（机械设计及理论专业论文）基于de可转位浅孔钻的有限元仿真.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：到训江指导教师签名： 骷玛 日期： 工oj i 6 f 0日期 2 of i f 1 fd 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：剔朗江指导教师签名： 日期：l o t1 ( 1o日期 2 口 西华大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业水平的提高和计算机技术的发展，c a d c a m c a e 技术得到了越来越 广泛的应用，企业对生产效率和工件加工精度的要求也越来越高。在实际加工过程中， 影响金属切削的主要因素有：切削力、切削热和刀具磨损。切削力使切削层金属产生变 形，并产生切削热。切削热会引起热变形，并加剧了刀具磨损。磨损后的刀具不仅直接 影响工件加工精度和刀具的使用寿命，而且会增大切削力以及增加切削热的产生。可转 位浅孔钻属于钻削刀具，而且运用比较广泛，因此研究可转位浅孔钻对生产实践具有重 要的现实意义。 实验法作为研究金属切削的传统方法，需要大量的工作时间和实验成本。而有限元 法在理论上已经趋于成熟，有限元仿真在金属切削领域的应用也越来越全面且深入。由 于有限元仿真分析精度高，并且经济、有效，已经成为研究金属切削的重要工具。因此， 本文采用有限元仿真作为研究浅孔钻的方法。 为了创建有限元仿真所需的三维模型，采用三维设计软件s o l i d w o r k s 建立可转位浅 孔钻的实体模型，然后利用m a t l a b 软件对浅孔钻进行结构优化，并以优化后的参数 对浅孔钻重新建模。 本文利用d e f o r m 3 d 软件模拟浅孔钻加工4 5 钢的过程，从而得到钻削过程中的 切削力、扭矩、切削温度及刀具磨损，并对优化前、后两种浅孔钻的切削力、切削温度 和刀具磨损等进行对比与分析。优化后的浅孔钻径向合力几乎为零，扭矩波动程度降低， 两刀片的磨损量都明显减小，切屑与刀具接触的表面温度的最高值也降低。为验证钻削 仿真的正确性，本文采用均匀设计法拟定了钻削实验方案，并将三向测力仪、动态电阻 应变仪、计算机以及数据采集与处理软件组装成测力系统。这为以后的钻削实验研究做 好充分的准备工作，以及提供有价值的参考数据。 关键词：可转位浅孔钻；有限元；d e f o r m ；仿真 基于d e f o r m 可转位浅孑l 钻的有限元仿真 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a l l e v e l ，c a d c a m c a et e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h er e q u i r e m e n t f r o me n t e r p r i s ei sa l s oi n c r e a s i n g l yh i g h e rf o rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n g p r e c i s i o n o f w o r k p i e c e s i nt h ep r o c e s so fp r a c t i c a lm a c h i n i n g ，t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tm e t a lc u t t i n ga r e c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gh e a t , a n dt o o lw e a r c u t t i n gf o r c er e s u l t si nd e f o r m a t i o no nc u t t i n gl a y e r s o fm e t a l ，a n dg e n e r a t ec u t t i n gh e a t c u t t i n gh e a tw i l lc a u s et h e r m a ld i s t o r t i o n ，a n da g g r a v a t e t o o lw e a r t o o lw e a rn o to n l yh a sd i r e c te f f e c to nt h e m a c