用于高强度钢加工的钻头结构参数优化

摘要

目前，由于高强度钢材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、超高强度等优点被广泛应用于航空航天、化工及兵器等各个工业领域，但也存在切削加工难的问题，使其加工效率比较低下，加工成本较大。在生产实践中，钻削是十分常见的高强度钢钻孔加工方法。因此，优化钻头结构参数对钻头加工高强度钢的钻削性能发挥着积极重要的作用，对提高高强度钢钻削加工效率具有重要的意义。
　　本课题通过分析整体硬质合金钻头的基本特征，并就其几何结构参数对钻削性能的影响和合理选取的重要性进行理论分析研究，结合ANCA五轴数控磨床的磨削加工原理，利用SolidWorks软件完成整体硬质合金钻头的三维建模。
　　实际金属钻削加工过程中，切削力、切屑形态和刀具磨损是反映切削过程的主要指标，特别是切削力（轴向力和扭矩），其代表性更强。因此，本课题以有限元理论为基础，通过正交实验法合理分配整体硬质合金钻头几何结构参数（螺旋角、横刃斜角及顶角），采用有限元软件Deform-3D对整体硬质合金钻头钻削20CrNiMo高强度钢过程进行仿真模拟，并就其模拟过程中进行关键步骤的设定，包括工艺参数的设置、钻头模型的导入、模型大小及材料属性的定义、边界条件的定义约束及网格划分、模拟控制的设定及模拟运行过程等。对仿真结果获得的轴向力和扭矩曲线图进行对比分析以及仿真获得的轴向力和扭矩值进行极差分析法理论分析，确定影响钻削性能的钻头几何结构的最佳水平组合，从而完成整体硬质合金钻头结构的优化。
　　通过对优化后的整体硬质合金钻头进行模态分析和谐响应分析，得出钻头的五阶固有频率和振型及不同外界激励下沿着X、Y、Z方向的位移振幅响应，得出第一和第二阶振型容易引发共振，应使激励频率远远小于第一阶固有频率，以降低钻削振动。最后通过数控磨床加工出未优化的钻头和优化后的钻头进行实验验证。从轴向力、扭矩、振动、钻头磨损程度及切屑形态方面来验证优化后钻头的可行性和合理性。
　　本课题的研究工作解决了钻削高强度钢材料困难的问题，缩短了整体硬质合金钻头设计周期，提高了钻削加工效率，同时也为其它种类难加工材料的加工以及对其它种类刀具改进方面提供了一定的方法借鉴。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 钻削过程的国内外研究现状

1．2．1 钻头几何结构的研究

1．2．2 高强度钢钻孔的国内外研究现状

1．2．3 钻削过程的有限元技术研究

1．3 主要研究内容

1．4 主要研究目的

2 硬质合金钻头结构形状及其建模

2．1 硬质合金钻头的种类、几何结构及钻削性能

2．1．1 硬质合金钻头的种类

2．1．2 整体硬质合金钻头的结构

2．1．3 硬质合金钻头的几何结构对钻削性能的影响

2．2 钻头几何结构参数的重要性及其合理选取的方法

2．2．1 确定钻头几何结构参数的重要性

2．2．2 钻头几何结构参数合理选择的方法

2．3 基于SolidWorks的整体硬质合金钻头建模

2．3．1 创建毛坯体

2．3．2 螺旋槽的创建

2．3．3 刃带的高度和宽度

2．3．4 后刀面的建立

2．4 本章小结

3 基于Deform-3D有限元仿真与优化

3．1 Deform-3D软件及20CrNiMo高强度钢介绍

3．1．1 有限元软件Deform-3D简介

3．1．2 20CrNiMo高强度钢的性能及用途

3．2 钻削仿真过程中正交实验方案设计

3．3 钻削仿真前处理过程

3．3．1 切削参数的设定

3．3．2 钻头模型的导入

3．3．3 模型大小及材料属性的定义

3．3．4 边界条件的定义约束及网格划分

3．3．5 模拟控制的设定

3．3．6 模拟运行过程

3．4 仿真结果分析与优化

3．4．1 钻头在钻削加工中的轴向力仿真结果

3．4．2 钻头在钻削加工中的扭矩仿真结果

3．4．3 数据分析与优化

3．5 本章小结

4 基于有限元模态分析与谐响应分析

4．1 有限元模态分析与谐响应分析概述

4．1．1 模态分析概述

4．1．2 谐响应分析概述

4．2 有限元模态分析

4．2．1 模型处理

4．2．2 结果分析

4．3 有限元谐响应分析

4．3．1 模型处理

4．3．2 结果分析

4．4 本章小结

5 钻削实验研究

5．1 实验方案设计

5．1．1 实验的基本原理

5．1．2 实验条件

5．1．3 钻削实验方案

5．2 整体硬质合金钻头加工及钻削实验

5．2．1 整体硬质合金钻头实体加工

5．2．2 基于数控钻床的钻削实验

5．3 钻削试验结果验证

5．3．1 钻削轴向力和扭矩对比分析

5．3．2 钻削扰动对比分析

5．3．3 钻头磨损及切屑形态对比分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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