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      摘 要 ： 深孔加工是在封閉坎態(tài)下迭行的， 不能直接觀查到刀具的削情況 。 采用了金屬塑性成形仿真軟件 D eform -3D ,用有限元方法動態(tài)模擬擬了深孔鉆削過程 ， 預(yù)測了加工過程中的溫度及應(yīng)力變化情況，比敕了不同鉆削參教下溫度與等故應(yīng)力的變化情況， 獲得了不同切則速度下切削溫度及等故左力的變化曲線 。 分析結(jié)果表明 ： 切削溫 度隨切入深度的增加而增大 ，逐漸趨于平穩(wěn) ， 最高溫度出現(xiàn)在刀具和切屑接觸 的 位 置 ； 切削溫度與切削速度成正比 ， 而效應(yīng)力隨切削參數(shù)參數(shù)變化， 變化并不大。
   
     關(guān) 鍵 詞 ： 深孔如工 ； D eform -3D; 鉆削
 

     深孔加工是孔加工中難度最大的工藝之一 ， 深孔實(shí)體鉆削技術(shù)被公認(rèn)為是深孔加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。用傳統(tǒng)的加工方法耗時(shí)耗力，而且加工的深孔精度不高，還存在換刀頻繁的問題和刀具易斷的風(fēng)險(xiǎn)[1]。槍鉆加工深孔是目前較理想的加工手段。在深孔的加工過程中，鉆 桿 細(xì) 長 .容 易 偏 斜 ，產(chǎn)生振動，產(chǎn)生的熱量和切肩不易排出，不能直接觀察刀具切削情況，而且目前也沒有理想的途徑能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控切削區(qū)域的溫度變化及分布[w ]。只能憑經(jīng)驗(yàn)，通過聽切削時(shí)的聲音、看切屑、觸摸振動等外觀現(xiàn)象來判斷切削過程是否正常。
 
    近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及數(shù)值模擬的快速發(fā)展，模擬仿真技術(shù)為解決這一難題提供了高效的科學(xué)技術(shù)途徑[4]。進(jìn)行模擬鉆削對于提高深孔加工精度、加工穩(wěn)定性和加工效率具有重要的意義。 目前有學(xué)者通過一些先進(jìn)的測量手段和軟件分析，可以間接判斷或提前預(yù)測加工過程。如西安交通大學(xué)丁正龍等學(xué)者搭建了在線檢測量平臺進(jìn)行深孔內(nèi)徑測量[5)，但無法在線監(jiān)測加工過程；也有工程師通過改變機(jī)床傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來改善深孔加工工藝，如為了防止加工后的切肩劃傷孔壁，采用機(jī)床主軸倒立式結(jié)構(gòu)，利用切削液和切肩的自重，使切屑更順暢地從鉆桿V 形槽中排出[6]等措施，有效提高鉆削質(zhì)量。
  
    本文采用Def〇rm-3D 金屬塑性成形仿真軟件 ，動態(tài)模擬了鉆削加工過程；并獲得了在不同切削速度下的溫度變化和應(yīng)力變化，提前預(yù)測深孔的加工工藝效果，同時(shí)為深孔加工冷卻液設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了依據(jù)。
 
    1 、槍鉆工作原理及鉆孔工藝
 
    1 . 1 槍鉆工作原理
 
    槍鉆是加工深孔的主要工具，它具有一次鉆削就獲得良好精度和表面粗糙度低的特點(diǎn)[7]，槍鉆基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
  

    
  
                  圖 1 槍鉆的基本結(jié)構(gòu)
 
     槍鉆由頭部、鉆桿和柄部三部分組成。頭部是整個(gè)槍鉆的關(guān)鍵部分，一般為硬質(zhì)合金，有整體式和焊接式兩種，往往與鉆桿焊接為一體 。槍鉆的鉆桿一般采用專用合金鋼材并經(jīng)熱處理制成，使其具有較好的強(qiáng)度和剛性，必須有足夠的強(qiáng)度和韌性；槍鉆的柄部用于刀具與機(jī)床主軸上連接，按一定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。
 
     1 .2 槍鉆工藝過程
 
    工作時(shí)，槍鉆柄部被夾持在機(jī)床主軸上，鉆頭通過導(dǎo)引孔或?qū)走M(jìn)入工件進(jìn)行鉆削，鉆刃獨(dú)特結(jié)構(gòu)起到自導(dǎo)向的作用，保證了切削精度。先加工導(dǎo)引孔，然后以一定的進(jìn)給速度到引導(dǎo)孔上的2~ 5 m m 處 ，即圖 2 中 點(diǎn) 處 ，同時(shí)以中冷方式打開冷卻液；到導(dǎo)引孔后正常速度開始加工，加工過程中采用間斷進(jìn)給，每次進(jìn)給!2 深度，實(shí)現(xiàn)深孔短肩；加工結(jié)束離開實(shí)體時(shí) ，先以較快的速度退刀到離孔底一定距離處 ，再以低速退出引導(dǎo)孔，最后快速離開加工工件并關(guān)閉冷卻液，整個(gè)過程如圖2 所示 ，圖中虛線表示快速進(jìn)給，實(shí)線表示慢速進(jìn)給。
  
