基于热-力多物理场耦合理论的钻削仿真研究

第 3期 2 0 1 3年 3月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 1 6 5 基于热一 力多物理场耦合理论的钻削仿真研究 黄立新 钟峻青 上海工程技术大学 上海 2 0 1 6 2 0 摘要 钻削过程中 主运动与进给运动结合 去除切削层 生成切屑并形成新的工件表面 在局部高温和高压条件下 不 断变化着的 3 表面 已加工表面 加工表面 待加工表面 存在着机械 物理和化学作用 通过有限元技术建立基于热一 力 多物理场耦合理论的钻削加工印刷电路板中铜箔材料表面创成模型 并对加工过程的多种特征进行了仿真 分析钻削加 工中钻削力 钻削温度的动态变化规律 仿真显示 直径 3 2 mm钻头在 2 0K r ra i n主轴转速和 1 0 0 0 m m m i n进给速度的切 削条件下 其轴向力和扭矩信号呈艰峰形状 钻削铜的最大轴向力6 2 N 最大扭矩 0 0 4 4 N m 切削区的温度为 2 0 0 左 右 仿真结果和 P C B钻孔 实测结果基本吻合 关键词 钻削 有限元方法 切削机理 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 o 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 3 0 1 6 5 0 4 Si mu l a t i o n S t u d y o n Dr i l l i n g B a s e d o n Th e r mo Me c h a n i c a l Co u p l i n g HUANG L i x i n Z HONG J u n q i n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 C h i n a Ab s t r a c t The m m n m o v e m e n t i s c o m b i n e d w i t h f e e d m o v e m e n t a n d r e m o v e s t h e w o r k p i e c e o n t h e d r i l l i n g t O p r o d u c e c h ip s a n d t h e f o r m a t i o n o fa n e w s u e O n l o c a l t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e c o n d i t i o n s t h e t h r e e c h a n g i n g s u r f a g e s t h e m a c h i n e d s u g Ca c e t h e m a c h i n i n g s u ace t h e s u ace is t O b e p r o c e s s e d a n d t h e r e i s a m e c h ani c al p h y s ic al a n d c mic d e ffe c t s T h e m e c h anis m oft h e c r e at ion ofh o l e s is v e r ifie d b y t h e fin i t e e l e m e n t t e c h n o l o g y B a s e d o n t h e r m o m e c h ani c a l c o u p l i n g t h e o r y m o d e l c a n b e a p p l i e d tod r i l l i n g p r i n t e d c i r c u hb o a r d P C B w h i c h i s c o nsis t s o f t h i n c o p p e r f o i l I t s h o w s f o r 3 2 m md r i l l 2 0 K r m i n i ndl e r o t atio n and f e e d of 1 0 0 0 mm mi n t h e t o r q u e r e a c h e s 0 0 4 4 N m a n d t h r u s t is 6 2 5 1 E x p e r i me n t s h a v e v e ri fie d t h at t h e mo d e l p r e d i c t s th e t e m p e r atu r e fi e l d a n dd r i l l i n gt h r ust a n dt o r q u e f o r a r ang e o fd ri l l g e o met ry Ke y W o r d s F EM Dr i l l i n