颈2、柄部3、夹持部4、锥部齿5、校正齿6、棱边7。

具体实施方式

如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种面向铝合金薄壁件螺纹加工的优化挤压丝锥及其实现方法，以某汽车动力总成制造企业所生产的汽车发动机缸盖工件常用的A356铝合金材料的M6×1内螺纹挤压成型加工为例，现有工艺所用的刀具为现今市面上的某一型号相应螺纹规格加工的硬质合金材质优化挤压丝锥，具体步骤为：

步骤1、面向A356铝合金材质、壁厚尺寸w为6mm的薄壁工件，内螺纹加工所要求的精度等级为6H，则成型螺纹中径的尺寸公差ΔD＝0.15mm。基于有限元方法，针对厚度为6mm的A356铝合金材质及相应尺寸结构的薄壁圆筒在其内壁受到与丝锥刀齿等效分布的径向力载荷下而发生的径向变形进行数值仿真；在有限元仿真软件中构建出相应几何结构及尺寸大小的薄壁圆筒模型，赋予模型材料属性为A356铝合金的力学及传热等性能参数，设定模型边界条件与实际工件等效一致，设定圆筒的载荷为在其内壁受到的与丝锥刀齿等效分布的径向力，对薄壁圆筒的受载变形进行仿真求解，得到相应载荷条件下的变形量。

通过设取多组径向力数值的模型仿真，计算得到当其径向形变量为ΔD/2，即0.075mm时所对应的径向力数值F’，将其作为后续优化步骤所需的阈值参量和约束条件；

步骤2、根据当前工件加工既有的刀具参数和加工条件，确定工件内螺纹加工现有的工艺参数，如图2所示，以优化挤压丝锥刀具的4个结构参数——挤压锥角刀齿铲背量k、挤压锥部齿数lc和丝锥截面棱边数z作为优化变量，确定各变量的优化范围为

其中：φ₀为原丝锥的锥角角度，Δφ为根据实际需求自行设取的锥角范围角度大小，P为螺纹螺距，K_zmax为根据实际工程设计经验的z棱边结构刀齿最大铲背量。

所述的K_zmax具体数值取值为：

其中：d为内螺纹挤压加工的螺纹公称直径。

基于现有工况参数，将已有的条件参数代入：螺纹公称直径d＝6.0mm，螺距P＝1.0mm，原丝锥锥角φ₀＝5°，原刀齿铲背量k₀＝0.170mm，挤压锥部齿数lc₀＝2P，丝锥截面棱边数z₀＝4，并设取Δφ为1°，计算得到各变量的具体数值范围为

步骤3、根据优化挤压丝锥4个刀具参数变量的优化范围，基于Box-Behnken方法，设计出4个因素3个水平：

表1 Box-Behnken试验因素水平表

进而得到4因素3水平的29组试验因素变量组合：

表2 Box-Behnken试验方案设计

对每一组因素变量工况(k_i,lc_i,z_i)下的薄壁件内螺纹挤压成型过程，基于有限元仿真软件，进行仿真模型的构建，设定条件参数与实际工况一致，进行数值仿真求解，得到所对应的加工工况(第i组刀具参数组合)下的螺纹成型过程仿真结果数据，提取并记录径向力最大值F_i和挤压扭矩最大值M_i；

步骤4、基于二阶曲面响应法，获得内螺纹挤压成型过程的径向力最大值F和挤压扭矩最大值M相对于优化挤压丝锥的4个优化变量(x₁,x₂,x₃,x₄)，即：挤压锥角刀齿铲背量k、挤压锥部齿数lc和丝锥截面棱边数z的回归模型为

基于最小二乘法，根据数值仿真结果数据进行回归计算，得到2个响应变量相对于4个优化变量的各个模型参数，从而建立起当前实施例的内螺纹挤压成型过程的径向力最大值F和挤压扭矩最大值M相对于优化挤压丝锥的4个优化变量(x₁,x₂,x₃,x₄)的响应曲面模型；

步骤5：面向铝合金等低强度材质的薄壁件螺纹加工的变形量控制和刀具寿命提升的工程需求，基于线性加权法，设定优化挤压丝锥结构参数多目标优化的目标函数为g＝v₁M+v₂F，其中：v₁、v₂分别为M和F的权重因子，二者的取值范围是v₁、v₂∈(0,1)，本实施例中为了重点维护刀具可靠性，提升刀具寿命，设取v₁＝0.6，v₂＝0.4。

步骤6、结合优化挤压丝锥参数优化的约束条件为其中：φ₀为原丝锥的锥角角度，Δφ为根据实际需求自行设取的锥角变化范围大小，P为螺纹螺距，K_{z max}为根据实际工程经验而得的最大铲背量。

所述的K_zmax具体数值为：K_3max＝0.07d，其中：d为内螺纹挤压加工的螺纹公称直径尺寸，即d＝6mm。

基于现有工况参数，将已有的条件参数代入，得到优化过程各变量的约束条件为

可基于遗传算法等智能优化算法，对优化模型目标函数的最小值进行求解，得到的刀具参数组合的最优解(

k^*,lc^*,z^*)，最终，可得到优化后的优化挤压丝锥刀具结构参数：挤压锥角刀齿铲背量k^*、挤压锥部齿数lc^*和丝锥截面棱边数z^*。

为了与实际工程设计对接，截面棱边数z^*需要进一步圆整为正整数。

经过具体实际实验，在某汽车动力总成制造企业发动机缸盖生产线的螺纹加工工位机床上，以加工条件为切削速度50m/min、主轴中心内冷，采用本实施案例中优化得到的挤压丝锥刀具，对案例所述参数下的50个工件进行M6×1-6H内螺纹挤压加工，并结合力矩动态测试系统实时检测并记录加工过程力矩载荷，加工结束后进行加工质量检测，能够得到的实验数据是：所有工件的螺纹挤压成型尺寸经检测全部在精度要求的尺寸范围内，工件产品不合格率为0，加工过程最大力矩为602N·mm。

综上，本发明结合有限元数值仿真方法，通过控制铝合金薄壁件在内螺纹挤压成型过程中的径向变形量来控制其螺纹成型精度；针对挤压丝锥的功能结构参数，以加工过程径向力和挤压扭矩最大值为目标变量进行多目标联合优化，从而提升螺纹加工精度和刀具寿命。与现有技术相比，本发明相较于优化前的丝锥进行的内螺纹挤压成型得到的工件螺纹，螺纹成型的尺寸合格率提升了50％，加工过程最大力矩降低了60％。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。