h i n i n ga c c u r a c yo f w o r k p i e c ea n dt h e s e r v i c el i f eo fc u t t i n gt o o l ，b u ta l s oi n c r e a s e sc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gh e a tg e n e r a t i o n d r i l l w i t hi n d e x a b l ei n s e r t sb e l o n g i n gt od r i l l i n gt o o li su s e dm o r ew i d e l y ，s ot h er e s e a r c ho nd r i l l w i t hi n d e x a b l ei n s e r t si so fi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h ep r o d u c t i o np r a c t i c e a sat r a d i t i o n a lm e t h o do f s t u d y i n gm e t a lc u t t i n g ，e x p e r i m e n t a lm e t h o dr e q u i r e sal a r g e a m o u n to fw o r kt i m ea n de x p e r i m e n t a lc o s t s h o w e v e r ，f e mt h e o r yh a sb e e nm a t u r e d ，t h e a p p l i c a t i o no ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o ni nt h ef i e l do fm e t a l c u t t i n g i s i n c r e a s i n g l 3 ， c o m p r e h e n s i v ea n dd e e p l y f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tt o o li nm e t a l c u t t i n gr e s e a r c h ，b e c a u s eo fi t sh i g ha n a l y s i sp r e c i s i o n ，e c o n o m ya n de f f i c i e n c y t h e r e f o r e ， f e ms i m u l a t i o ni su s e da st h er e s e a r c hm e t h o d i no r d e rt oc r e a t et h e3 dm o d e ln e e d e df o rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h e3 dd e s i g n s o f t w a r es o l i d w o r k si su s e dt oc r e a t et h ee n t i t ym o d e lo fd r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t s t h e nb y u s i n gm a t l a bs o f t w a r ef o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h em o d e l ，a n dr e m o d e l i n gi tw i t ht h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r s d e f o r m - 3 ds o t h c a r ei su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fd r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t s m a c h i n i n g4 5 # s t e e lp r o c e s s i n g ，s oo b t a i n i n gc u t