  
    
  
     2 、深孔鉆削力的分析
 
    深孔鉆與其它金屬切削加工方法相比，最顯著的不同點(diǎn)是深孔鉆在封閉腔內(nèi)利用導(dǎo)向塊的定位和支撐進(jìn)行鉆削。刀具與工件之間并非是刀刃的單一接觸+91，還有刀具上附加的導(dǎo)向塊與工件的接觸。
 
     如 圖 3 所示。深孔鉆由切削刀體、刀齒和導(dǎo)向塊三大部分組成。刀體空心，切肩由前端進(jìn)入，通過鉆桿內(nèi)腔排出，后端螺紋用于與鉆桿連接。刀齒上主切削刃分為兩條，分別為外刃和內(nèi)刃。
 
     以多刃內(nèi)排肩深孔鈷為例，副刀刃與兩個(gè)導(dǎo)向塊在同一圓周上，三點(diǎn)定圓自行導(dǎo)向，分析其受力，簡化后的力學(xué)模型如圖4 所示。( 1 ) 切削力F 。深孔刀具所受的切削力可 分解為相互垂直的切向力F ,,、徑 向 力 F ,.,和軸向力徑向力將直接導(dǎo)致刀具彎曲變形 ，軸向力增加刀具磨損，而切削刃上的切向力主要產(chǎn)生扭矩。加工過程中，總希望在保證加工質(zhì)量和效率的前提下，盡量降低軸向力和扭矩，通常刀具的使用壽命與軸向力和扭矩直接掛鉤 ，過大的軸向力使得鉆頭更容易崩斷，扭矩過大也會加速刀具的磨損、折斷，直至報(bào)廢[1°]。
  
     
  
     
  
     ( 2 ) 摩擦力F/ 。導(dǎo)向塊相對孔壁轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生摩擦力/   和 /2 ; 導(dǎo)向塊沿軸向移動時(shí)與孔壁之間的軸向摩擦力為/ lu和7L ;
     ( 3 ) 擠 壓 力 擠 壓 力 是 由 于 孔 壁 的 彈 性變形引起的，導(dǎo)向塊與孔壁之間的擠壓力為M和 ^ 2 。根據(jù)力系平衡原理，可知：
  
    
  
     式中： 為豎直方向切削力合力；F ,.為徑向切削力合力；F , 為周向切削力合力。假設(shè)只考慮庫倫摩擦系數(shù)，則導(dǎo)向塊上軸向摩擦力與周向摩擦力相等。通過實(shí)驗(yàn)可以直
接在深孔加工時(shí)測得扭矩M ，和 F a。
  
    
  
     對于給定的鉆頭，其公稱直徑為以及導(dǎo)向塊的位置角都是確定的，加之切削力經(jīng)驗(yàn)軸向力為主切削力的一半，綜合上式可以計(jì)算得到各切削力分量和導(dǎo)向塊上所受的力。
 
    3 、槍鉆的鉆削仿真
 
    內(nèi)排肩深孔鉆削是在封閉或半封閉的狀況下進(jìn)行，切削熱不易傳散，排肩困難，工藝系統(tǒng)剛性差。當(dāng)鉆削中產(chǎn)生冷卻液進(jìn)不到切削區(qū)，造成冷卻潤滑不良時(shí)，會使刀具溫度急劇上升，加速刀具磨損；隨著鉆孔的深度增加，刀具懸伸量增大，鉆削時(shí)的工藝系統(tǒng)剛性也隨之降低。所有這些，對內(nèi)排屑深孔鉆削工藝過程提出了一些特別的要求，本文通過對實(shí)際加工工況的再現(xiàn)模擬，預(yù)測了切削過程產(chǎn)生的熱量和切削力，為優(yōu)化深孔加工工藝提供依據(jù)。3 . 1 鉆削參數(shù)及材料屬性的定義D efo rm 是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng) ，用于分析金屬成形工藝。通過在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過程，幫助工程師和設(shè)計(jì)人員提前預(yù)測各種工況下的不利因素，有效改進(jìn)加工過程nM 2]。本文通過三維造型軟件Pm /E 繪制仿真刀具模型，將模型保存為.STL格式導(dǎo)入到Defo rm -3 D 中。設(shè)置的切削參數(shù)和切削條件如表 1 所示。
 
    ( 1 ) 工作條件的設(shè)定：選擇機(jī)械加工類型為鉆削，單位標(biāo)準(zhǔn)S I ,輸入切削速度、進(jìn)給量，環(huán)境溫度為20t ：，工件接觸面摩擦因子為0.6,傳熱系數(shù)為45 W/m2.〇C ，熱 融 為 15 N/mm2/X 。
    ( 2 ) 刀具和工件的設(shè)定：刀具為剛性，材料 為 4 5 鋼 ，工件塑性，材料為W C 硬質(zhì)合金。
    ( 3 ) 設(shè)置對象間關(guān)系：D e fo rm 的主仆關(guān)系是以剛體為主件，塑性體為仆件，所以刀具為主動，工件為從動。
 
                                                      表 1 工件和刀具的主要參數(shù)
   
