（机械电子工程专业论文）可转位浅孔钻非稳态钻削的数值仿真研究.pdf

西华大学硕士学位论文 可转位浅孔钻非稳态钻削的数值仿真研究 机械电子工程专业 研究生扈光涛指导教师昊能章 摘要 可转位浅孔钻内外刀片的径向非对称分布，导致钻削时产生径向合力， 从而影响了被加工孔的质量。故最大限度的减s n t 时的径向合力成为浅孔 钻设计与制造中要解决的关键问题。 本论文将浅孔钻钻削加工分为两个状态过程：稳态加工和非稳态加工， 稳态加工是指浅孔钻钻头完全钻入被加工工件的状态；非稳态又分为钻入和 钻出两个过程，钻入过程是指浅孔钻刚接触被加工工件表面到完全钻入工 件，将其分为5 个阶段进行研究；钻出过程是指浅孔钻刚钻出工件表面到完 全钻出的过程，将此过程分为3 个阶段进行了研究。浅孔钻钻削时径向力的 产生，使浅孔钻在稳态加工时整个钻头偏斜、孔径扩大，非稳态加工时产生 “喇叭口”。 本论文采用向量矩阵法建立了浅孔钻切削部分几何参数分析模型，采用 经典斜角切削理论和经验公式相结合的方法建立了浅孔钻切削力预报数学 模型。利用有限元分析软件a n s y s 中的优化模块对刀片的5 个安装参数进 行了优化，目的是使浅孔钻在稳态加工时径向合力最小。并利用分析模块建 立刀体的有限元模型，分析并得到了浅孑l 钻在稳态加工时钻头的应力应变分 布，进一步得到孔径的扩大量，并在此基础上预报浅孔钻非稳态加工时被加 工孔的理论扩大量。为了预报内外刀片的应力分布情况，建立了内外刀片的 有限元模型，利用m a t l a b 对刀片在优化后稳态加工时有效切削刃的载荷分布 进行了多项式拟合，并进行了应力分析。改变切削用量对五个安装参数重新 西华大学硕士学位论文 进行优化并对刀片的应力变化进行了数值仿真研究。研究结果表明： 优化刀片在刀体上的五个安装参数可使浅孔钻加工时的径向合力接近 于零； 有限元分析结果显示：每个加工过程最大应力皆发生在锥形段与钻头 前端的过渡部分，最大应变皆发生在钻头最前端，整个加工过程最大应力和 最大应变同时发生在“钻入”第二阶段； 通过有限元分析发现，在相同的加工条件下，优化后的孔径扩大量明 显小于优化前的孔径扩大量，尤其在稳态加工时这种差距更是明显。所以优 化后的浅孔钻能较大地提高被加工孔的尺寸精度； 由于刀片有效切削刃的载荷分布是非线性的采用m a t l a b 中的多项式 拟合方法可以很好的表达刀片切削刃上载荷的分布情况。拟合曲线表明切削 刃上的载荷分布皆是越靠近钻心载荷越大。内刀片左刃的载荷变化最明显， 过心点处载荷达到最大； 有限元法可有效的预报内外刀片在稳态加工时的应力分布情况。分析 结果表明内刀片两切削刃相交处以及外刀片右刃靠近刀尖处应力较大，内刀 片最大应力值大于外刀片的最大应力值，在实际加工中应选择韧性较好的刀 片作为内刀片。虽然内外刀片的最大应力均低于许用应力，但应力集中部位 容易出现刀片磨损或破损。为提高刀片寿命可采用在刀片两切削刃相交的部 位倒圆以及减小刀片的前角等措施。 以上研究的结果为可转位浅孔钻的结构设计、刀片槽槽形的设计与几何 参数的确定以及可转位浅孔钻的使用等提供了有价值的参考。 关键词：可转位浅孔钻；钻削力：a n s y s ；优化；数值仿真 i i 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a d i a lc u t t i n gf o r c e sw i l lb eg e n e r a t e dd u et ot h ea s y m m e t r i c a lr a d i a l a r r a n g e m e n to ft h et w oc a r b i d ei n s e r t so ft h ed r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t so nt o o l b o d yd u r i n gp r o c e s s i n g ，w h i c hw i l la f f e c tt h eq u a l i t yo ft h eh o l et ob em a c h i n e d t h e r e f o r e ，i ti st h ek e yi s s u et ob es o l v e di nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h e d r i l lt om i n i m i z et h er a d i a lc u t t i n gf o r c e si nd r i l l i n g t h e r ea r et w op r o c e s s i n gs t a t e s d u r i n gt h ed r i l l i n gu s i n gad r i l lw i t h i n d e x a b l ei n s e r t s ，o n ei sc a l l e d s t e a d ys t a t e a n da n o t h e ri sc a l l e d n o n s t e a d y s t a t e s t e a d ys t a t ei st h ed r i l l i n gp r o c e s si nw h i c ht h ec u t t i n gs e c t i o no ft h ed r i l l e n t i r e l yp e n e t r a t e si n t ot h ew o r k p i e c e ，w h i l et h en o n - s t e a d ys t a t ei st h e d r i l l i n g i n a n d d r i l l i n go u t p r o c e s g e s 。