t i n gf o r c e ，t o r q u e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt o o l w e a ri nt h ep r o c e s so f d r i l l i n g ，a n dt h e nc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h es i m u l a t i o no u t c o m eo f t h e t w ok i n d so fd r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t s a f t e rt h ed r i l li so p t i m i z e d ，t h er a d i a lc u t t i n gf o r c ei s a l m o s tz e r o t h ef l u c t u a n te x t e n to f t o r q u ed e c r e a s e s t h ea m o u n to f w e a ro ft w oi n s e r t sr e d u c e s s i g n i f i c a n t l y t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea l s or e d u c e d so nc o n t a c ts u r f a c eo fc h i pa n dt 0 0 1 i n o r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ed r i l l i n gs i m u l a t i o n ，u n i f o r md e s i g nm e t h o di sa d o p t e d t os t u d yo u td r i l l i n ge x p e r i m e n ts c h e m ei nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，d y n a m o m e t r i cs y s t e mi s a s s e m b l e dw i t hd y n a m i cr e s i s t a n c ed e f o r m e t e r ，3 一d i m e n s i o n a ld y n a m o m e t e r ，c o m p u t e r ，d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs o f t w a r e t h i sw i l lm a k ef u l lp r e p a r a t i o na n dp r o v i d ev a l u a b l e r e f e r e n c ed a t af o rf u t u r ed r i l l i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c h k e yw o r d s ：d r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t s ；f e m ；d e f o r m ；s i m u l a t i o n - _ _ 。一。一一 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1绪论：1 1 1 可转位浅孔钻的简介l 1 1 1 可转位浅孔钻产生的背景l 1 1 2国内外可转位浅孔钻的发展现状l 1 1 3 可转位浅孔钻的理论研究2 1 2 课题来源4 1 3 本课题研究的目的和意义4 1 4 本课题的主要研究内容与技术路线4 1 5 小结5 2 金属切削基本理论6 2 1 切削力6 2 1 1 切削力的测量6 2 1 2 切削力经验公式7 2 2 切削热和切削温度的研究8 2 2 1切削热的产生和传出8 2 2 2 切削温度的理论计算1 0 2 3刀具磨损1 0 2 3 1正常磨损一1 l 2 3 2 刀具磨损的原因1 3 2 4 小结。