劉雪勇， 王明紅

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

隨著航空、航天、汽車、化工等工業(yè)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度鋼因具有高強(qiáng)度(RM>1 200 MPa)和高硬度(30～50 HRC)以及良好的綜合力學(xué)性能而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是高強(qiáng)度鋼在加工過程中存在單位切削力大、局部切削溫度高、斷屑不暢等問題使得高強(qiáng)度鋼的加工效率較低、加工成本較高[2-3]。關(guān)于如何提高高強(qiáng)度鋼的制孔質(zhì)量和加工效率，降低加工成本，國內(nèi)外學(xué)者作了很多研究。

刀具優(yōu)化方面：陳連銀[4]通過將鉆頭刃帶由1條增加為2條，設(shè)計(jì)出一種加工高強(qiáng)度鋼用的四棱鉆頭，結(jié)果表明四棱鉆頭的切削更加平穩(wěn)、零件孔壁的光潔度更高、鉆頭壽命更長；Pang Siqin等[5]在吸收普通群鉆鉆型經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變內(nèi)外刃結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，設(shè)計(jì)出一種用于鉆削高強(qiáng)度鋼的整體硬質(zhì)合金群鉆鉆型，通過研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的鉆削力降低10%～20%，鉆削效率(單位時間鉆孔數(shù))提高2～3倍，加工精度和表面質(zhì)量提高約1級，鉆削性能優(yōu)良；于鳳云等[6]針對鉆削高強(qiáng)度鋼EH360的刀具材料進(jìn)行了優(yōu)選分析，研究發(fā)現(xiàn)在加工高強(qiáng)度鋼 EH360時,首選的刀具材料為W6Mo5Cr4V2Al，其次是YG8，再次是W18Cr4V；付雷杰等[7]針對鉆削高強(qiáng)度鋼20CrNiMo所用麻花鉆的幾何參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)螺旋角取20°，橫刃斜角取53°，頂角取138°時，可以獲得較好的鉆削效果。

制孔工藝優(yōu)化方面：馬未未[8]利用遺傳算法對高強(qiáng)度鋼AISI4340的鉆削用量進(jìn)行了優(yōu)化研究，優(yōu)化結(jié)果表明當(dāng)切削速度在40 m/min左右，進(jìn)給量控制在0.08～0.114 mm/r時，鉆削效果較為理想；付鑫[9]對鉆削高強(qiáng)度鋼34CrNi3MoV的斷屑機(jī)理及振動特性進(jìn)行了研究，提高了加工效率，改進(jìn)了加工工藝；金成哲等[10]研究了鉆削34CrNi3MoV高強(qiáng)度鋼時切屑形態(tài)的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明通過改變刀具幾何參數(shù)和切削用量可以有效地改變切屑形態(tài)及切屑幾何參數(shù)；金成哲等[11]還對鉆削高強(qiáng)度鋼34CrNi3MoV的切削振動特性進(jìn)行了研究，為提高鉆削加工效率、改進(jìn)鉆削高強(qiáng)度鋼工藝提供了理論基礎(chǔ)；李明等[12]通過有限元方法對高強(qiáng)度鋼AISI4340高速直角切削進(jìn)行了仿真，研究了切削速度、背吃刀量和刀具前角等切削參數(shù)對斷屑的形成頻率、平均單位切削力以及切削力的頻率的影響；徐少紅[13]研究了高強(qiáng)度鋼與超高強(qiáng)度鋼加工時的一些特性，為后續(xù)切削用量的優(yōu)化做參考依據(jù)；龍震海等[14]在一定切削用量范圍內(nèi)設(shè)計(jì)3因素5水平試驗(yàn)，采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法，對高強(qiáng)度鋼高速銑削是切削力受切削參數(shù)的影響進(jìn)行分析，建立切削力模型并進(jìn)行殘差分析驗(yàn)證設(shè)置的切削用量范圍可被有效利用。