f o r d r i l t i n gi n t h ep r o c e s s f r o mt h ei n s t a n c e w h e nt h ed r i l lt o u c h e st h es u r f a c eo fw o r k p i e c et ot h ei n s t a n c ew h e nt h ec u t t i n g s e c t i o no ft h ed r i l le n t i r e l yp e n e t r a t e si n t ot h ew o r k p i e c e ，i sd i v i d e di n t of i v e p h a s e s f o r d r i l lo u t t h ep r o c e s s ，f r o mt h ei n s t a n c ew h e nt h et i po ft h ed r i l l p e n e t r a t e so u to ft h ew o r k p i e c et ot h ee n do ft h ed r i l l i n gp r o c e s s ，i sd i v i d e di n t o t h r e ep h a s e s t h eg e n e r a t e dr a d i a lc u t t i n gf o r c e sw i l li n d u c et h ed e f l e x i o no ft h e d r i l la x i s ，t h e r e f o r el e a dt ot h ee n l a r g e m e n to ft h eh o l ed i a m e t e ri nt h e s t e a d y s t a t e a n dt h e b u g l em o u t h w i l la l s eb eg e n e r a t e di n n o n - s t e a d ys t a t e a sw e l l am o d e lo fd y n a m i cg e o m e t r ya n a l y s i sf o rt h ec u t t i n gs e c t i o no ft h ed r i l l u s i n gv e c t o r - m a t r i xa p p r o a c hi sd e v e l o p e d ，a n dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd r i l l i n g f o r c e sp r e d i c t i o nb a s e do nc l a s s i c a lo b l i q u ec u t t i n gt h e o r yc o m b i n e dw i t h e m p i r i c a lf o r m u l a ei sb u i l tu p i no r d e rt om i n i m i z et h e r a d i a lc u t t i n gf o r c e s ，f i v e s e t t i n gp a r a m e t e r so ft h ei n n e ra n do u t e ri n s e r t so nt h ed r i l lb o d yh a v eb e e n o p t i m i z e dw i t ht h eh e l po ft h eo p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y ss o f t w a r e t h e r e b y t h ea n a l y s i sm o d u l ei su t i l i z e dt ob u i l dt h ef em o d e lo fd r i l lb o d y t h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n sa r eo b t a i n e da n dt h ee n l a r g e m e n ta m o u n to fh o l ed r i l l e d i i i 西华大学硕士学位论文 i n s t e a d ys t a t e i sc