l5 3 基于有限元的金属切削研究1 6 3 1 有限元法概况1 6 3 1 1 有限元法的基本思想1 6 3 1 2 引入有限元分析的必要性1 6 3 1 3 有限元分析的力学基础1 8 3 2 有限元法在金属切削领域的应用2 1 3 3 有限元仿真软件的应用2 2 3 3 1有限元仿真软件的对比2 2 3 3 2d e f o r m 的介绍2 2 i i i 基于d e f o r m 可转位的浅孔钻的有限元仿真 3 3 3d e f o r m 3 d 的特点2 3 3 4小结2 4 4 可转位浅孔钻的三维建模与结构优化一2 5 4 1s o l i d w o r k s 软件的简介2 5 4 2 可转位浅孔钻的结构形式与几何参数2 6 4 2 1 可转位浅孔钻的结构形式2 6 4 2 2 可转位浅孔钻的参数选用2 7 4 3可转位浅孔钻基于s o l i d w o r k s 三维模型的建立2 8 4 3 1可转位浅孔钻的建模构思2 8 4 3 22 0 斜削平型直柄浅孔钻刀体的三维建模一2 9 4 3 3可转位浅孔钻刀片w c m x 0 4 0 2 0 8 的三维建模3 7 4 3 4 可转位浅孔钻的装配体模型的建立3 8 4 4 可转位浅孔钻的结构优化4 0 4 4 1 优化设计概述4 1 4 4 2m t a l 蛆软件简介4 1 4 4 3m a t l a b 优化工具箱4 2 4 4 4 可转位浅孔钻的几何模型4 2 4 4 5 模型的优化4 5 4 4 6 优化结果4 6 4 5 小结4 7 5 可转位浅孔钻的钻削仿真4 8 5 1 钻削仿真的关键技术4 8 5 1 1u s u i 磨损模型。4 8 5 1 2 材料失效标准的选用4 8 5 1 3网格划分4 8 5 1 4 求解器的设置。4 9 5 2 钻削仿真5 0 5 2 1钻削参数与材料属性的设定。5 0 5 2 2 钻削仿真的前处理5 0 5 2 3 钻削仿真过程5 8 5 2 4 钻削仿真结果5 9 i v 西华大学硕士学位论文 5 3 数据对比与分析6 6 5 3 1 切削力6 6 5 3 2 扭矩6 8 5 3 3 切削温度6 9 5 3 4 刀具磨损7 1 5 4小结7 3 6 钻削实验方案拟定7 4 6 1 均匀试验设计7 4 6 1 1 试验方法的确定7 4 6 1 2 均匀设计表7 4 6 2实验条件7 5 6 3实验准备7 5 6 3 1测力设备的安装。7 5 6 3 2 测力仪的标定：7 8 6 4 数据采集与处理8 2 6 4 1数据采集一8 2 6 4 2 数据回放8 2 6 4 3 均值处理：8 3 6 5 小结8 4 结论与展望8 5 结论8 5 展望8 5 参考文献8 7 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况8 9 致 射9 0 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1可转位浅孑l 钻的简介 1 1 。1 可转位浅孑l 钻产生的背景 在金属切削加工中，整个机械加工量的们属于孔加工，其中钻孔约占2 5 ，扩孔、 铰孔、镗孔等其他孔加工约占1 3 ，因此钻孔刀具的作用在机械加工中非常重要。因为 钻孔加工的条件比较苛刻，所以相对于其他刀具钻孔刀具的发展比较缓慢。多年来，钻 孔刀具一直以高速钢麻花钻为主。麻花钻的结构形状和几何参数仍然存在一些缺陷，并 且高速钢允许切削速度的较低，通常在加工钢或铸铁时允许切削速度v 1 5 2 5 m m i n 。 麻花钻受工件材料切削性能的影响很大，尤其是用高速钢麻花钻头来钻削各种难加工材 料时，会非常困难，以至于钻孔的加工效率低下，并且对孔的加工精度难于保证【lj 。 直到2 0 世纪7 0 年代，硬质合金可转位浅孔钻的出现，在金属切削行业引起了广泛重 视。它是孔加工技术发展史上继喷吸钻之后的又一个重要的创新【2 】。目前，在世界上很 多发达国家可转位浅孔钻的生产和应用日益广泛。 由于科学技术的发展和工业生产要求的提高，n c ( 数控) 机床、c n c ( 加工中心) 机床、组合机床的广泛应用，以及f m s ( 柔性加工系统) 和自动生产线的逐渐普及，因 此对钻孔刀具的性能、加工效率和使用寿命等方面都提出了更高的要求。在此背景下， 国内外在钻头的材料和结构方面都进行了大量的探索、研究，最终这种新型的孔加工刀 具应运而生。 1 1 2 国内外可转位浅孔钻的发展现状 目前，世界各国生产的硬质合金可转位浅孔钻的结构形式和刀片形状各有特色，其 共同点是：钻孔的深度大多在3 d 以下，孔径为由1 6 1 7 0 m m 。可转位浅孔钻效率高于 麻花钻3 1 0 倍，采用t i c 涂层后切削速度可达3 0 0 m m i n 。