  
   
    為了對比不同工藝參數(shù)對切削過程溫度、應(yīng)力 、應(yīng)變的變化影響，在 如 表 2 所示的不同鉆削參數(shù)下進(jìn)行模擬仿真，觀察結(jié)果。
 
                表 2 槍鉆鉆削參數(shù)
    
   
    3 . 2 鉆削仿真模擬與結(jié)果分析
 
    ( 1 ) 溫度
 
    金屬切削時(shí)消耗的能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能。這些熱量使得切削區(qū)溫度升高.直接影響刀具的磨損、工件的加工精度和表面質(zhì)量。金屬在高速切削下，劇烈的摩擦和斷裂使得局部區(qū)域的溫度在短時(shí)間內(nèi)就上升到很高的溫度。槍鉆加工中，熱量主要來自于金屬切肩的變形、鉆頭支撐墊與工件孔墊的摩擦以及切肩在刀具前傾面的摩擦[13]，這些熱量都需要切削液進(jìn)行冷卻。通過模擬鉆孔過程，獲得在不同轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量下工件接觸區(qū)域的溫度變化，這些數(shù)據(jù)為深孔加工時(shí)的優(yōu)化冷卻系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。由 于 D e f o r m 模擬鉆削過程，對汁算機(jī)的性能要求較高，模擬完整的孔加工的過程需要較長的時(shí)間。通過設(shè)置鉆削仿真的步長，控制模擬的深度以達(dá)到穩(wěn)態(tài)加工。
 
    仿真條件設(shè)定•.仿真步數(shù)設(shè):定為1000步 ，仿真的間隔步數(shù)設(shè)定為5 0 , 每 隔 5 0 步數(shù)據(jù)自動保存一次；Deform-3D 采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，工件為塑性體，劃分網(wǎng)格用于計(jì)算切削力，采用絕對單元類型如圖5 所示，仿真結(jié)果如 表 3 所示。

  
    
  
          圖 5 深孔鉆的有限元模型及鉆削過程
  
               表 3 切削速度與溫度隨步數(shù)的數(shù)據(jù)采集
       
  
  
     對 表 3 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得三種工況下工件切削區(qū)域溫度隨步數(shù)的變化曲線如圖6 所示。
   
     圖 6 可以看出鉆削速度對工件接觸區(qū)域溫度有較大的影響。鉆孔開始階段，鉆頭和工件開始接觸，進(jìn)給量大，刀具沖擊工件劇烈作用致使開始的溫度變化很大且迅速上升。隨著鉆削趨于穩(wěn)定，曲線總體變的平緩但仍有波動，這對深孔加工而言是正常的。因?yàn)殂@頭直徑較小 .而 進(jìn) 給 量 大 ，振動會持續(xù)存在。

    從 圖 6 還可知，鉆削速度對溫度有較大影響。隨著速度增加.鉆削溫度越來越高。從有限元模型結(jié)果看，不同鉆削速度下產(chǎn)生的最高溫度發(fā)生在鉆尖附近的局部變形區(qū)域內(nèi)，因?yàn)檫@里是塑性變形和刀肩摩擦比較集中的地方。
 

            圖 6 接觸區(qū)域溫度隨切削速度的變化曲線
  

    ( 2 ) 等效應(yīng)力分布
 
    von M is e s應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，是一種屈服準(zhǔn)則。引入等效應(yīng)力后，不管單元體受力狀態(tài)如何復(fù)雜，均可想象為承受數(shù)值上一個(gè)單向拉伸時(shí)的應(yīng)力。而分析得到的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系則反映了工件材料由塑性變形引起的加工硬化通過有限元分析.得出了槍鉆在不同鉆削速度下的等效應(yīng)力變化的情況，仿真間隔步數(shù)為5 0 , 每 隔 50步數(shù)據(jù)自動保存結(jié)果，如 表 4 所示。
 
        表 4 切削速度與等效力隨步數(shù)的數(shù)據(jù)采集
  
    
  
    分析等效應(yīng)力和步數(shù)之間的關(guān)系如圖7 所示 ，可以看出，不同主軸轉(zhuǎn)速對于工件加工過程中所受等效應(yīng)力沒有太大的影響，在一定范圍內(nèi)波動，但三種加工情況下的最大等效應(yīng)力變化趨勢非常相近。
  
  
    
  
  
    鉆削等效應(yīng)力圖7 中曲線表明了，鉆削初始階段應(yīng)力較大。隨著鉆削深入趨于穩(wěn)定，曲線總體下降并變得平緩。同時(shí)通過應(yīng)力應(yīng)變分析 ，槍鉆所受的最大等效應(yīng)力為1550 M Pa，整體的最大位移為0.0823 m m。
 
    4 、結(jié)論
 
    利 用 D e fo rm 軟件有效模擬了深孔切削過程 ，分析了切削加工中的溫度變化及應(yīng)力變化，獲得了切削溫度與切削速度之間的變化曲線，為研究深孔加工的切削機(jī)理以及在實(shí)際加工時(shí) .切 削 參 數(shù) 的 選 取 、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都提供了一定的依據(jù)。