a l c u l a t e d ，a n dt h et h e o r e t i c a le n l a r g e m e n ta m o u n to ft h eh o l e d r i l l e di n n o n s t e a d ys t a t e i sa l s op r e d i c t e db a d e do nt h e m i no r d e rt op r e d i c t t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n so ft h ei n n e ra n do u t e ri n s e r t s ，t h e i rf em o d e l sa r eb u i l tu p t h er n u l t i n o m i a li su s e dt of i tt h ed i s t r i b u t i o no ft h el o a df o rt h ec u t t i n gs e c t i o no f t w oi n s e r t si n s t e a d ys t a t e w i t ht h eh e l po fm a t l a bs o f t w a r e ，a n dt h es t r e s s e s a l o n gt h ec u r i n ge d g e sa r ea n a l y z e d f i v es e t t i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da g a i n w h e nc u t t i n gc o n d i t i o n sa r ea l t e r e da n dt h er e l e v a n ts t r e s sc h a n g e sf o rt w oi n s e t s a r es i m u l a t e da sw e l l t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w ： n er a d i a l c u t t i n g f o r c e sg e n e r a t e db yd r i l l sc a l lb er e d u c e dt oz e r ob y o p t i m i z i n gt h ef i v es e t t i n gp a r a m e t e r so ft h ei n s e r t so nt h ed r i l lb o d y t h er e s u l t so b t a i n e df r o mf e as h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s sl o c a t e si nt h e t r a n s i t i o np a r tb e t w e e nt h eb o d yt a p e ra n dt h ef r o n tb o d yo ft h ed r i l la n dt h e m a x i m u md e f l e c t i o ni sa tt h eb o t t o mo ft h ef r o n te n do ft h ed r i l l t h em a x i m u ms t r e s sa n d d e f o r m a t i o na p p e a ri nt h es e c o n dp h a s eo f d r i l l i n gi n ”p r o c e s s t h ef e ar e v e a l st h a tu n d e rt h es a n l ec u t t i n gc o n d i t i o n s ，t h ee n l a r g m e n ta m o u n t o ft h eh o l ed r i l l e du s i n ga no p t i m i z a t e dd r i l li sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to ft h eh o l e d r i l l e du s i n gan o n - o p t i m i z a t e dd r i l l ，e s p e c i a l l yi nt h es t e a d yp r o c e s s i n g , t h e d i f f e r e n c ei sm u c hm o r eo b v i o u s a sar e s u l t ，t h eh o l ed i m e n s i o n a la c c u r a c yi s g r e a t l yi m p r o v e da f t e ro p t i m i z a t i o no ft h ed r i l l d u et