对于直径大于1 2 m m 、孔深 小于3 d 的孔，国际上己广泛采用硬质合金可转位刀片浅孔钻。这种浅孔钻无需重磨， 只要更换刀片，钻头体可长期使用，而且具有自定心能力，钻前也无须在工件上预钻中 心孔。因此，这种浅孔钻已经成为数控钻床和加工中心上的常用钻头。 瑞典s a n d v i k 公司提供的t m a x u 浅孔钻，其尺寸范围为由1 7 5 5 8 5 m m 。德国 h e r t e l 公司提供的d r i l l f i x 浅孔钻，其尺寸范围为由1 6 8 2 m m ；a b s k u b 浅孔钻是由 德国k o m e t 公司生产，可加工巾1 2 8 2 m m 的孔。这两家公司均生产排屑槽均为螺旋 形的浅孔钻。这种钻头有利于排屑，具有很高的金属切削率，对普通碳钢的切削速度达 基于d e f o r m 可转位浅孔钻的有限元仿真 1 2 0 1 5 0 m m i n ，而且刚度高。而德国w d 认公司提供的w i d a x b w 浅孔钻，又将钻孔 范围扩大到巾1 2 1 0 5 m m 。德国w a l t e r 公司现在已生产的b 4 2 1 x 可转位浅孔钻可加 工5 d 的孔深，其直径范围为由1 6 5 3 5 m m 。b 4 2 1 x 浅孔钻适用于各种工件材质：铸 铁，柔性钢，高合金钢和多种难加工材质，其性能大幅超越常用可转位刀具。日本东芝 钨株式会社生产的t d j 型t a c 浅孔钻，可以加工孔径小于1 8 m m 、深度小于2 d 的孔。 在我国，多家刀具公司生产硬质合金可转位浅孔钻，其中具有代表性的是株州钻石 公司推出z t d 0 3 0 4 系列浅孔钻。此系列的浅孔钻可加工直径1 6 5 0 m m 、深度5 d 以下 的孔，并广泛应用于发动机、模具、风电等行业。外刀片牌号为y b g 2 0 5 ，其特点是： 采用强韧性的细晶粒的碳化钨基硬质合金、添加耐磨和耐高温的稀有元素的超细t i a l n 基纳米涂层。内刀片为通用加工牌号y b g 2 1 2 ，采用高韧性的超细硬质合金基体与高耐 磨的t i a l n 涂层相结合的特殊工艺。z t d 0 3 0 4 系列浅孔钻的芯厚小，螺旋槽结构独特， 切屑排导能力强，可加工的孔深范围增大。整体上，我国的可转位浅孔钻加工效率不高， 可加工孔的尺寸范围有限，性能上也有待于进一步提高。 可转位浅孔钻的整体发展趋势：加工孔径与孔深的范围将进一步扩展，钻削速度会 继续提高，刀片的几何参数更加趋于合理，特别是刀片材料不断革新与应用。在刀片基 体的硬质合金中加入t a c 有利于晶粒细化和分布均匀化，硬质合金晶粒尺寸将越来越 小，刀片硬度和耐磨性就越高。涂层硬质合金是近年来硬质合金的重大发展与变革，是 在硬质合金表面上复涂一层5 1 2 9 m 的t i c 、t i n 等物质，使得硬质合金既有强韧的基 体，又有高硬度、高耐磨性的表面。随着涂层工艺的发展，多层t i c a 1 2 0 3 、t i c - a 1 2 0 3 - t i n 多层涂层技术逐渐应用，并实现了t i c n 、t i a l n 、a 1 t i n 等多元复元涂层， 以及t i n n b n 、t i n c n 等多元复合薄膜涂层，甚至纳米涂层。 1 1 3 可转位浅孔钻的理论研究 目前，关于可转位浅孔钻的研究主要包括两个方面：一是对刀片材料和几何形状的 研究，二是对刀体安装角度和排屑槽型的设计。 文献【3 将不同几何参数和涂层材料的硬质合金刀片进行组合，形成不同的可转位浅 孔钻，通过钻削实验研究四种组合浅孔钻的钻削性能以及刀具磨损。 钻头a ：内刀片正方形、外刀片菱形，刀片材料均为c v d ( 化学气相沉积) 、t i c 涂层；钻头b i ：内外刀片均为a 1 2 0 3 多层涂层的等边不等角六边形刀片；钻头b 2 - 内外 刀片均为p v d ( 物理气相沉积) 、t i n 涂层的等边不等角六边形刀片；钻头b 3 ：内外 刀片均为无涂层的等边不等角六边形刀片。 实验条件：五轴联动的c n c 机床、工件材料s a e l 0 1 8 钢、转速7 1 m m i n 、进给量 0 0 6 m m r 、背吃刀量1 0 m m 、冷却液切削。 西华大学硕士学位论文 实验表明：钻头a 易磨损，但被加工孔的质量最高；钻头b l 比钻头b 2 、b 3 被加 工孔的质量好。 由于常用浅孔钻的两个刀片在钻头位置上的不对称性，导致了钻削过程中产生径向 合力，从而浅孔钻的径向受力不均，最终影响被加工孔的质量。因此，研究浅孔在加工 过程中径向力的平衡问题是设计浅孔钻的一个重要方向。 文献【4 以两个刀片的浅孔钻为例，利用单位切削力和简化的数学模型，并依据平衡 原则进行分析。