不锈钢钻削加工有限元仿真及试验研究

摘要

随着航空、航天、石油、化工、冶金、食品、环保、汽车等工业的蓬勃发展，不锈钢材料已得到广泛地应用，生产实践中，钻削是十分常见的不锈钢加工方法。不锈钢属于难加工材料，其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。因此研究不锈钢的钻削性能，提高不锈钢钻削加工效率具有重要的意义，同时也为其它难加工材料的研究提供借鉴。
　　建立麻花钻的数学模型是对麻花钻进行几何设计、制造、切削性能分析和对钻削过程进行建模的基础。根据麻花钻后刀面刃磨原理，利用Pro/E软件完成锥面麻花钻、螺旋面钻尖三维造型。
　　在金属切削加工中，对切削过程的研究有着重要的意义。切削力、切削温度和刀具磨损是反映切削过程的主要指标，特别是切削力，其使用范围更广。切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。本文应用DEFORM-3D有限元软件，将工件、刀具材料的一些特性参数结合起来，分析和定义了载荷边界条件、刀具前刀面与切屑之间摩擦状况，确定了切屑分离准则和网格重划标准，完成了有限元分析仿真的预处理工作。
　　利用有限元仿真分析，分析了切削用量对不锈钢钻削性能的影响，建立普通麻花钻钻削加工仿真模型，分析切削用量对不锈钢钻削轴向力和扭矩的影响规律，并得到了钻削温度场和钻头磨损的情况;研究麻花钻主要几何参数对不锈钢钻削性能的影响，将麻花钻的横刃缩短，将横刃形状修磨成“S”形（螺旋面钻尖）、建立不同项角的钻尖，并且在相同的切削参数下，对这些不同几何参数麻花钻进行有限元分析，研究麻花钻几何参数对轴向力、扭矩和刀具磨损的影响。
　　本课题用普通麻花钻做了钻削试验，对正交试验所得结果进行多元线性回归分析，建立在试验范围内的钻削力经验公式，并将试验数据与仿真数据对比，发现切削力的试验值与预测值对指标的影响具有相同的发展趋势。也用螺旋面钻头做了钻削不锈钢试验，该钻头是由沈阳东北大学研制的SD-2型手动复杂刃磨机床上刃磨而成的，通过试验，得知:在相同的切削参数下，螺旋面麻花钻的轴向力和扭矩比普通麻花钻要小很多，证实了螺旋面钻头的优越性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 难加工材料概述

1．1．1 材料切削加工性指标及其衡量标准

1．1．2 难加工材料定义及其切削加工特点

1．1．3 国内外难加工材料切削加工现状及其发展

1．2 不锈钢概述

1．2．1 不锈钢定义及其分类

1．2．2 不锈钢切削加工特点

1．3 钻削加工及其有限元仿真概述

1．3．1 麻花钻基本结构及其几何参数

1．3．2 钻削力建模的发展及其组成

1．3．3 国内外钻削加工仿真研究现状

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本章小结

第2章 麻花钻后刀面刃磨方法

2．1 平面刃磨法

2．2 锥面刃磨法

2．2．1 锥面刃磨法原理

2．2．2 锥面刃磨法后刀面数学模型

2．2．3 锥面麻花钻3D模型

2．3 螺旋面刃磨法

2．3．1 螺旋面刃磨法原理

2．3．2 螺旋面刃磨法后刀面数学模型

2．3．3 螺旋面麻花钻3D模型

2．4 本章小结

第3章 钻削加工有限元仿真模型的建立

3．1 有限元分析法基本理论

3．1．1 有限元分析法概述

3．1．2 刚塑性有限元法基本原理

3．1．3 金属切削加工有限元仿真关键技术

3．1．4 金属切削有限元软件的选择

3．2 DEFORM-3D软件介绍

3．3 钻削有限元模型的建立

3．4 本章小结

第4章 仿真分析

4．1 切削用量对不锈钢钻削性能的影响

4．1．1 普通麻花钻钻削过程中轴向力分析

4．1．2 普通麻花钻钻削过程中扭矩分析

4．2 钻削温度场以及刀具磨损分析

4．3 麻花钻几何参数对不锈钢钻削性能的影响

4．3．1 横刃对钻削性能的影响

4．3．2 顶角对不锈钢钻削性能的影响

4．4 本章小结

第5章 钻削试验及钻削力经验公式的建立

5．1 钻削试验

5．1．1 试验目的

5．1．2 试验条件

5．1．3 测力仪标定

5．1．4 试验方案与结果

5．2 结果对比

5．3 钻削力经验公式的建立

5．4 多元线性回归方程的方差分析

5．5 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