ot h en o n l i n e a rf o r c ed i s t r i b u t i o n so ft h ea c t i v ec u t t i n ge d g e s ，t h ef o r c e d i s t r i b u t i o n sc a nb ee x p r e s s e db yp o l y n o m i a lc a r v ef i t t i n gm e t h o do f f e r e db y m a t l a bs o f t w a r e n ec u r v e ss h o wt h a tt h el o a di sg e t t i n gl a r g e ra n dl a r g e rw i t h t h ed e c r e a s ei nc o o r d i n a t ev a l u e sc l o s et ot h ed r i l lc e n t e lt h ec h a n g e so fl o a d v a l u ef o rt h el e f tc u t t i n ge d g eo fi n s e r t la r em o r eo b v i o u st h a no t h e r s n el o a d v a l u ef o rt h eo v e r - c e n t e r l i n ep o i n to ft h ed r i l li sm a x i m a l t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n sf o rt w oi n s e r t si n s t e a d ys t a t e a r ee f f e c t i v e l yp r e d i c t e d 西华大学硕士学位论文 b yf e m t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t t h em a x i m u ms t r e s so c c u r sa tt h e i n t e r s e c t i o np o i n to ft w oe d g e sf o ri n s e r t 1a n di nt h er e g i o nc l o s et ot h et i po f i n s e r t2 t h em a x i m u ms t r e s sv a l u ef o ri n s e r t1i sl a r g e rt h a nt h a to fi n s e r t2 ， t h e r e f o r e ，t h ed u c t i l em a t e r i a ls h o u l db ec h o s o nf o ri n s e r t1 t h o u i g ht h em a x i m u n s t r e s sv a l u e so fi n s e r t1a n di n s e r t2a r ea l ll o w e rt h a nt h ea l l o w a n c es t r e s sv a l u e ， t h er e g i o n sw h e r et h es t r e s sc o n c e n t r a t e sw i l lb ew o mo u ta n db r o k e n ，h e n c et h e i n t e r s e c t i o np o i n to ft h ee d g e sf o ri n s e r t1s h o u l db ef i l l e t e da n dt h er a k ea n g l ei s r e d u c e di no r d e rt oe x t e n dt h el i f eo ft h ei o s e r t t h eo u t c o m eo ft h es t u d yi so fg r e a tb e n e f i tt oi m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h ed r i l l ，t h ec h i pp o c k e tp r o f i l ed e s i g na n dt h ep a r a m e t e r s d e t e r m i n a t i o no ft h ei n s e r t s ，a sw e l la st h eu s a g eo ft h ed r i l lw i t hi n d e x a b l e i n s e r t s k e y w o r d s ：d r i l lw i t hi n d e x a b l ei n s e r t s ；d r i l l i n gf o r c e s ；a n s y s ；o p t i m i z a t i o n ； n u m e r i c a le m u l a t i o n v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 可转位浅孔钻( 以下简称浅孔钻) 简介 1 1 1 浅孔钻产生的背景 在金属切削加工中，巾2 0 巾6 0 r a m 的孔径加工占很大比例，一般孔加工 量约占整个机械加工量的l 3 ，其中钻孔约占2 5 ，其余孔加工约占1 3 。 