浅孔钻受力平衡原则为：径向力应相互平衡，互相抵消；构成力偶的两 个切削力应平行、相等，产生的切削扭矩与机床旋转力矩平衡。为满足平衡条件，引用 文献 5 】中的公式进行计算： t a n ：竺盟毒红l 。 c o s 谚, lc o s , 2 + k s m 办1s i n 咖2 其中：声为内刀片顺时针或外刀片逆时针绕中心偏转的角度，办。和咖：为余偏角，k 为进给力与主切削力的比值。文献 4 】中没有考虑两刀片的轴向距离对切削刃实际切削长 度的影响。文献 5 】中以切削刃上各点相同的单位切削力来推导夕角，而实际上由于切削 刃上各点切削速度不同，单位切削力也不相同。， 文献 6 ：在n = 4 7 0 r m i n 、f = 0 0 6 m m r 条件下，分别采用巾2 9 、巾3 2 、由3 8 三种 不同直径的浅孔钻加工对4 5 钢，并对所测得的数据进行回归分析，建立了钻头直径与 轴向力：径向力、主切削力、扭矩的经验公式。这些经验公式是在一定切削条件基础上 的，所以适用范围有限。 文献 1 】、 7 均采用经典的斜角切削理论和经验公式相结合的方法来建立钻削力和 扭矩的方程式，并对其求解，以使得内外刀片的径向合力及扭矩为最小。由于过心部分 的切削刃为负法前角，而且其绝对值较大，宜采用经验公式，经验公式中的修正系数与 实际采用的加工条件、被加工材料有关。其余部分的切削刃的分析采用经典斜角切削理 论和经验公式相结合的方法，而经典斜角切削理论中所用的一些切削参数只适用于 s 1 2 1 4 易切钢。即这种方法仅对切削刃过心部分的切削力和扭矩进行了修正，因此，在 浅孔钻结构优化方面存在一定的缺陷。 文献 8 利用有限元软件a n s y s 对浅孔钻进行切削仿真，同时将两种不同结构浅孔 钻的实验结果作对比，定性地分析了浅孔钻优化的情况，同时，对浅孔钻的结构设计提 出意见和建议。 基于d e f o r m 可转位浅孔钻的有限元仿真 1 2 课题来源 本课题来源于西华大学与成都成量工具集团合作的国家科技重大专项项目“数字化 工具及量仪”的子课题“高效可转位刀具系列及超硬工具”。 1 3 本课题研究的目的和意义 通过对可转位浅孔钻结构的研究，选择合理的切削用量，利用有限元法仿真4 5 钢 的钻削过程，并对优化前与优化后的浅孔钻的切削力、扭矩、切削温度和刀具磨损等方 面进行对比，从理论上验证优化后浅孔钻结构的合理性。研究浅孔钻的目的是提高被加 工孔的精度、增加刀具使用寿命、提高加工效率，并为开发其他可转位刀具及超硬材料 工具系列产品提供了理论依据和参考数据，最终，缩小国内与世界先进国家在浅孔钻性 能上的差距，使国内生成的浅孔钻接近甚至达到世界先进水平。 1 4 本课题的主要研究内容与技术路线 本文围绕可转位浅孔钻钻削加工过程的仿真，主要的研究工作为以下几个方面： ( 1 ) 建立浅孔钻的三维模型 在分析浅孔钻的结构组成、研究浅孔钻的钻削过程的基础上，利用三维软件 s o l i d w o r k s 建立浅孔钻的实体模型。 ( 2 ) 优化浅孔钻的结构参数 利用m a t l a b 软件对浅孔钻的内、外刀片的安装参数进行优化。 ( 3 ) 浅孔钻有限元仿真的前期工作 了解有限元法的基本理论，通过对常用有限元软件的比较，采用d e f o r m 3 d 软件 作为本文的研究工具。在d e f o r m 3 d 前处理中建立有限元钻削模型，并对浅孔钻和工 件的材料属性、网格划分、边界条件等进行设置。 ( 4 ) 钻削仿真与结果分析 动态模拟钻削加工过程，并在d e f o r m 3 d 后处理中，提取计算结果，将优化前后 两种浅孔钻的切削力、扭矩、切削温度和刀具磨损等进行对比与分析。 ( 5 ) 拟定钻削实验方案 采用均匀设计法拟定实验方案，利用专用电缆和数据线将三向测力仪、动态电阻应 变仪、a d 板( 模数转换板) 、计算机连接组成测力系统，并在计算机中安装数据采集 与处理软件。 4 西华大学硕士学位论文 1 5小结 本章主要阐述了三个方面的内容： ( 1 ) 简要叙述了可转位浅孔钻产生的背景。 ( 2 ) 阐述了可转位浅孔钻在我国以及世界先进国家的最新发展现状和发展趋势。 ( 3 ) 对几种浅孔钻的研究方法进行分析与讨论。 ( 4 ) 阐述了课题的来源、课题研究的意义和目的以及主要研究内容。 基于d e f o r m 可转位浅孔钻的有限元仿真 2 金属切削基本理论 2 1切削力 切削力是金属切削过程中的重要物理现象，是刀具与切削层金属相互作用的结果。 切削力不仅使切削层金属产生变形，消耗功率，而且产生的切削热，使刀具变钝而失去 切削性能，加工表面质量变差，也影响生产效率的提高。