钻井合金的三维有限元分析

Ti-6Al-4V 钻井合金的三维有限元分析中国江苏科技大学机械工程学院摘要 钻削是一种重要的加工工艺。利用商业有限元软件对钛合金三维有限元模型进行了三维有限元模拟，在不同进给速度和不同转速下进行了模拟，研究了钻削参数对加工性能的影响。仿真结果表明：加工参数对钻削力、扭矩和最大刀具温度的影响。根据有限元模拟优化钻井参数也推荐用于钻井 Ti-6Al-4V。关键词：钻井，有限元分析，模型，钛合金，切削力，扭矩，最大刀具温度。一 简介随着机械工业的发展，对产品质量和材料性能提出了更高的要求。钻孔是整个加工过程中非常重要的一步。在以往的研究中，需要进行大量的试验研究，在钻井过程中得到一系列的相关数据，从而带来了大量的原材料消耗。有限元法弥补了这一缺陷。有限元模拟不仅可以节省原材料，而且提高了结果的准确性。此外，有限元分析，也可以得到测量的数据，这是很难获得的实验。目前，一些学者已经研究了基于有限元模拟技术的钻井过程。例如，F 该等人。 1 介绍一三三维热力耦合有限元模型，钻井 AISI 4150 调质钢采用不同直径的硬质合金枪钻预测切削力以及在钻孔过程中的温度。YB 郭等人。 3，2 利用三维钻削的有限元分析，研究了毛刺的形成过程。O. isbilir 等人。 4 开发了一个三维利用商业有限元软件 ABAQUS /显式钻井过程的有限元模型，研究了进给速度对推力的影响，扭矩和毛刺高度。结果表明，所建立的有限元模型的钻削加工性能的变化，可以预测与钻井参数。在本文件中，三维有限元模型的钛合金 is of of 钻井法 simulations 是第一，然后在不同的 conducted 钻速和饲料利率出现以分析影响钻井参数和钻井 of the Force） ，扭矩和温度。二 有限元建模细节A 几何模型和单元划分钻头是一种复杂刀具。图 1。显示钻头的几何形状。在模型中使用的几何参数，在表 1 中给出。在这项研究中，工件被创建作为一个圆柱体，其直径和高度分别为 16 毫米和 10 毫米，分别为。工件的顶面上有一个中心孔，其深度为 1.1 毫米。图 2。显示钻井过程的几何模型。图 1 钻头的几何形状 图 2 几何模型 B. 材料性能碳化物（WC）作为钻、钛材料件作为工件模型中的材料。一个经典的约TABLE I. TOOL GEOMETRY PARAMETERSDIAM P H R W C S DETER (DE (DE (M (DE (M (M (M (M(MM) G) G) M) G) M) M) M) M)6 118 26 3 35. 0.9 4.5 1.1 386 3 9翰 逊厨师模型被选为流量应力工件模型。这种模式可以代表的下面的表达式：其中 E 是塑性应变，E 是应变率（ S-1） ，E 0 是参考塑性应变率（ S-1） ，T 是工件的温度（） ，TM 是工件的熔化温度（） ，TR 是室温（） 。系数为屈服强度（兆帕） ，二是硬化模量（兆帕） ，碳是应变率敏感系数，正是硬化系数和米是热软化系数。钛合金的约翰逊库克参数值在表 2 5 。 表二 Ti-6Al-4V 合金 Johnson-Cook 值参数A B C n m(MPa) (MPa)782.7 498.4 0.028 0.28 1C 模拟条件在仿真中，工件固定在各个方向上。钻头绕着轴旋转，同时沿轴移动。在20 和 0.02 的条件下，分别设置了初始温度和对流换热系数。就刀具与切屑间的摩擦问题，采用恒定剪切应力模型，摩擦系数为 0.6。在 9.42，11.3 和 13.19 米/分钟的钻速风险投资。在 0.08，0.12 和 0.16 毫米 /转速设定的进料速率。因此，9 个模拟执行。在每个模拟的总的模拟步骤是设置为 10000。n T Tr m (AB )(1Cln )1( ) 0 Tm Tr三 结果与讨论A 钻井参数对钻削力的影响钻削力不仅决定了钻孔的功率消耗，而且直接影响到钻削过程中切削热的产生。图。4。和 5。显示随时间变化的轴向力（载荷）的时间为不同的进给速度和钻井速度，分别。可以看出，钻削力增大钻头切入 Ti-6Al-4V 合金，然后达到一个稳定值。