因而孔加工刀具的作用显得尤为重要。由于钻孔加工的条件比较苛刻，限制 了钻孔刀具的发展，多年来，钻孔刀具一直以高速钢麻花钻为主。因为受到 高速钢允许切削速度的限制( 加工钢或铸铁件时，一般允许切削速度v 1 5 2 5 m m i n ) ，又由于麻花钻的结构形状和几何参数存在着许多问题，致使钻孔 的加工效率难以得到提高，并且很容易受到工件材料切削性能的限制。如钻 削1 c r l 8 n i 9 t i 等多种难加工材料时，用高速钢麻花钻头来钻孔，是相当困难 的。 为了提高钻削加工效率，改善工作条件，国内外在改进钻头结构方面做 了许多探索，并且随着科学技术的不断发展，难加工材科日益增多，同时自 动加工线的广泛应用，以及n c ( 数控) 机床、c n c ( 加工中心) 机床、f m s ( 柔性 加工系统) 的逐步普及，对钻孔刀具的性能、寿命、加工效率提出了越来越高 的要求。在这种情况下，一种新型的钻孔加工刀具浅孔钻应运而生。 1 1 2 浅孔钻的特点及应用”。 根据浅孔钻钻头孔径的不同，它的结构也是有区别的，巾1 2 1 6 m m 的钻 头采用单刀片；巾1 6 3 5 m m 的钻头采用2 3 个刀片；巾3 5 8 0 m 的钻头采 用模块式结构，大于巾8 0 唧的钻头采用刀头与刀体分离式结构，中问用螺钉 联接。当孔深与孔径之比大于4 时，刀体的背上有二个导向条，以保证切削 平稳。可转位浅孔钻多数装沉孔刀片，采用压孔方式夹紧。钻头由刀体、刀 片、压紧螺钉、模块、定位销等组成。刀体尾部与机床的联接采用圆柱柄、 莫氏锥柄及7 ：2 4 锥柄等。刀体上有进油孔，通过“y ”形油路进人切削区。 当以钻头回转为主运动时，需用冷却环供应切削液。 浅孔钻之所以能够进入孔加工领域，并迅速地取代高速钢麻花钻，是由 它所具有的优于麻花钻的特点决定的。 ( 1 ) 由于采用了可转位硬质合金刀片，浅孔钻的切削速度高。一般浅孔钻 西华大学硕士学位论文 的切削速度可达7 0 1 9 0 皿m i n ，生产效率是高速钢麻花钻的3 1 0 倍。 ( 2 ) 加工质量高。因切削速度高，加工孔的表面粗糙度改善了，可达 r a l 2 5 6 3um 。由于浅孔钻无横刃、定心性好，因此钻孔前无需在工件端 面上打中心孔，孔的直线度也得到提高。而用麻花钻头钻孔，表面粗糙度值 一般高于r a l 2 5 ，且孔的直线精度低，孔易产生偏斜。 ( 3 ) 刀具成本低。刀片磨损或崩刃后只要将刀片转位( 或更换) ，即可继续 切削。刀具长度不变，不需进行调整，这点对数控机床尤为重要。刀体可重 复长期使用。 ( 4 ) 改善钻孔工作条件。根据不同加工件材料的切削性能，更换配置不同 材质的硬质合金刀片，以使切削过程能较顺利进行。并且由于刀片上预先制 造好的断屑槽，使得钻孔过程中，有较好的断屑性能，便于切屑的清理。而 麻花钻钻削钢件时，断屑条件往往不好控制，易形成带状切屑，不利于操作 和对钻头的冷却。 ( 5 ) 减轻工人劳动强度。工人无须刃磨刀片，因切削速度高，若手动进 给钻孔，可省力许多；若机动进给，则可降低机床迸给运动的功率消耗。 ( 6 ) 可转位钻头钻孔的切入切出长度短，缩短了走刀行程，提高了生产率。 ( 7 ) 若采用涂层刀片( 国外已广泛应用) ，内外刀片可通用，便于刀片管理。 ( 8 ) 冷却效果好。采用内冷却方式，冷却、润滑效果好，同时也便于切屑 的排除。 ( 9 ) 刀体制造较简单。 当然，浅孔钻也有其缺点，主要表现为以下两点： ， ( 1 ) 只适于在实体材料上钻巾2 0 中6 0 r a m 且长径比兰3 的浅孔。对于 上j 直径小于2 0 m m 的孔，由于受到刀片尺寸规格的限制，刀体难以制造； ( 2 ) 加工过程中，必须用冷却液强制冷却。 浅孔钻的适用范围为： ( 1 ) 适用于在实体上钻深度h 3 d 的孔： ( 2 ) 适用于刚性好、功率大、进给机构运动平稳的机床； ( 3 ) 钻削中必须强制用大流量、高压力的冷却液冷却。 1 1 3 浅孔钻的理论研究 浅孔钻所用刀片的形状为四边形、三边形、等边不等角六边形、菱形和 2 西华大学硕士学位论文 圆形等。但国内多采用四边形和等边不等角六边形( 即凸三边形) 刀片，在 中1 8 5 0 m m 浅孔钻上通常安装两个刀片，一个外刀片与一个内刀片相互搭 接，把被加工孔径分成四个或两个部分。 钻头为多刃刀具，钻削过程中要产生总切削力和扭矩，而总切削力又可 分为切向力( 主切削力f c ) 、进给力( 轴向力f f ) 、背向力( 径向力f p ) 。钻削 进给力是一轴向力，它的大小影响到机床进给机构的设计及刀体弯曲强度的 选择：切向力形成扭矩，不通过中心；背向力是多刃相互作用的，选择恰当 可保证切削平稳和良好的定心。对背向力而言，由于可转位浅孔钻刀片的非 对称装夹，作用在内、外刀片上的切削力及背向力叠加，产生了径向合力。 