钻削加工零件.doc

1 钻削过程的数值仿真与残余应力分析在金属零件的各种加工方法中，精度和表面质量要求较高的零件几乎都要进行钻削加工。钻削时,工件的表面不可避免地产生大小不同的残余应力, 这种分布不均匀的残余应力会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。本课题拟采用有限元方法建立起二维金属钻削仿真模型，对整个加工过程中工件的受力情况及加工后已加工表面的残余应力的分布情况进行数值模拟，这对工程中的实际应用具有重要的意义。主要研究内容有：（1）二维金属钻削有限元模型的建立；（2）加工过程中工件受力情况的有限元分析；（3）已加工表面残余应力分布情况的有限元分析。在金属切削加工中,大约有1/3的工作量是孔加工,有22%是实心料的钻削加工.世界各国生产刀具总产量的60%是钻头,每年全世界大约有2200万吨切屑是由钻头来切除的.由此可见钻削加工在机械加工中占有十分重要的池位.人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代。燧人氏“钻木取火”所使用的石钻，可以看作最原始的钻头。现代工业加工中广泛使用的麻花钻（俗称钻头），是一种形状复杂的实工件孔加工刀具，诞生于一百多年前。现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。据统计，在美国的汽车制造业，机械加工中钻孔工序的比重约占50%；而在飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。尽管钻头的使用如此广泛，但众所周知，钻削加工也是最复杂的机械加工方法之一。正因为如此，人们一直致力于钻头改进和钻削过程的研究。近几十年来，人们关于钻头和钻削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中在以下四个方面： 钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度（分布）的计算与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研究。 钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的开发等。 钻削过程与钻削质量研究：包括影响钻削过程的各种因素及出现的各种物理现象的分析、建模与监控（如钻削力、切削刃应力和温度分布的测量、建模和预报）；钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究；钻头的变形、偏斜、入钻时的打滑和钻尖摆动现象的研究；钻削工艺（如振动钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削过程的稳定性等）与钻削质量（孔的位置精度、直线度、表面粗糙度、圆柱度、直径、孔口毛刺等）的研究。 钻削机理与各种高性能钻头（如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等）的研究。 （3）残余应力产生的原理和分析残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下，当没有通过物体表面向物体内部传递应力时，在物体内部保持平衡的应力统称固有应力或初始应力。热应力和残余应力是固有应力的一种，而固有应力也称为内应力。残余应力产生的原因，可分为因外部作用的外在原因，和源于物体内部组织结构不均匀的内在原因 1.不均匀变形 不均匀的变形状态，是不均匀塑料变形产生的条件。 外在原因；不均一的作用应力，例如弯曲、压延、拉拔。 内在原因；由于物体内各部分组织的浓度差或晶粒的位向差等，各部分显示的不同的屈服行为。 2.热的作用 热应力产生的塑性变形；当加热、冷却过程中产生热应力时，由于高温下屈服强度低，在这种应力作用下易于产生塑性变形。 外在原因：物体各部分的弹性模量、导热系数热膨胀系数等不同而且它们的温度也不相同 相变或沉淀析出引起的体积变化 外在原因；冷却时，各部分的冷却不均匀，冷却速度也不同。故而当出现有完全相变终了的部分和相变尚未进行的部分时，两者便显出体积变化的差异。内在原因：在具有组织结构的浓度差时， 固相变和沉淀析出等，所引起的体积变化的程度也不同。 本文是研究钻削工程中的基础上,结合有限元仿真来分析材料表面的残余应力。（4）钻削过程的塑性有限元数值模拟随着机械行业的发展,对加工精度要求越来越高,精密加工技术越发重要。孔的精密加工作为精密加工技术重要内容,在机械加工中具有重要地位。随着精密加工的发展,对孔的钻削加工工艺和技术的要求越来越高,迫切需要对钻削加工技术作进一步研究。在切削过程和切屑形成方面的研究,有限元方法已经被证明是非常有效的一种方法,这种方法通过在计算机上模拟来部分代替费时、费力的实验。