其他方面：王笑等[15]利用DEFORM-3D軟件對42CrMo鋼的車削過程進(jìn)行了研究，分析了車削過程中切削力和切削溫度的變化規(guī)律；岳彩旭等[16]對高強(qiáng)度磨具鋼Cr12MoV切削過程中一些微觀形貌，如變質(zhì)層表面顯微硬度、白層厚度等進(jìn)行研究，分析了切削參數(shù)、刀具磨損等因素對已加工表面變質(zhì)層的這些微觀形貌變化的影響，對切削參數(shù)優(yōu)化有一定參考價值；A.Jayaganth等[17]通過不同的加工工藝在SS410上進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn),分析了鉆孔參數(shù)和加工環(huán)境對表面粗糙度和加工時間的影響；Jiménez-Pea.c等[18]使用不同的打孔技術(shù)，對由S500MC制成的中厚板進(jìn)行了一系列疲勞測試，通過光學(xué)評估，硬度測試和粗糙度評估研究了每個孔加工過程的表面、幾何形狀和殘余損傷，研究的結(jié)果可以估算出每種制孔工藝對特定高強(qiáng)度鋼的適用性。

階梯鉆是一種在普通麻花鉆基礎(chǔ)上演變的鉆擴(kuò)一體式新型鉆頭，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想來源于拉刀。階梯鉆的第1階梯與普通麻花鉆一致，以較小直徑進(jìn)行預(yù)孔加工，一定程度上減小了橫刃對軸向力的影響程度；第2階梯的設(shè)計(jì)則采用相對較大的后角，以獲取較為鋒利的第2切削刃，同時改善鉆削過程中的散熱條件；此外，由于第2階梯的切削刃非常鋒利，可以很好地去除第1階梯在鉆削過程中產(chǎn)生的毛刺，從而在一定程度上也有助于提高孔加工的質(zhì)量。

為了解決高強(qiáng)度鋼AISI4340鉆削過程中存在軸向力大、鉆削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重等問題，課題組采用自主設(shè)計(jì)的階梯鉆對高強(qiáng)度鋼AISI4340進(jìn)行鉆削仿真研究，分析了加工過程中的鉆削軸向力和刀具溫度，并與普通麻花鉆進(jìn)行對比。為了便于比較，階梯鉆和麻花鉆的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量均取為相同，即n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1。

1 DEFORM-3D鉆削仿真模型建立

1.1 階梯鉆和工件模型的參數(shù)設(shè)定及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks建立了麻花鉆和階梯鉆的三維模型，將模型導(dǎo)入DEFORM-3D有限元仿真軟件中，建立了麻花鉆和階梯鉆的實(shí)體仿真模型，材料選擇WC硬質(zhì)合金，鉆頭設(shè)置為剛性類型。圓柱體工件的直徑D為12 mm，高H為4 mm，材料選40CrNi2MoA(AISI4340)高強(qiáng)度鋼，工件類型設(shè)置為塑性。仿真所用的麻花鉆和階梯鉆的相關(guān)尺寸如表1所示。階梯鉆的幾何參數(shù)示意圖見圖1。DEFORM劃分網(wǎng)格采用的是自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，這樣的劃分可以防止單元在仿真過程中發(fā)生過度畸變而失真。課題組所選用的鉆頭和工件網(wǎng)格劃分類型均采用相對網(wǎng)格，鉆頭的最大和最小網(wǎng)格尺寸的比例設(shè)為4，鉆頭網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為15 000；工件的最大和最小網(wǎng)格尺寸的比例設(shè)為6，工件網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為20 000。

圖1 階梯鉆的幾何參數(shù)示意圖Figure 1 Schematic diagram of geometric parameters of step drill

表1 階梯鉆鉆頭的相關(guān)尺寸Table 1 Relevant dimensions of step drill bits

1.2 材料相關(guān)屬性及邊界條件設(shè)置

課題組在選擇本構(gòu)模型時選取國際上常采用的Johnson-Cook 本構(gòu)模型，見式(1)。工件材料的 Johnson-Cook 模型參數(shù)見表2[19]。Johnson-Cook材料本構(gòu)模型為：

表2 AISI4340的Johnson-Cook模型參數(shù)Table 2 Johnson-Cook model parameters of AISI4340