在普通麻花钻上，由于其切削刃几何形状对称，这种径向力是抵消了的。在 此径向合力作用下，加工过程中钻头体产生弯曲，导致整个钻头偏斜，并增 大主轴一轴承系统的负荷。并且，由于径向合力的作用，使得可转位浅孔钻 在切入和切出工件的时候，容易产生“喇叭口”，并且也使被加工孔的孔径 产生一个扩大量，这对于一些精度要求比较高的孔来说，无疑是不利的。影 响径向合力的大小和作用方向的主要因素，有钻头的几何参数、可转位刀片 在钻头体上的装夹位置和钻头体的横截面。 很多学者和工程技术人员已经对浅孑l 钻的几何形状和参数进行了一些研 究。 在文献 9 中，作者根据设计原则- 背向力应相互平衡，互相抵消： 构成力偶的两个切削力应平衡相等，产生的扭矩应与机床旋转力矩平衡。 并通过将内刀片一侧顺时针( 或外刀片一侧逆时针) 绕中心旋转一个卢角来 满足力的平衡条件。在这里作者直接引用文献 4 上的公式 t a n f l ； 型咝! 当生! ! c o s 庐, lc o s 以2 + k 2 s i n bls i n 咖2 其中庐，。和庐，：为余偏角，k 为进给力与切削力的比值。而在文献 3 中，作者 认为：由此公式得出的口角与理论推荐值相差很大，并且由上面公式知道卢仅 与k 、咖，和咖：有关，当k 、咖。和办：不变时，芦= 常量，这表明p 角与两刀 片实际上的切削长度变化( 即与切削力的大小变化) 无关，即：与两刀片 的轴向高低无关：当一组刀片用于浅孔钻某一直径段时，与搭接量多少无 关。作者认为内刀片低于钻心的量和外刀片高于钻心的量对径向力平衡影响 很小，可不予考虑，而两刀片的轴向高低将影响外刀片内刃与内刀片外刃的 西华大学硕士学位论文 实际切削长度，对b 角有较大影响，所以在用单位切削力计算各个力时必须 考虑两刀片的轴向距离对切削刃实际切削长度的影响。但是文献 3 中作者在 推导卢角时忽略了单位切削力在两刀片的切削刃的各点是不同的，主要是切 削速度的不同造成了单位切削力的不同。 在文献 5 中，作者考虑到了由于刀片的切削刃的各点的切削速度不同而 造成各点的切削力的不同。却没有考虑到两刀片轴向距离的影响。 查阅国内外相关文献，涉及浅孔钻受力分析的文章寥寥无几，在这里仅 对目前使用的受力分析方法做一概述。 测量切削力并建立经验公式的方法1 0 1 首先利用测力仪测出切削力。测力仪有多种，按工作原理可分为机械、 液压和电气三类。电气类应用较广泛，有电阻式、电容式、电感式、压电式 和电磁式等，目前常用电阻式和压电式测力仪。切削力实验的设计方法有很 多，最简单的方法是单因素实验法，即在固定其他因素，只改变一个因素的 条件下，测出切削力。再将实验数据加以适当处理，处理数据的方法也有很 多，例如：图解法、回归分析法等。晟后得到切削力的经验公式，我们常用 的切削力的指数公式由实验总结而得，属经验公式的一种。用指数公式计算 切削力时，考虑到各因素对切削力的影响，可用修正系数表示。当所求切削 条件与实验条件不符时，在实验公式的基础上乘上一个修正系数( 各因素修 正系数的乘积) 。 文献 7 中作者分别采用中2 9 、中3 2 、中3 8 等三种不同直径的浅孔钻对 4 5 号钢进行加工，工件转速n = 4 7 0 r m i n ，走刀量f = 0 0 6 m m r 。采用指数 犁公式f = c d 。对所测得的数据进行回归分析，建立了轴向力、释向力、 切削力、扭矩的经验公式，如下所示： ，= 4 1 1 d 1 ”( n ) f ：7 1 6 d ”，( n ) f c = 1 8 1 4 9 d “6 ( n ) m = 9 0 7 x 1 0 4 d 1 6 ( n - m ) 很显然这种方法是建立在定切削条件基础上的，所以必然存在局限性。 而且在浅孔钻钻削实验中，变化因素不是个而是多个，影响切削力的因素 也有很多，如背吃刀量、进给量、切削速度、刀具的几何角度、刀片的安装 4 西华大学硕士学位论文 位置等等。但是上面的公式仅能反映浅孔钻的直径对切削力造成的影响，这 是不全面的。 利用单位切削力的方法 单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，如果知道了单位切削力 就可以计算出主切削力。从而可以计算出轴向力、径向力、扭矩。文献 2 3 5 8 都是利用这种方法计算出各个力的。 f ：一k ：f i c 日旧甲，k k f f = k f f ，= f f t a n 译f = k ft a n p ? k ，：单位面积上的切削力 ，：进给量 f ：切削刃上的实际长度 妒，：切削刃的余偏角 k 。：修正系数 k ：进给力与切削力的比值 生产中较为方便的是利用这种方法计算切削力。但是应该注意到，单位 切削力是通过实验求得，受到切削条件的限制。在计算切削力时，若切削条 件与表列条件不同，应乘以修正系数加以修正。浅孔钻切削刃上的每一点的 切削条件都是不同的，在计算各段切削刃上的受力时代入相同的单位切削力 是不合理的。 理论分析与经验公式相结合的方法1 7 l 浅孔钻主切削刃上的切削运动可以看作由许多斜角切削单元构成，每个 单元有不同的法前角、刃倾角、合成切削速度，通过理论分析可以得出这些 角度。对所研究的工件材料进行直角切削实验得到单位切削面积、剪应力、 切屑比、刃口力等基本切削数据，然后将单刃斜角切削理论应用到每个单元 上，就获得了单位变形力峨、峨。