钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究

摘要

切屑形态是决定钻削加工质量的重要因素，为获得良好的孔加工表面，关键之一是选择合适的加工工艺参数控制切屑的形成。本文以钻削切屑为研究对象，建立钻削切屑在排出过程中受力的力学模型，并通过 DEFORM有限元软件对切屑的形成及钻削过程进行模拟仿真，对影响钻削加工过程的因素进行了分析，同时结合钻削实验分析了加工参数与切屑形态对孔加工质量的影响。本文主要的研究内容如下：
　　(1)钻削过程切屑受力数学模型的建立。基于斜角切削理论建立切削刃对切屑作用力的数学模型；结合钻头轴向力的产生原因建立了排屑槽对切屑作用力的数学模型；利用螺旋曲线的计算方法估算出切屑的长度，结合切屑做旋转运动的离心力作为产生滑动摩擦力的正压力的来源，建立孔壁对切屑摩擦力的数学模型；通过Matlab分析了加工参数对切屑受力的影响规律。
　　(2)钻削过程的有限元仿真分析。建立二刃与三刃钻头的有限元模型，利用DEFORM有限元软件分别对两种钻头钻削过程切屑的形成进行模拟演示，对比分析钻削过程轴向力、温度场分布、工件的受力及切屑的形态的仿真结果，并通过切屑仿真形态预测两种钻头钻削加工的切屑形状，预测与钻削实验结果相吻合。
　　(3)钻削实验结果分析。通过钻削45＃钢实验分别测定在不同切削参数与钻头刃数的加工条件下的表面粗糙度，并基于多元线性回归方法建立表面粗糙度的预测模型，分析不同参数对表面粗糙度的影响规律；通过维视图像采集器对钻削实验产生的切屑进行拍摄，分析切屑形态对孔加工表面粗糙度的影响。
　　采用上述研究方法，本文完成了对钻削加工切屑受力的力学建模，并分析了影响切屑受力的主要因素；仿真结果真实地预测了钻削切屑的形状；对实验结果进行分析，得出了切屑形态对孔加工表面粗糙度的影响，并得到了主轴速度、进给量与钻头刃数对表面粗糙度的影响规律。本研究内容在揭示钻削过程的本质，改善钻头结构，制定合理的切削加工工艺，提高孔加工表面质量，降低钻头的磨损或破损及提高钻头寿命等方面具有重要意义。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 钻削加工有限元仿真及切屑形成、卷曲与折断研究现状

1.3 论文主要研究内容及课题来源

第2章 钻削基本原理及有限元理论

2.1 钻削加工基本理论

2.2金属切削有限元仿真理论

2.3 二刃、三刃钻头Pro/E建模

2.4 本章小结

第3章 钻削加工切屑受力分析及数学建模

3.1 金属切削切屑的形成与断裂理论及钻屑类型

3.2 钻削过程切屑的受力分析

3.3 本章小结

第4章 基于DEFORM二、三刃钻头钻削有限元仿真

4.1 钻削仿真材料定义

4.2 钻削加工仿真过程

4.3 二、三刃钻头仿真结果对比分析

4.4 本章小结

第5章 钻削45#钢实验及孔表面质量测定与分析

5.1 钻削实验方案设计及实施

5.2 基于多元线性回归方法表面粗糙度预测模型

5.3 切削参数对孔加工表面粗糙度的影响

5.4 切屑形状对孔加工表面粗糙度的影响

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在校期间发表的学术论文与研究成果