(1)

在邊界條件設(shè)置中，工件側(cè)面在各方向上的速度設(shè)置為0，限制工件的運(yùn)動。刀具沿著Z軸向工件進(jìn)給，繞Z軸旋轉(zhuǎn)。邊界條件設(shè)置示意圖見圖2。

圖2 邊界條件設(shè)置示意圖Figure 2 Schematic diagram of boundary condition setting

2 階梯鉆軸向力理論分析

由圖3可知，階梯鉆頭在穩(wěn)定鉆削工件過程中，鉆削軸向力來源由3部分構(gòu)成：橫刃、第1主切削刃和第2主切削刃，其中鉆頭直徑較小部分的軸向力由橫刃和第1主切削刃共同構(gòu)成。

圖3 階梯鉆主切削刃微單元切削力示意圖Figure 3 Schematic diagram of micro-unit cutting force of main cutting edge of step drill

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆軸向力計(jì)算公式，鉆頭直徑較小部分的軸向力具體的計(jì)算過程如下：

FZ1=FC+2F1+2F2。

(2)

由經(jīng)驗(yàn)得知，軸向力主要由橫刃產(chǎn)生，因橫刃是負(fù)前角工作，其軸向力很大，約占60%，主切削刃約占40%[20]。鉆頭主切削刃各點(diǎn)前角不同，為了方便計(jì)算，切削過程對主切削上各個離散的微元產(chǎn)生的軸向力簡化為：

(3)

式中：Fn為微元處徑向力Fr、切向力Fv和軸向力F1在微元處的合力；Φ1為階梯鉆的第1頂角，f為進(jìn)給量，D1為第1階梯的直徑，ρ為主切削刃微單元整合的半徑，τj和τu分別為ρ取值范圍的上限和下限，Kn為軸向力修正系數(shù)。

(4)

(5)

式(5)中：V為切向速度；r為微元到鉆心的半徑；a，a0，a1，a2，a3和e均為第1階梯軸向力的校正常數(shù)；γ為微元處的前角；ω為鉆芯厚度的一半；tc為微元處的切削厚度；由于V均與ρ相關(guān)，C1為第1階梯的軸向力綜合修正常數(shù)，故做以上簡單處理。

(6)

將式(5)、式(6)代入式(3)可得式(7)[21]：

(7)

F2除半徑取值范圍與F1不同外，其計(jì)算過程與F1一致，這里不再贅述。

同理，橫刃部分的軸向力計(jì)算亦可采用上述的方法，但由于橫刃部分不存在前角，故橫刃部分的修正系數(shù)Knc略有不同：

(8)

式中：b，a4，a5和a6為橫刃處軸向力的校正常數(shù)；C2為橫刃處的軸向力綜合修正常數(shù)。

由理論分析得到的公式可知，階梯鉆第2頂角小于第1頂角，使得階梯鉆第2主切削刃的軸向力小于同等條件下麻花鉆的軸向力積分，故同等條件下階梯鉆產(chǎn)生的軸向力之和小于麻花鉆。實(shí)際應(yīng)用中，階梯鉆通常具有較大的螺旋角，也使得第2主切削刃更加鋒利，產(chǎn)生的軸向力會更小。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 軸向力分析