、峨。及单位刃口力唯、峨。、峨。 的经验公式，如下所示： 峨= r a a c o s ( z 一y 。) c o s t + t a n r 。s i n 九s i n 九】b b 皈；r a a s i n ( a 一n ) b b a f a = a a i c o s ( ；t 。一“) s i n t t a n 。c o s tc o s 九】b b 西华大学硕士学位论文 毖$ = k 1 p 曲 = k 口曲并且岷。= 0 寝醵p = 毖3 + 毖。 断q 一心q + 世q e a f s ；峨 其中- ，f ，足k 都是由经验公式给出，而且它们都是合成速 度与法前角的函数。这样就得到了每个单元上所受的力，然后将力f 。， r 用向量表示出来，然后投影到各个坐标轴上，最后进行力的合成”1 。这 种方法是研究麻花钻时所使用的方法，但是同样可以利用这种方法对浅孔钻 进行研究。 理论公式的优点是能够反映影响切削力诸因素的内在联系，有助于分析 问题，缺点是由于推导公式时简化了许多条件，与实际情况差别较大，因而 计算出来的切削力不够精确。目前在实际应用中，大多用单位切削力计算切 削力，这种方法比较简单直观。 1 2 课题的来源 本课题来源于四川省教育厅重点科研课题“浅孔钻钻削机理及智能化开 发系统研究”中的子课题浅孔钻钻削机理数值仿真研究”。 1 3 本课题研究的目的和意义 由于浅孔钻的使用面非常广泛，改善其设计制造方法，提高它的加工质 量和使用寿命，无疑会带来巨大的经济效益和社会效益。浅孔钻在钻削加工 时有两个状态过程：稳态加工和非稳态加工，稳态是指浅孔钻钻头完全钻入 被加工工件的状态；非稳态又分为钻入和钻出两个过程，钻入过程是指浅孔 钻刚接触被加工工件表面到完全钻入工件，钻出过程指得是浅孔钻刚钻出工 件表面到完全钻出的过程。由于可转位刀片在钻头上是非对称布置的，因此 钻削时会产生较大的径向力，致使浅孔钻在稳态加工时使整个钻头偏斜，孔径 扩大，影响了孔的加工质量；非稳态加工时易产生“喇叭口”。要解决以上问 题，必须对浅孔钻的钻削机理进行深入的分析与研究，借助大型有限元分析 西华大学硕士学位论文 软件a n s y s 进行优化分析，找出满足在稳态加工过程使径向力最小的刀片 空间几何位置参数，并得到刀片和刀杆的应力应变情况，从而预报在非稳态 加工时“喇叭口”的大小，进一步对刀片进行数值仿真研究。 1 4 主要研究内容、途径及技术路线 浅孔钻由两块硬质合金刀片在径向不对称分布来构成切削刃，由于刀片 在钻头上的非对称布置，导致了刀具在加工时要产生径向合力，从而影响机 床的受力与刀具的变形，进而影响被加工孔的质量。对于给定的加工条件， 必然存在一种最优的刀片空间布置方案，可最大限度地减小刀具加工时的径 向合力，拟定了如下研究内容： 建立非稳态钻削力模型( 钻入和钻出阶段) 采用3 d 斜角切削有限单元理论建立钻削力模型。 应力应变分析 采用有限元方法分析刀杆和刀片应力应变情况并给出在稳态和非稳 态钻削下被加工孔径的扩大量。 建立钻头结构优化模型 优化刀片空问布置方案使被加工孔径的扩大量为最小，同时使刀片 的应力状况得以改善。 刀片的数值仿真研究 改变切削用量时，研究优化后的刀片应力变化规律。 西华大学硕士学位论文 2 可转位浅孔钻数学模型的建立 2 1 可转位浅孔钻几何模型的建立n 0 3 2 1 1 坐标系的建立 本文以刀杆的端部装有两个等边不等角六边形硬质合金可转位刀片的浅 孔钻为例，如图2 - 1 建立钻头坐标系0 一x y z ，z 轴与钻头轴线重合：如图2 2 建立刀片坐标系d 嘣yz 。现将刀片连同其坐标系分别安装在钻头上，首先 将刀片系的原点0 与0 。点重合，并使y 轴与y 。轴重合，z 轴与z 轴平行且同 向，然后使坐标系0 吖一y2 绕y 。轴反转妒角，使一轴与轴重合。z 轴与z 。 轴重合，形成坐标系d 。一x l y 。1 1 ，接着使坐标系d 一一y 一绕x 。轴正转妒。角， 使y 轴与) ，l 轴重合，z 轴与z l 轴重合，至此，刀片已安装在坐标系0 1 - - x l y ，z 1 所在的位置上，此位置上的刀片为内刀片，并 设为刀片1 。 将刀片系的原点0 与0 ，点重合，并使轴 与x 轴平行同向，z 与z ，轴( 与z 轴平行且同 向) 重合，然后使坐标系o - - x yz 绕z ：，轴正1 转( 1 8 0 1 一卢) 角，使x 轴与z ：。轴重合，y 轴与 y ：l 轴重合，形成坐标系0 2 一z z ，y ：l z 2 。；接着 使坐标系0 一x yz 绕y ：，轴正转妒2 角，使f 轴 与x ，轴重合，z - 轴与z ，轴重合，形成坐标系 0 2 一6 2 22 1 2 2 2 ：最后再将坐标系o l x yz 绕工2 轴正转妒，角，使y 轴与y ：轴重合，z 轴与z ： 、 。可i z 烟默e 、u一 - ， 二 i ( 二= ) - 一基 魄f a 一 轴重合，这样便将刀片装在坐标系 f i 9 2 1d 棚c 0 0 f d i n a l e s y s t e m 0 2 一x 2 y 2 2 2 所在的位置上，此位置上的刀片图2 - 1 钻头坐标系 为外刀片，并设为刀片2 。 