可转位浅孔钻的径向力分析和试验研究

摘要

随着工程材料和涂层工艺的不断发展，可转位浅孔钻在实际生产中得到了广泛的应用。然而，在其钻孔质量方面与国外成熟产品相比存在一些差距，其中可转位浅孔钻的径向力问题是影响其钻孔质量的最主要的因素。
　　与麻花钻相比，可转位浅孔钻具有较好的钻孔质量、较低的轴向力、更高的切削速度和进给速度。但由于可转位浅孔钻刀片的非对称布局，容易导致其在钻孔过程中受到未平衡的径向力，过大的径向力会引起钻头振动使钻孔质量降低。因此，如何最大限度地减小可转位浅孔钻在钻孔过程中受到的径向力，就成为设计和优化可转位浅孔钻的关键。
　　本文基于不等分剪切区模型来计算剪切面上的剪切应力。结合等效平面法将直角切削理论应用到单刃斜角切削的建模中，并根据直角切削和单刃斜角切削之间的切削力变换关系对单刃斜角切削的切削力进行分析。为分析可转位浅孔钻在钻孔过程中受到的径向力，本文将可转位浅孔钻的切削刃离散为一系列无限小的斜角切削单元。在分析了可转位浅孔钻几何角度的基础上，以单刃斜角切削为基础模型，根据斜角切削和钻削之间的切削力变换关系对可转位浅孔钻的钻削力进行分析，建立计算可转位浅孔钻径向力的数学模型。最后，对铝合金A17050-T7451进行多组不同切削参数的钻削试验，通过数值计算和钻削试验结果的比较，对本文所建立的数学模型的有效性进行验证。本文的主要内容有:
　　1.以安装有两个WCMX型刀片的可转位浅孔钻为本文的研究对象，建立了分析可转位浅孔钻几何角度（法前角、刃倾角和主偏角等）的数学模型，对可转位浅孔钻的几何角度沿钻头径向上的变化情况进行了分析，并与向量法分析可转位浅孔钻的几何角度进行了比较。
　　2.采用不等分剪切区模型计算剪切面上的剪切应力。在剪切区内，材料的本构关系采用Johnson-Cook方程表示，结合切削层材料在剪切区内速度、应变、应力和温度的控制方程，通过数值方法求解剪切面上的剪切应力。随后采用等效平面法将不等分剪切区模型的理论应用到单刃斜角切削的建模中，将单刃斜角切削等效为一系列与等效平面平行的直角切削薄片，并根据这些与等效平面平行的直角切削薄片和单刃斜角切削之间的切削力变换关系对单刃斜角切削的切削力进行了分析。
　　3.分析了将可转位浅孔钻的切削刃离散为一系列无限小的单刃斜角切削单元的离散过程。在分析可转位浅孔钻几何角度的基础上，以单刃斜角切削为基础模型，根据单刃斜角切削单元和可转位浅孔钻之间的切削力变换关系对可转位浅孔钻钻孔的钻削力进行分析，对微元钻削力进行数值积分求和得到可转位浅孔钻钻孔的钻削力，最终建立了可转位浅孔钻的径向力计算模型。
　　4.对铝合金A17050-T7451进行了多组不同切削参数的钻削试验，通过数值计算和试验结果的比较验证了所建立的计算可转位浅孔钻钻削力的数学模型的有效性。

目录

声明

摘要

本文所用符号注释表

第一章 绪论

1．1 可转位浅孑L钻简介

1．1．1 可转位浅孔钻产生背景及结构

1．1．2 可转位浅孔钻特点及应用

1．2 国内外研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 课题来源与研究意义

1．5 论文的主要研究内容

第二章 可转位浅孔钻的几何角度

2．1 可转位浅孔钻几何模型

2．2 可转位浅孑L钻几何角度的分析

2．3 向量法分析可转位浅孔钻几何角度

2．3．1 向量法简介

2．3．2 可转位浅孔钻几何参数的基本方程

2．4 内、外刀片搭接点的计算

2．5 两种方法分析几何角度的比较

2．6 本章小结

第三章 斜角切削模型

3．1 斜角切削研究现状和分析方法

3．1．1 斜角切削研究动态

3．1．2 斜角切削分析方法

3．2 剪切应力的计算方法

3．2．1 剪切区模型简介

3．2．2 剪切应力的计算

3．3 斜角切削的控制方程

3．3．1 材料的本构方程

3．3．2 剪切区的变形控制方程

3．3．3 剪切区的温度控制方程

3．3．4 摩擦角和剪切角的确定

3．4 斜角切削模型

3．4．1 斜角切削的前角、法向前角和实际前角的关系

3．4．2 斜角切削的切削力变换

3．4．3 斜角切削的切削力计算

3．5 本章小结

第四章 可转位浅孑L钻钻削力模型

4．1 可转位浅孔钻径向力的计算模型

4．1．1 可转位浅孑L钻的钻削力

4．1．2 径向力计算模型

4．2 钻削试验与结果分析

4．2．1 钻削试验

4．2．2 钻削试验结果

4．2．3 数值仿真与验证

4．3 可转位浅孑L钻的优化

4．3．1 优化程序的计算流程图

4．3．2 可转位浅孔钻的切削模拟

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文