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切削力作为金属切削过程中主要的物理现象之一,直接决定着切削热的产生,影响刀具寿命、加工精度和加工表面质量,也是设计机床、夹具等工艺设备必不可少的依据。钻削加工是一种重要的加工工艺,占机械加工总量的30%左右。因此,进行钻削力研究,不仅是钻削机理研究的重要方面,而且对指导生产实际具有重要的现实意义。
本文以麻花钻为研究对象,进行钻削力仿真与试验研究。利用DEFORM-3D有限元软件,建立了钻削过程的仿真模型,实现了切屑形成、钻削力和钻削温度的仿真,研究了钻削速度、进给量等工艺参数与钻削力之间的关系。通过用麻花钻对45钢、灰铸铁HT200和硬铝LY12等普通材料,以及奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、钛合金Ti-6Al-4V和高强度钢30CrMnSiA等难加工材料的钻削力试验,揭示了钻削速度、进给量等工艺参数对钻削力的影响规律,以及麻花钻主切刃和横刃对切削力的贡献,分析了修磨横刃之后钻削力的变化情况。采用正交试验和回归分析法,建立了几种材料钻削力的经验公式。在干式切削条件下,研究了涂层刀具钻削力特性。最后通过仿真值与实验值的比较,判断仿真模型的可靠性。
研究分析结果表明:
①钻削速度对钻削力的影响较小,钻削力随着进给量和钻头直径的增大而增大。
②工件材料性能对钻削力的影响较大,随着材料强度、硬度和韧性等物理机械性能的提高钻削力增大。
③麻花钻主切削刃对扭矩的影响较大,其对扭矩的贡献约占总扭矩的80%,而横刃对轴向力的影响较大,其对轴向力的贡献占总轴向力的60%左右。采用修磨横刃的方法,能大大降低轴向力,提高钻头的定位精度。
④CrAlTiN涂层具有一定的固体润滑作用,能显著改善钻头的摩擦特性,提高其切削性能,尤其在钻削1Cr18Ni9Ti和钛合金Ti-6Al-4V时,优势明显。
⑤采用正交试验和回归分析方法所建立的钻削力经验公式可信度较高,与试验结果拟合程度良好。
另外,所建钻削力分析模型能较好地反映钻削加工过程钻削力的变化趋势,可以作为研究钻削加工的重要辅助工具。