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 - 2c o o r d i n a t es y s t e mf o ri n d e x a b l eh e x a g o ni n s e r t 图2 - 2 刀片坐标系 1 1 x l ( 五) f i 9 2 3s e t t i n gc o o r d i n a t es y s t e mf o ri n n e ra n do u t e ri n s e r t s 图2 - 3 内外刀片安装坐标系 图2 3 表示坐标系0 1 一x l y l z l 和坐标系0 2 一x 2 y 2 2 2 与坐标系0 一x y z 之间的 关系。 坐标系o ，一x l y ，z 。与坐标系0 一x y z 中矢径之间的转换关系可表示为： f = 0 0 1 + 爿。1 1 ( 审m 。( 妒。) i ( 2 1 1 ) 式中 f 表示坐标系0 一x y z 中任意一点的矢径， i 表示同一点在坐标系0 。一x l y 。z 。中的矢径。 a y l l ( 哪) ，a 。仰，) 为坐标变换矩阵，可表示为 c o s 00 一s i n 妒1 a m ( 叫) ；l o1o l 【s i n 妒 o c 。s 妒j 9 1 4 。似。) = 1 0 1 0 嚣0 ， o 言 啪 优吼 西华大学硕士学位论文 式中 l 1 = l oc o s t p lc o s 慨一妒) 一m l 坐标系d ：一x z y ：2 ：与坐标系d x y z 中矢径之间的转换关系可表示为： i = o 一0 2 + 爿：2 1 ( 石一p ) a y 2 1 ( 妒2 ) a x 2 3 ) 而( 2 2 ) 式中 i 表示坐标系0 一x y z 中任意一点的矢径， 五表示同一点在坐标系0 ：一x 2 y ：z ：中的矢径。 a 蹦p 一声) ，a y 2 ：, 2 ) ，a ，2 3 ) 为坐标变换矩阵，可表示为： 卜c o s f l s i n 卢0 爿：2 1 ( 万一卢) = s i n 卢 一c o s l 3 0 l 【0 0 1 j c o s 妒2 0 s i n v , 2 1 锄却2 卜瞄0 妒- ：。1 删0 ：l 2 潞0 毒 中- 历c 翟o s ( , e + 掌】 i ；、面甄i s i n 2：。坐 。d = 岖+ l 2 ：= 鉴o d 厶= 俘一地2 一厶c o s ( ：) 2 1 2 刀片坐标系d t x t y z t 中各矢量方程表示 刀片左切削刃幺矢 s f = 【一c o s 驴, 0s i n 妒1j 式中他为刀片的余偏角 刀片右切削刃幺矢 s ，= 卜c o s 庐10 一s i n 蛾j 刀片左刃法前角幺矢 1 0 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 堕兰三! 三兰堡主堂垡丝苎 y - r = 曲s r 。s i n 0 1s i n nc o s y 。c o s 妒ij 式中y 。为刀片的法前角 刀片右刃法前角幺矢 死= 【_ c o s y 。s i n a i s i ny 。c o s y c o s 妒 j 刀片左刃法后角幺矢 舀：f = k n 口。s i n # 1c o s o ! 。s i n a c o s # lj 式中d 。为刀片的法后角 刀片右刃法后角幺矢 厅：，= 卜s i n 口。s i n 疵c o s o f 。s i n a 。c o s 虫j ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 2 1 3 刀片上的各矢量在钻头坐标系中的表示 由于在计算刀具的几何角度时，刀片上的矢量只与坐标系的旋转变换有 关，而与坐标系的平移变换无关，因此，刀片上的各矢量在钻头坐标系中的 表示如下所示。 ，刀片安装在坐标系0 。一x l y 。z 。中后各矢量方程： 刀片l 左切削刃幺矢 耻州砷地曰= ：二篓杰嚣= 爿 刀片1 右切削刃幺矢 刀片1 左刃法前角幺矢 兄n ；a y l l ( 砷p n 似1 ) ， c o s y ns i n lc o s 妒- s i n t ps i n 0 1s i n “一s i n t pc o s 4 t ? 1c o s ， 月c o s , l = i s i n r 。c o s l p l s i m p lc o s hc o s 九 1c o s y 。s i n g ts i n o + c o s t ps i n 妒ls i n y 。+ c o s 妒c o s v j lc o s y nc o s 6 1j 刀片1 右刃法前角幺矢 ( 2 - 9 ) f 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 丸 a 唧 锄炉峨岫 疵鬈 嘿嘲 啪 呻 m ，。，。卜 一声舻m妒p 4 西华大学硕士学位论文 只，= a 。( 妒) 爿， 。) ， ( 2 - 1 2 ) 舀m ；4 。，( 呻) 爿n 缈。) 舀二 p i n 疵c 0 8 妒- 8 协妒8 c 0 5 - s i “妒c 0 8 血c