切削力还可用来衡量工件材料 切削加工性和刀具材料切削性能的优劣。 2 1 1 切削力的测量 测量切削力可采用电功率法和测力仪法。 ( 1 ) 电功率法【9 】 电功率法是在已知切削速度的情况下，通过测量机床切削时消耗的电动机功率，并 利用公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可间接计算出切削力。电功率法只能粗略测量切削力的值。 足= 足刀。 ( 2 1 ) 疋= 丝 ( 2 2 ) 艺 式中p c 一切削功率； p 广电动机功率； 叩。机床总传动效率； r 一主切削力； ， 1 r 切削速度。 ( 2 ) 测力仪法 测力仪器是测量切削力的专用仪器。就其原理可分为机械式、液压式和电测式。电 测式又可分为电阻应变式、电磁式、电感式、电容式及压电式。 当前，国际上广泛采用的是压电式和电阻应变式测力仪。前者优点是刚性大、动态 特性优良；缺点是对强磁场干扰比较敏感，而且在湿度大时容易发生电荷泄漏，影响测 量精度。此外，用于微小力测量的力传感器需要分段标定，在这种情况下的线性度比较 差。后者经过不断的研究改进，不仅具备刚性大、动态特性优良的特点，而且抗干扰能 力强，同时它的线性度非常理想。 电阻应变式测力仪工作原理：当切削抗力作用在刀具上时，电阻应变片将随弹性元 件发生弹性变形，从而改变粘贴其上的电阻应变片的电阻值，原来平衡的电桥就将失去 平衡，产生电位差，电流表中则有电流通过。 6 西华大学硕士学位论文 由于这种电信号比较微弱，常用电阻应变仪放大后，在记录仪器上显示并记录数据。 其显示或记录的数值与作用在刀具上的切削抗力的大小成正比。在实际测力之前，先要 标定出切削抗力与输出电信号间的关系曲线，再可根据记录下来电信号的大小计算出切 削抗力的值。而刀具作用于工件的切削力与刀具上的切削抗力为作用力与反作用力，因 此计算得到的切削抗力的值也就是切削力的值。 2 1 2 切削力经验公式 切削力经验公式是指切削力的指数公式，是通过切削实验建立起来的。切削实验的 方法很多，有单因素法、多因素法、正交设计法及均匀设计法；数据处理方法有图解法、 线性回归法以及计算机数据采集处理法。 ( 1 ) 用指数公式计算【7 】 实际生产中，常用指数公式来计算切削力。 疋= 9 8 1 呸口厂抿( 6 0 1 ，) 仳k ( 2 3 ) = 9 8 1 吒妒厂雎( 6 0 v ) k 乓( 2 4 ) e = 9 8 1 口厂强( 6 0 v ) 啊k ( 2 5 ) 式中只、c 、e 主切削力、背向力和进给力； c 毫、工件材料和切削条件对切削力的影响系数： 强、t 、k 背吃刀量对切削力的影响指数； 托、拖、进给量对切削力的影响指数； k 、切削速度对切削力的影响指数； k 、k 、k 实验条件与经验公式中切削条件不同时，各因素对切削力 影响的修正参数之乘积。 ( 2 ) 用单位切削力公式计算 切削力为已知条件时，可用公式( 2 6 ) 计算切削力。- c = k c 如= k 。( f a 。) ( 2 6 ) 式中单位切削力； 彳厂切削面积。 基于d e f o r m 可转位浅孔钻的有限元仿真 2 2 切削热和切削温度的研究 切削温度与切削热一直都是金属切削理论研究的重点与难点，在常规切削速度段的 研究中已经积累了关于切削温度的大量经验u 。 两者是影响金属切削状态的重要物理因素之一，切削时所消耗能量的9 7 9 9 转 化为热能。大量的热能使切削区的温度升高，直接影响刀具的寿命和工件的加工精度。 因此研究切削热和切削温度对生产实践有着重要的指导意义。 2 2 1 切削热的产生和传出 切削温度的高低取决于切屑热产生的位置和多少，以及切削热传递和散失的速度。 控制切削温度不仅要减少切屑热的产生，还要设计合理有效的热量散失途径。 ( 1 ) 热源 切削热的来源主要有两个方面，一是切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦所产 生的热。另一个是刀具克服切削层金属弹性变形和塑性变形做功所产生的热。与此对应， 产生切削热的温度场可分为三个区域：剪切面、刀屑接触区、刀工接触区： 图2 1 切削热的来源 f i g 2 1 t h es o u r c eo fc u t t i n gh e a t 由于后刀面上的摩擦远远小于前刀面上的摩擦，并且进给运动所做的功远远小于主 运动所做的功。因此，忽略后刀面上摩擦产生的热和进给运动做的功，并假定主运动所 做的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热为： 只= c k ( 2 7 ) 式中尸c 每秒钟产生的切削热( j s ) ； r 切削力( n ) ； ， k 切削速度( m s ) 。 