徐廣晨

(營口理工學(xué)院，遼寧 營口 115014)

基于Deform 3D的鉆削過程模擬

徐廣晨

(營口理工學(xué)院，遼寧 營口 115014)

采用有限元分析軟件Deform 3D對鉆削過程進(jìn)行了模擬仿真，建立了適應(yīng)于鉆削過程的三維有限元模型，給出了仿真中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置原則，分析預(yù)測了鉆削過程中工件的載荷、溫度變化。將仿真數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結(jié)果進(jìn)行了對比與分析，驗證了Deform 3D對鉆削過程仿真的有效性和正確性，也為鉆削工藝參數(shù)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

Deform 3D；有限元法；鉆削過程

0 引言

鉆削加工是孔加工的一種基本方法，在機(jī)械加工、電工電子、汽車制造等領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。鉆削力、鉆削溫度等參數(shù)對鉆削加工性能有著重要的影響，因此有必要對鉆孔機(jī)理進(jìn)行深入的研究。模擬鉆削過程對生產(chǎn)加工制造具有指導(dǎo)性意義[1-3]，本文在Deform 3D軟件[4-6]平臺的支撐下，對麻花鉆和工件進(jìn)行三維有限元建模，模擬鉆削加工過程，并分析鉆削過程中刀具所受的載荷和溫度變化情況。

1 Deform 3D鉆削過程模擬仿真

1.1 模型的建立

本文使用Deform提供的工件模塊完成鉆頭、工件的幾何建模。麻花鉆的主要幾何尺寸為：鉆頭半徑R=3 mm，頂角α=118°，螺旋角h=30°。工件的幾何尺寸為：直徑D=9 mm，厚度t=3 mm。鉆削加工模擬示意圖如圖1所示。

圖1 鉆削加工模擬示意圖

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

對標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆鉆孔過程進(jìn)行模擬仿真時，設(shè)置麻花鉆為剛性體(Rigid)，材料為WC硬質(zhì)合金；工件為彈塑性體(Elasto-Plastic)，材料為AISI-1045(45鋼)。二者的基本物理屬性如表1所示。

表1 鉆頭及工件材料的物理屬性

仿真采用SI國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，仿真模式為熱傳遞(Heat transfer)和變形(Deformation)，設(shè)仿真步數(shù)為1 000步，時間步長為0.000 2 s (一般設(shè)刀具旋轉(zhuǎn)約1°為一個步長，經(jīng)計算1步≈0.000 2 s)。鉆頭沿-Z軸進(jìn)給，鉆削運(yùn)動參數(shù)為轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，考慮到切削也是網(wǎng)格形式產(chǎn)生的，故最小網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于單邊進(jìn)給量，本文選定網(wǎng)格最小單元尺寸小于進(jìn)給量的50%。因此，網(wǎng)格劃分采用Relative mesh size方式，鉆頭網(wǎng)格數(shù)為20 000，size radio設(shè)為2，最小單元邊長為0.04 mm；工件網(wǎng)格數(shù)為40 000，size radio設(shè)為7，并將工件中欲切除部分附近進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，最小單元邊長為0.03 mm。刀具磨損模型選用適合于金屬切削的Usui’s模型[7-8]，即：

w=∫apve-b/Tdt.

(1)

其中：p為接觸面壓力；v為滑動速度；T為接觸面溫度；a和b為實驗校準(zhǔn)系數(shù)，取a為0.000 000 1，b為855。設(shè)置完成后檢驗仿真數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)庫文件。

1.3 運(yùn)行模擬仿真

圖2為Deform鉆削過程仿真(同時也是切屑形成的過程)。在鉆削仿真過程中，Deform 3D能根據(jù)有限元分析方法和材料斷裂準(zhǔn)則模擬形成連續(xù)的切屑，這一過程通過鉆削接觸區(qū)域的網(wǎng)格重劃分保證了仿真的精度。

2 結(jié)果分析

仿真結(jié)束后可通過Deform 3D后處理模塊查看鉆削過程中刀具的載荷、溫度、應(yīng)力及磨損等參數(shù)的變化。

圖2 鉆削過程Deform 3D仿真

2.1 鉆削過程中載荷分析

鉆削過程中軸向力和扭矩的變化曲線如圖3、圖4所示。從圖3、圖4分析得，隨著刀具不斷切入工件，軸向力和扭矩先變大后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著鉆頭與切屑的接觸長度不斷增加直至穩(wěn)定，導(dǎo)致前刀面和切屑的摩擦力也先變大后穩(wěn)定，最終至穩(wěn)定鉆削過程。但當(dāng)切削力的大小趨于穩(wěn)定時，軸向力和扭矩在一定范圍內(nèi)還是在上下波動，這是由于在仿真過程中通過即時網(wǎng)格的自動劃分來模擬切屑的變形和工件與斷裂面分離引起的。

圖3 鉆削過程軸向力變化曲線圖

圖4 鉆削過程扭矩變化曲線圖

2.2 鉆削中的溫度分析

鉆削中，切削熱主要由金屬的摩擦以及大變形引起，而切削區(qū)的熱量主要由工件、刀具、切屑以及其他介質(zhì)傳導(dǎo)散熱，其中大部分熱量被切屑帶走。所以在鉆削過程中產(chǎn)生的切削熱對刀具的磨損、扭矩以及切屑成形都會產(chǎn)生很大的影響。

圖5為鉆削過程的溫度變化云圖。從圖5中可以看到切屑剛離開工件時其溫度最高，隨著切削量的增加，切屑的溫度逐漸降低，但鉆削溫度整體依然較高，可見鉆削過程的切削熱主要是由切屑產(chǎn)生和傳導(dǎo)出去的。