在那之后，它在一定范围内波图四、轴向力与时间在不同进给速度（Vc = 9.42 米/分钟） 。 (a) vc =9.42m/min (b) vc =11.3m/min(c) vc =13.19m/min图五 轴向力对时间不同的钻井速度下（F = 0.08 毫米/转）图六和七，从仿真实验中展示了钻削速度和进给速度随钻削力的变化，如图 6 所示，当进给速度保持在 0.08 毫米/ 启，随钻速的增加而减小。当进料速度为 0.12 毫米/启和 0.16 毫米/ 转的时候，它随钻速的增加而增加。同时，根据图 7，随进给速度的增加，特别是在一个较高的钻井速度（13.19 米/分钟） ，钻削力的增加。最低的钻削力，可以得到在 0.08 毫米/转速和钻速 13.19 米/分钟的进料速度通过比较图 6。与图 7，可以发现，随着进给速度的增加，钻削力的增加，表明进给速度对钻削力的影响更大.图六 随钻钻削力的变化各种进给速度的速度。图七 钻削力随钻削力的变化各种钻井速度B 钻井参数对刀具温度的影响在图中显示了不同的进给速度和钻井速度的温度的预测分布图。8。和 9，分别。在每个分布中的最大温度表示。如图所示。8。和 9，最大的刀具温度出现在附近的主切削刃。除此之外，在钻头刃口也有较高的温度。 图 10。示出了不同的进给速率从模拟得到的最大刀具温度随钻速的变化。在 0.08 和 0.12 毫米/ 转的进给率，刀具最大温度随钻速 9.42 米/分钟到 11.3 米/分钟，在刀具最大温度变化不大的结果进一步提高钻井速度。然而，在进料速度为 0.16 毫米/启，最大的刀具温度随钻速从 9.42 米/分钟增加到 13.19 米/分钟。示出了不同的钻井速度从模拟得到的最大刀具温度的变化。通过比较图 10。在图 11 中，可以看出，随着进给速度的增加而产生的最大刀具温度的增加更为明显。 图八。预钻的测温度分布（风险投资= 9.42 米/ 分钟）图九 预测钻头温度分布（F = 0.08 毫米/转）图十 随钻速不同的进给速度最大刀具温度变化图十一 以不同转速进给速度最大工具温度变化C 钻井参数对扭矩的影响钻井扭矩是钻头设计的重要参数。扭矩过大会导致钻头断裂。无花果。12。和 13。显示不同的进给速度和钻井速度，对钻井扭矩，分别。如图所示。12。13、钻井扭矩随时间变化趋势与钻削力相似。-图十二 在不同的进料速率（VC= 9.42 米/ 分钟）的时间。图十三 转矩与时间下的钻井速度（F = 0.08 毫米 /转）图 14。和 15。分别从仿真得到的钻井速度和进给速度随钻削扭矩的变化。在图 14 中所示。随钻速的增加而减小，当进料速度保持在 0.16 毫米/启，它随钻速的增加而增加，当进料速度保持在 0.08 毫米/启和 0.12 毫米/转。从图 15可以看出。随进给速度的增加，随着进给速度的增加，随钻削扭矩的增加而增加。图十四 对于不同的进料速率转矩随钻速的变化图十五 不同钻井速度转矩的变化与进给速度四、结论介绍了钛合金的三维有限元模型。总共有 9 个模拟进行研究钻井参数对钻井性能的影响。仿真结果表明，进给速度对钻削力、最大刀具温度和钻削扭矩都有较大的影响。此外，根据模拟结果，低进给率（0.08 毫米/启）和高的钻井速度（13.19 米/ 分钟）的组合，建议钛合金的钻井过程中，为了获得良好的加工性能和高生产率。致谢作者希望感谢的 51205177 号合同项下的国家自然科学基金资助研究的财政支持，bk2012277 号合同项下的江苏省自然科学基金、合同号 08kjb460002 下江苏省自然科学基础研究计划，青兰项目，和 dml-hyit 研究基金（hgdml-0901） 。引用 1 klocke，F，abouridouane 先生，gerschwiler，K 和肺，D，三维建模与仿真枪钻。先进材料研究、223、第 12 19，2011 年。【2】郭，YB 和 dornfeld，地方检察官，如果一个备份材料钻削毛刺最小化的有限元分析。第 26 namrc 会议， 1998 页 207-212 诉讼。【3】郭，YB 和 dornfeld，D.A. 、钻削毛刺形成过程的有限元模拟