g Cu t t i n g Pr i n c i p a l 1 引言 孔表面创成过程与质量与下列因素有关 切削用量 主轴高速 旋转速度 进给速度 刀具 几何形状 刀具材料 3 2 艺过程 切削 力 切削温度 刀具磨损 排屑断屑 工件材料 在局部高温和高压 条件下 钻削印刷电路板过程中存在着机械 物理和化学作用 在孔 形成过程中表面创成会呈现出特殊规律 国际上对金属切削工艺的 有限元模拟应用十分广泛 一些科研人员对钻 车 铣的三维金属切 削过程的模拟进行了深入研究 应用 R o b u s t 自 适应重划算法 避免 了计算过程中产生的不收敛问题 一些科研人员分析了难加工材 料切削中 回转刀具的圆周速度和刀具表面温度的关系 科研 人 员 建立了 个干切削条件下钻孔的温度场模型 该模型可以用于各种 几何形状的钻头 科研人员对钻孔过程中的轴向力和扭矩进行了 仿真 分析了主轴转速 轴向 进给和钻头直径对切削力的影响 有 限元方法在切削工艺中的应用表明 对材料变形和传热等行为的考 虑因素可以更多且更接近于实际隋况 而且可以对切屑形态 切削 力 切削温度 以及切削变形详细状况等进行分析研究 一些科研 人员研究了在钻削骨头的过程中 钻削力和钻削温度受进给速度和 钻削速度的影响 设计了带三个切削刃的新型医疗钻头 q 对于 P C B的钻削加工 尚无加工过程等的仿真研究报道 2钻削有限元模型 项目选择采用 A d v a n t E d g e t m F E M对钻削加工过程进行模 拟 仿真流程 如图 1 所示 图 1 A d v a n t E d g e仿真流程 Fi g 1 Ad v a n t Ed g e t m F EM 钻头模型的结构参数 如表 1 所示 转速与实际加工参数一 致 工件材料设置为为铜 C 3 7 7 0 0 b r a s s 厚度 0 4 m m 垫板为铸铁 厚度 1 6 m m 加垫板的目的是增加 z向约束 铜与铸铁均设置为 塑性体 如图2 所示 来稿 日期 2 0 1 2 0 5 2 1 基金项 目 上海市宝山区科学技术委员会 的资助 c x v 一 2 0 1 2 1 8 作者简介 黄立新 1 9 6 3 一 女 江苏海门人 副教授 工学博士 主要研究方向 先进制造 高速加工 1 6 6 黄立新等 基于热一 力多物理场耦合理论的钻削仿真研究 第3 期 上 图 2钻削有限元模型 F i g 2 Mo d e l o f D r i l l i n g F EM 2 1钻削印刷电路板铜箔过程的钻削力模型 仿真模型采用 S a n d s t r o m的大应力应变和高温下的材料性 能 lq 以及 M a r u s i c h的本构模型 1 热力学耦合模型包括热软化 的塑性 摩擦接触的网格及全耦合热传导和破裂 流动法则规定 了工件材料塑性应变增量的分量和应力分量以及应力增量分量 之间的关系如下 式中 确效Mi s e s 应力 g 流动应力 一 累积塑性应变 相对塑性应变率 m广应变率敏感性指数 g 热软化 采用幂指型硬化模型 仿真参数输入如下 1 单层 铜的钻孔仿真 工件材料 C 3 7 7 0 0 b r a s s 化学成分 铜 C u 5 7 6 1 铅 P b 1 0 3 O 铁 F e 锡 S n 1 O 铁 F e 9 9 8 工件参数 如表 1 所示 2 双层 铜 铸铁的钻孑 L 仿真 钻头参数 如表 2 所示 钻削用量 如表 4 所示 为了增加 z 向约束 在工件材料铜的下面 增加硬度较高的铸铁作垫板 促使 切屑向上排出 工件材料 如表 4 所示 表 1工件参数 T a b 1 Wo r k p i e c e P a r a me t e r 名称 工件宽度 工件厚度 6 3 5 01x m 工件长度 6 直径 刃带公差 螺旋角 横刃宽度 螺旋槽半径 螺旋槽长度 刀尖半径 顶角 顶角公差 横刃斜角 表3钻削用量选择 Ta b 3 Cu t t i n g Co n d i t i o n s 名称 主轴转速 进给量 初始温度 2 0 k r rai n O 2 91 2 5 表 4工件材料选择 T a b 4 S e l e c t io n o f Wo r k p i e c e 2 2钻削印刷电路板铜箔过程的温度仿真 钻削热主要来源于工件材料的塑性变形和钻头与工件的摩 擦 仿真中采用的钻头与工件的摩擦模型采用库伦摩擦方程 它 在钻削仿真中是一种较可行的模型 摩擦系数设为0 3 与热量生 成有关的温度增量为 l 芷 2 pL 式中 卜 温度增量 工件对流换热因子 换效率因子 效应力 pl 一 相对塑性应变 料的密度 料的比热容 2 3钻削印刷电路板铜箔过程的力热耦合 利用交叉迭代差分有限元解法对铜箔钻削过程进行了力热 耦合 第一 第二变形区的塑性变形获得极大的应变率 而工件的 已加工表面的应变却很小 这种模拟过程是一种典型的高梯度 问题 需要有自适应的网格重划技术 忽略钻头的变形 即钻头 为刚体 热由工件传递给钻头 多物理场分析工具可以分析出整 个钻削过程上热量的转移 应力变化以及由于温度的上