圖6為工件等效應(yīng)力變化云圖，在鉆削區(qū)域剛產(chǎn)生切屑時，其等效應(yīng)力最大，產(chǎn)生較大的變形能，同時由于鉆頭的切削刃與工件摩擦也較大，摩擦產(chǎn)生的熱量主要集中于鉆削區(qū)域，這樣由等效應(yīng)力產(chǎn)生的變形能與摩擦產(chǎn)生的熱量疊加在一起導(dǎo)致了鉆削區(qū)域溫度很高。

圖7為鉆削刃上三點溫度變化情況。從圖7中可以看出，P1與P3點溫差不大，變化趨勢也大致相同；P2點的溫度與P1、P3點相比較低，變化趨勢也較為平緩。分析得出鉆削刃上溫度變化的總體規(guī)律為鉆削中溫度沿著切削刃由內(nèi)至外逐漸升高，橫刃中間處溫度較低。

圖5 鉆削過程的溫度變化云圖 圖6 工件等效應(yīng)力變化云圖

圖7 鉆削刃上三點溫度變化情況

3 經(jīng)驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

3.1 用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算鉆削軸向力、扭矩

鉆削時軸向力Fz、扭矩Mc的傳統(tǒng)經(jīng)驗計算公式為[9]：

(2)

(3)

通過切削實驗和查表得：CFf=2 380.714，CMc=0.287 9，zFf=0.93，yFf=1.06，zMc=1.94，yMc=0.81。在進(jìn)給量f=0.1 mm/r、鉆頭直徑d=6 mm的工況下，計算出鉆切削力Fz=1 097.45 N，扭矩Mc=1 441.63 Nm。

3.2 數(shù)據(jù)對比與分析

將仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算結(jié)果進(jìn)行比較，并進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如表2所示。

表2 仿真數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)的比較

對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1) Deform 3D是一個強(qiáng)大的基于有限元方法的切削工藝仿真軟件，通過它的前處理模塊可以有效地對鉆削過程進(jìn)行仿真，計算得出的鉆削中的載荷數(shù)值已接近理論計算值。

(2) 在此次仿真中由于采用的是剪切摩擦模型，因此載荷的計算有了一定的誤差，如果將古典摩擦因數(shù)與修正摩擦因數(shù)相結(jié)合，引入摩擦模型的計算中，則更能真實地反映加工過程，仿真精度將進(jìn)一步提高。

(3) 由于此次仿真所用計算機(jī)的性能所限，數(shù)據(jù)采集的密度不夠，如果將網(wǎng)格劃分的數(shù)量和精度提高、數(shù)據(jù)采集的步長減小，則載荷的波動將減小，仿真精度將得到較大提高。

(4) 用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算載荷時，通常采用乘上修正系數(shù)的方法來適應(yīng)不同的加工條件，若修正系數(shù)不精確，則計算出的載荷誤差較大。因此，必要時還需通過試驗獲得反映真實工況的試驗數(shù)據(jù)，將三者數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析。

4 結(jié)論

本文采用Deform 3D有限元軟件仿真鉆削過程的金屬大變形問題。仿真結(jié)果表明該軟件可以較精確地模擬鉆削工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響，同時也為優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)以及鉆削刀具提供了依據(jù)。雖然鉆削有限元仿真與實際加工過程有著一定的差距，但可以肯定，隨著有限元理論的日趨完善、計算機(jī)硬件的飛速發(fā)展以及切削機(jī)理研究的不斷深入研究，鉆削模擬精度將進(jìn)一步提高。

[1] 張偉,劉強(qiáng).鉆削過程的動態(tài)仿真分析[J].裝備維修技術(shù),2013(3):27-30.

[2] 楊軍,周利平,吳能章. 基于Deform 3D 的鉆削力仿真研究[J].工具技術(shù),2007，41(4): 50-53.

[3] 王磊,王貴成,馬利杰.鉆削加工有限元仿真的研究進(jìn)展[J].工具技術(shù),2007,41(8): 8-12.

[4] Bono M，Ni J.The effects of thermal distortions on the diameter and cylindricity of dry drilled holes[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2001,41(15):2261-2270.

[5] Shirakashi T, Usui E.Simulation analysis of orthogonal metal cutting process[J].Japan Soc Prec Eng,1976,42(5):340-345.

[6] Kalidas S，Kapoor S G，Devor R E.Influence of thermal effects on hole quality in dry drilling, Part1: A thermal model of workpiece temperatures[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2002，124(2): 258-266.

[7] 張東明，張平寬，王慧霖.Deform-3D鉆削仿真時常見問題分析[J].工具技術(shù),2011，45(11): 55-57.

[8] 閆鵬飛.不銹鋼鉆削加工有限元仿真及試驗研究[D].沈陽：東北大學(xué):2010:39-41.

[9] 中國石油物資裝備總公司.常用金屬材料切削數(shù)據(jù)手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995.

Drilling Simulation Based on Software Deform 3D

XU Guang-chen

(Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China)

The drilling process is simulated by the finite element software Deform 3D. The three-dimensional finite element model of drilling process is set up, the setting principles for parameters in the simulation are given,and the stress and temperature distribution of the work pieces are predicted by the drilling simulation. The simulation data and the data from calculation using the conventional empirical formulae are compared, the results proves the validity and the correctness of the simulation. This work has laid a base for drilling technological parameter optimization.

Deform 3D; FEM; drilling process

1672- 6413(2015)06- 0046- 02

營口理工學(xué)院院青年自然科學(xué)基金資助項目(20140002)

2015- 01- 22；

2015- 10- 11

徐廣晨(1984-)，男，遼寧營口人，講師，在讀博士，研究方向：機(jī)械制造仿真。

TP391.9∶TG52

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