有限元方法于70年代开始应用于切削工艺的模拟,在金属切削的有限元模拟分析方面,许多外国学者已经作了大量的研究工作,建立了诸多简化的有限元模型。由于钻孔工具及加工过程的复杂性,钻削加工动态模拟方面的研究鲜见报道。大多学者在应用有限元模拟钻削时,都将之简化为直角切削。而且大部分的研究者都只局限于切削机理的研究,对于成形工件加工质量的研究较少。 麻花钻和枪钻是钻削加工中两种最普通的加工工具,本文采用有限元分析软件DEFORM-3D,建立了麻花钻和枪钻钻削的三维有限元模型,用有限元方法动态模拟了钻削加工过程,获得了麻花钻和枪钻加工过程中的连续切屑,验证了钻削过程动态有限元模拟的可行性;分析预测了加工过程中工件的应力、应变、应变速率、温度分布以及刀具所受的扭矩,分析比较了不同钻削速度下工件的温度变化以及应变和应变率的变化情况;计算预测了钻削过程中麻花钻的应力和变形。通过比较这两种加工刀具在钻削模拟过程所受的变形和应力进而间接分析了他们垂直度的差别。 模拟结果表明,在麻花钻和枪钻钻削中,工件具有相似的应力、应变场,温度分布,材料流动以及切屑成形等。由于枪钻的自导向装置和较强的刚性使枪钻的弹性变形比麻花钻的小很多,因而由枪钻所钻削孔的垂直度较高。对于精密加工枪钻是一种有效的加工工具。（5）本研究的意义随着时代的发展，人们对产品加工精度的要求越来越高。如何提高零件的加工精度日益成为设计者所关心的问题。同时，随着计算机技术的迅速发展，仿真技术已经越来越多的应用于工业设计中。通过仿真技术研究机床切削振动特征及其对加工精度的影响，就是一种有效的提高加工精度的手段，对实际生产具有重要指导意义。 麻花钻普通钻削中，孔轴线的偏斜和孔径的扩大是影响其加工精度的主要问题。本文研究了麻花钻加工中的仿真建模，以及振动对其加工精度的影响。应用ANSYS有限元分析，确定孔轴线偏斜和孔径扩大的数值，并对普通钻床进行改造，使钻削加工精度满足产品的要求。随着科技进步，建立预报钻削力模型方法也在不断发展。1997年，Islam A U和Liu M C提出了用人工神经网络预报群钻轴向力和扭矩方法，其训练用数据直接从文献资料中提取。2001年Kawaji S等人也提出了一种用神经网络模型估计和控制钻削轴向力方法：离线构建一个轴向力神经网络模型；以该模型为基础，通过在线最小二乘法训练，建立一个模拟神经控制器；将经过训练神经控制器应用于钻削系统，得到轴向力。1999年，Chen Y应用有限元方法分析具有刃口圆弧半径刀具斜角切削过程，建立了一个用有限次任意刃形钻头标定任意刃形钻头钻削力模型。2004年，Strenkowski J S等人用一个欧拉有限单元模型模拟组成切削刃单元刀具切削力，提出了用有限元技术预报麻花钻轴向力和扭矩方法。2002年，Yang J A等人提出了一种用I-DEAS CAE软件系统实现钻削过程仿真模型，可以预报动态钻削力。 钻削加工零件时，工件的表面不可避免地产生大小不同的残余应力，这种分布不均匀的残余应力会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。 综上，利用有限元对钻削过程的数值模拟和残余应力分析有着十分重要的意义。参考文献：1 于凤云,马光锋,孙明.EH360高强度钢的钻削加工性J，辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2000.2 王国成.高锰钢的钻削加工J，矿山机械，2005.3 贺赟晖.盲孔法中弹性阶段释放系数的数值计算方法研究D，合肥工业大学，2006.4 李华.焊接接头残余应力的数值模拟D,大连交通大学论文,2007.5 钻削加工应变对盲孔法测定焊接残余应力的影响.焊接学报,1986,76 高印寒,张振烈J，吉林大学学报(工学版),1990.7 余传禧.用小孔松弛法测量焊接残余应力几个问题的研究J,兰州铁道学院学报,1995.8 潘友光,钟善桐.国内外焊接残余应力的测试技术和理论分析的综述J,钢结构,1994.9 陈怀宁，陈亮山，董秀中.盲孔法测量残余应力的钻削加工应变J,焊接学报,1994.10 郭培燕.高速切削加工表面残余应力的分析和模拟D，山东科技大学，2007.铣削过程中残余应力仿真分析-北京航空航天大学学报2005年07期 本文献来源中国知网 在铣削加工零件时,零件各部分的残余应力分布不均匀,会使工件发生变形,影响工件的形状和尺寸精度.采用有限元分析方法,利用有限元增量理论建立了加工材料的弹塑性本构关系.针对立铣刀的铣削加工,建立了二维金属铣削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,通过对典型钢件的加工模拟,得到了加工后已加工表面的残余应力的分布情况和整个加工过程中工件的受力情况,对于工程中的实际应用具有重要的意义.【作者单位】：北京航空航天大学机械工程及自动化学院 北京100083 (董兆伟;张以都);河北师范大学职业技术学院机械系 石家庄050031(刘胜永)【关键词】：铣削;有限元;残余应力;变形【基金】：国防基础科研资助项目;河北省