在鉆削高強(qiáng)度鋼AISI4340的過程中，軸向力的大小直接影響著刀具磨損和制孔質(zhì)量，對軸向力的研究有助于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。由圖4可知，在n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°時，麻花鉆和階梯鉆的軸向力變化趨勢相似，這里的頂角Φ對于階梯鉆而言指的是第1頂角，即Φ1。隨著鉆削深度增加，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈切除的材料體積增加，切削刃需要克服的阻力也隨之增大，鉆削軸向力明顯增大，但隨著鉆削深度繼續(xù)增加，鉆削溫度會相應(yīng)升高，高強(qiáng)度鋼會發(fā)生軟化，材料硬度降低，導(dǎo)致軸向力有所降低，故軸向力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。由圖4亦可知，鉆削過程中，階梯鉆的軸向力要略低于麻花鉆，這是由于階梯鉆第1階梯直徑小于麻花鉆，使得單位時間內(nèi)切削體積小于麻花鉆，且隨著第2階梯參與切削，階梯鉆的排屑空間較普通麻花鉆大，加之切削熱量持續(xù)積累，以致于階梯鉆的軸向力降低幅度比麻花鉆更明顯。由具體的數(shù)值可知，鉆削前期，即圖4中仿真步數(shù)自1 000至5 000之間，麻花鉆的軸向力均值為741.73 N，階梯鉆的軸向力均值為681.48 N，階梯鉆的軸向力比麻花鉆小60.25 N；在第2階梯參與切削期間，即圖4中仿真步數(shù)自12 000至15 000之間，階梯鉆的軸向力均值為195.27 N，麻花鉆在相同階段的軸向力均值為331.08 N，階梯鉆的軸向力比麻花鉆小135.81 N，這說明在鉆削高強(qiáng)度鋼AISI4340的過程中，階梯鉆比麻花鉆更有優(yōu)勢。

圖4 2種鉆頭軸向力隨步數(shù)變化曲線 (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)Figure 4 Changing curves of axial force of two kinds of drill bits with number of steps (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)

此外，課題組還對主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和鉆頭頂角(階梯鉆僅指第1頂角)等因素對軸向力的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。由圖5可知，在進(jìn)給量和鉆頭頂角保持不變的條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加， 2種鉆頭鉆削過程中產(chǎn)生的軸向力均呈現(xiàn)減小的趨勢，且麻花鉆的軸向力極差值為104.93 N，同等條件下階梯鉆的軸向力極差值僅為15.98 N，即同等條件下，麻花鉆產(chǎn)生的軸向力大小受主軸轉(zhuǎn)速的影響較階梯鉆更大。

圖5 2種鉆頭軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線 (f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)Figure 5 Changing curves of axial force of two kinds of drill bits with spindle speed (f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)

由圖6可知，在主軸轉(zhuǎn)速和鉆頭頂角保持不變的條件下，隨著進(jìn)給量的增加，2種鉆頭鉆削過程中產(chǎn)生的軸向力均呈現(xiàn)增大的趨勢。由圖6亦可知，麻花鉆的軸向力極差值為536.05 N，在相同條件下階梯鉆的軸向力極差值僅為50.36 N，即同等條件下，麻花鉆產(chǎn)生的軸向力大小受進(jìn)給量的影響較階梯鉆更大。

圖6 2種鉆頭軸向力隨進(jìn)給量變化曲線 (n=2 500 r·min-1，Φ=118°)Figure 6 Changing curves of axial force of two kinds of drill bits with feed rate (n=2 500 r·min-1，Φ=118°)

由圖7可知，在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量保持不變的條件下，隨著鉆頭頂角的增加，2種鉆頭鉆削過程中產(chǎn)生的軸向力均呈現(xiàn)增大的趨勢。這是由于頂角越小，則主切削刃越長，單位切削刃上的負(fù)荷相應(yīng)地減輕，軸向力減小。由圖7亦可知，麻花鉆的軸向力極差值為320.60 N，在相同條件下階梯鉆的軸向力極差值僅為252.26 N，即同等條件下，麻花鉆產(chǎn)生的軸向力大小受進(jìn)給量的影響較階梯鉆更大。

圖7 2種鉆頭軸向力隨頂角變化曲線 (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1)Figure 7 Changing curves of axial force of two kinds of drill bits with point angle (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1)

3.2 鉆削溫度分析

金屬切削溫度研究內(nèi)容包含切削區(qū)的平均溫度、刀具上的最高溫度與溫度分布、切屑上的最高溫度與溫度分布、工件上的最高溫度與溫度分布等。課題組主要研究工件和鉆頭上的最高溫度與溫度分布。