8 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 切削热的传导 切削热可由切屑、工件、刀具和周围介质传导出去。影响热传导的主要因素是工 件和刀具材料的导热系数及周围介质的状况。 工件材料的导热系数 当加工导热系数较小的工件材料( 如不锈钢和高温合金) 时，切削热不容易从切屑 和工件方面传导出去，因此加工过程中的切削区温度较高，刀具磨损快。当工件材料的 导热系数大时，由切削区传导到切屑和工件的热量较多，因而切削区温度较低，但整个 工件温升较快，传递到工件的热量会引起工件发生热变形，从而影响工件的加工精度和 表面质量。 刀具材料的导热系数 刀具材料的导热系数大时，切削区传递给刀具的热量较多。在降低切削区的温度的 同时，刀具温度上升，发生热变形，影响加工精度，并且加剧刀具的磨损。y g 类硬质 合金抗弯强度较高，所以在切削导热系数小、热强性好的不锈钢和高温合金时，在缺少 新型高性能硬质合金的情况下，多采用y g 6 x 、y g 6 a 等导热系数较大的硬质合金。 切削液 采用冷却性能较好的切削液也能有效的降低切削温度。采用喷雾冷却法使切削液雾 化后汽化，将能吸收更多的切削热而使切削温度降低。 此外，切屑与刀具的接触时间也影响切削温度。例如，在进行半封闭式容屑的钻削 加工时，切削形成后仍较长时间与刀具接触，由切削所带走的切削热再次传给刀具，使 得切削温度升高。在高速铣削时，由于切削速度很高，切屑上的热量还没有大量传递给 刀具，切屑就已经被切除，因此随着切削速度的上升，切削温度反而下降。不同的切削 加工方法，切削热沿不同传导途径传递出去的比例也各不相同，见表2 1 。此外，切削 速度越高，进给量越大，由切削带走的热量就越多。 表2 1 不同加工方法的切削热传导比例 t a b 2 1 c u t t i n gh e a tc o n d u c t i o nw i t hd i f f e r e n tm a c h i n i n gm e t h o d 传导途径 干车削 钻削 切屑 5 0 - 6 0 2 8 工件 3 一9 5 2 刀具 1 0 4 0 1 5 周围介质1 5 9 基于d e f o r m 可转位浅孔钻的有限元仿真 2 2 2 切削温度的理论计算 切削温度一般是指刀屑接触区的平均温度，可近似为剪切面的平均温度与刀屑接 触区摩擦温度之和。对于切削温度的研究，主要有三种研究方法：一是实验测定；二是 理论上的分析，求解析解：三是采用数值计算方法，求近似解。其中实验法是最基础、 最直接、最接近真实情况的研究方法 1 2 】。 剪切面平均温度的理论分析与算法【1 3 】：要求解剪切面的平均温度，先要计算剪切面 上的热量。假定剪切面上的剪切功是均匀分布，并且完全变成热。 剪切面上单位时间消耗的功魄为： 虬= 只k ( 2 8 ) 式中瓦一作用在剪切面上的剪切力( n ) ； 剪切速度( m s ) 。 剪切面上单位面积单位时间消耗的功u ：为： 玑：坠：盟s i n # ( 2 9 ) 。h d b d c s c # h o b d 式中 d 广一切削厚度( m ) ； 6 厂切削宽度( m ) ； 咖剪切角。 剪切面上单位面积单位时间的热量g 。为： q ，= 眼= 鲁s i n 矽 ( 2 1 0 ) r l d u d u ：上l ：土 ( 2 1 1 ) s v c h d b dv c s i n 咖 式中( 7 卜单位切削体积的剪切功。 设剪切面上产生的热量流入切屑的比例为尺l ，流入切屑的热量为r t q 。，则忽略热量 的损失，则剪切面的平均温度应为： 。 。 虿= 嬲p l悱等, o l + 岛 c ll k ，l d jc 1 2 3刀具磨损 在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受着很大切削力，而且前刀面与切屑、后刀 面与工件相互挤压和摩擦，产生很高的切削温度，结果使刀具逐渐磨钝。刀具磨钝到一 西华大学硕士学位论文 定程度时，切削力迅速增大，切削温度急剧增高，甚至产生振动，使工件加工精度下降， 此时就要磨刀或换刀。 刀具磨损与机械、热和化学作用有关。切削底层金属与前刀面接触，不存在氧化膜 或油膜，容易发生化学反应。前、后刀面上的接触压力很大，温度很高。钻头外缘转角 处散热条件差，切削温度最高，磨损最严重。 通常情况下，硬度越高的材料，耐磨性越好。因此，c r o 8 4 5