由圖8可知，隨著鉆削深度h的增加，工件溫度分布基本相似，由于階梯鉆的第1階梯直徑較小，鉆削溫度較為集中，通過工件傳遞的熱量比麻花鉆的多，導(dǎo)致階梯鉆鉆削的工件溫度擴(kuò)散范圍較大。由于階梯鉆的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得切屑更易排出，且排出的切屑溫度也比麻花鉆的高，切屑帶走了一部分熱量，所以階梯鉆鉆削的工件最高溫度低于麻花鉆，證明階梯鉆散熱條件比麻花鉆好。

由圖8還可以看出，鉆削過程中，階梯鉆鉆頭最高溫度大于麻花鉆的鉆頭最高溫度，這是由于階梯鉆的第1階梯直徑較小，使得鉆削過程中橫刃擠壓工件產(chǎn)生的熱量更加集中。雖然階梯鉆的最高溫度比麻花鉆的大，但溫度分布更均勻，而麻花鉆的鉆頭溫度主要集中在主切削刃上，使得麻花鉆更容易發(fā)生磨損，影響刀具壽命。

圖8 2種鉆頭鉆削過程中的溫度分布 (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)Figure 8 Temperature distribution of two kinds of drill bits during drilling (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)

課題組還就主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和鉆頭頂角(階梯鉆僅指第1頂角)等因素對鉆削過程中鉆頭溫度的影響進(jìn)行了研究。由圖9～圖11可知，在保持2個試驗(yàn)因素不變的條件下，2種鉆頭的溫度變化趨勢一致，且階梯鉆的鉆頭溫度均高于麻花鉆。同等條件下，麻花鉆鉆頭溫度大小受主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的影響較階梯鉆更大，但2種鉆頭溫度受頂角影響差異不大。

圖9 2種鉆頭最高溫度隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線 (f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)Figure 9 Changing curves of maximum temperature of two drill bits with spindle speed (f=0.1 mm·r-1，Φ=118°)

圖10 2種鉆頭最高溫度隨進(jìn)給量變化曲線 (n=2 500 r·min-1，Φ=118°)Figure 10 Curves of maximum temperature of two kinds of drill bits varies with feed rate (n=2 500 r·min-1，Φ=118°)

圖11 2種鉆頭最高溫度隨頂角變化曲線 (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1)Figure 11 Curves of maximum temperature of two drill bits with point angle (n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1)

由表3可知，對階梯鉆而言，對軸向力影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，其次是進(jìn)給量，最后是頂角。對麻花鉆而言，對軸向力影響最大的是進(jìn)給量，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最后是頂角。通過橫向?qū)Ρ瓤芍?，麻花鉆的鉆頭溫度受進(jìn)給量和頂角的影響較階梯鉆更大。結(jié)合前文研究發(fā)現(xiàn)：就鉆頭最高溫度而言，鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)頂角并不是最適合鉆削高強(qiáng)度鋼AISI4340的最佳值，最佳值在124°附近。

表3 各影響因素對2種鉆頭軸向力和鉆頭溫度的影響對比Table 3 Comparison of influence of various influencing factors on axial force and temperature of two drill bits

4 結(jié)論

課題組利用有限元軟件DEFORM-3D對高強(qiáng)度鋼AISI4340的普通鉆削和階梯鉆鉆削過程進(jìn)行模擬，對比分析了2種鉆頭鉆削過程中軸向力和鉆頭最高溫度，通過分析仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：

1) 2種鉆頭在鉆削過程中主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和頂角等3個因素對軸向力和鉆頭溫度的影響規(guī)律保持一致。

2) 對2種鉆頭而言，主軸轉(zhuǎn)速對軸向力的影響最小，頂角對鉆頭最高溫度的影響最小，且當(dāng)階梯鉆n=2 500 r·min-1，f=0.1 mm·r-1，Φ=118°時軸向力最小。

3) 階梯鉆在降低軸向力方面比麻花鉆更有優(yōu)勢，但鉆頭最高溫度要高于麻花鉆。就鉆頭最高溫度而言，鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)頂角并不是最適合鉆削高強(qiáng)度鋼AISI4340的最佳值，最佳值在124°附近。同時，鉆頭溫度分布較麻花鉆而言更加均勻，在延長刀具使用壽命方面更有優(yōu)勢。