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1、西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 英文翻譯院（系）：機(jī)械電子工程系專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名：白曉光學(xué) 號：200906040304指導(dǎo)教師：王發(fā)展日 期 ：2013.03.15 分析有限元法預(yù)測鉆孔時(shí)的推力和轉(zhuǎn)矩機(jī)械和航空航天工程學(xué)院，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7910，USA機(jī)械工程學(xué)院，密歇根大學(xué)，安阿伯，MI48109，USA摘要開發(fā)分析有限元技術(shù)是用于預(yù)測麻花鉆鉆孔時(shí)的推力和扭矩。該方法是基于代表作為一系列的傾斜部分沿切削刃的切削力。同樣，切割在鑿區(qū)域被視為正交切削，這種切削是利用在徑向位置的不同切削速度。對于每個(gè)區(qū)段，歐拉有限元模型被用來模擬切

2、削力,分力合并，以確定整體的推力和鉆削扭矩。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在垂直、傾斜切割和鉆探測試中，力與力矩的實(shí)測與預(yù)測之間有很好的一致性。進(jìn)行鉆探的測試是基于AISI 1020多個(gè)直徑的鉆頭、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率。鉆頭溫度預(yù)測技術(shù)的延伸，也已經(jīng)被描述。2004年由Elsevier公司出版關(guān)鍵詞：有限元建模，鉆孔，鉆孔推力和力矩1、介紹金屬的切削加工，如車削，銑削和鉆孔被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)生產(chǎn)各種機(jī)械部件。鉆孔在孔的生產(chǎn)過程中，是特別重要的，因?yàn)樗剂撕艽笠徊糠值恼w加工操作。此外，鉆井問題可能會導(dǎo)致昂貴的生產(chǎn)浪費(fèi)，因?yàn)樵S多鉆井作業(yè)通常是制造的最后一道工序的一部分。許多研究人員在過去的50年開發(fā)了許多用于1-28預(yù)

3、測鉆孔時(shí)的扭矩和推力的分析和數(shù)字模型。早期鉆孔模型已經(jīng)由逸夫1，牛津2，逸夫和牛津3，帕4，威廉姆斯5,6， 奧馬瑞和程7,8、吳瑞、奧馬瑞9等人開發(fā)。奧馬瑞和程7,8提出了一種方法，這種方法就是利用一系列斜切割片來模擬鉆孔過程。這種方法由沃頓10-13進(jìn)一步深化，他建立了更詳細(xì)的模型，這樣能夠去除兩個(gè)切削唇和鑿子邊緣區(qū)域的切削材料。阿格皮鷗 和德維爾14,15利用奧馬瑞的方法來預(yù)測鉆頭的溫度，并通過Stephenson和德維爾 16的方法來模擬任意鉆點(diǎn)的幾何形狀。此外，魯賓斯坦等人17,18使用鏟形鉆模型。鉆井模型的最新發(fā)展是利用一種機(jī)械的或有限元的方法。 柯恩和 1921龔和埃曼22開發(fā)了

4、機(jī)械鉆孔模型。有限元法可以提供一個(gè)統(tǒng)一的鉆探和其他金屬切削過程的方法。付艾23研究了使用有限元方法進(jìn)行鉆孔。郭 和 多斐德24 和米恩25采用有限元建模鉆井技術(shù)以退出毛刺的形成。特拉和 奧譚采用有限元方法以確定鉆井扭矩和推力，而波諾和尼二27,28用此法預(yù)測鉆熱通量，溫度和熱失真的鉆孔。 在本文中，歐拉熱粘塑性有限元模型，已經(jīng)制定了斜角切削29，適用于鉆井過程。有限元素切割模型是基于一系列的由卡羅爾和斯坦科維奇30，阿特瓦和斯坦科維奇32的研究文章，它已經(jīng)被驗(yàn)證適用于眾多工件材料和切削條件。歐拉有限元方法是特別有利的，因?yàn)樗梢杂糜谛纬删哂写蟮呢?fù)前角，如在橫刃的麻花鉆發(fā)現(xiàn)的模型芯片。另一個(gè)獨(dú)特

5、的功能是，無論是用力和加熱的鉆頭，由于塑性功和摩擦可以被集成在一個(gè)單一的模型中，以此來預(yù)測力和鉆的溫度的函數(shù)和工件的進(jìn)給和速度。本文對有限元鉆井模型的發(fā)展進(jìn)行了說明。該模型建立在作為一個(gè)系列斜鉆尖幾何形狀部分的基礎(chǔ)上。斜角切削的一個(gè)分析模型是描述用于分析鉆的切削刃區(qū)域的一個(gè)單節(jié)。然后將這些部分組合起來以確定結(jié)果的推力和扭矩。同時(shí)對用于預(yù)測鉆頭溫度的擴(kuò)展模型進(jìn)行了討論。 命名法A 剪切面的區(qū)b 切割寬度 校長（切割）力 摩擦力 橫向力 垂直（推力）力 傾角L 間距螺旋鉆 法向力Q 切削截面的投影面積的r 從鉆頭中心的部分的半徑t 未變形切屑厚度 切削深度Us 剪切能率 摩擦能率V 切割速度 芯片

6、流速Vs 芯片速度在剪切計(jì)劃w 腹板厚度的一半 有效傾角 前角b 內(nèi)摩擦角 剪切面角，角之間的剪切和切割速度 流屑角q 有一半鉆孔點(diǎn)的角度2、單刃斜角切削模型沿著鉆頭切削刃的切削作用可以認(rèn)為是發(fā)生在一系列的傾斜部分，在這一部分端面和傾斜角沿著唇沿徑向變化7,8。本文中，分析有限元法應(yīng)用于預(yù)測芯片氣流角和每個(gè)三維部分的切削力。這一技術(shù)基于最小能量法，它是由 于斯 等人.33和 哈瑞他34為了確定芯片流角度而開發(fā)的。等人開發(fā)的歐拉模型和這個(gè)最小能量法都能應(yīng)用于正交切削力數(shù)據(jù)。首先考慮有一切削刃工具這一最簡單情況，如圖1所示。主切削刃的傾斜角為，切削深度為，切削寬度為b。潛在的假設(shè)是，一個(gè)芯片是由剪

7、切平面CJFD的主切削刃的CD作用力作用的。立體的裁剪，可以理解為平面應(yīng)變正交切削的集合。IHERQGC就是一個(gè)典型的平面，如圖1的交叉陰影線部分。此平面由切割速度V和芯片的流速向量確定。此平面上切屑的形成，可視為與一個(gè)相應(yīng)正交切削的剪切角的平面應(yīng)變變形，平均摩擦角，和加工材料的剪切強(qiáng)度有關(guān)。任何平行于平面IHERQGC的其他平面將具有相同的有效剪切面角度/ e和有效傾角，但具有不同的切割深度。因此，三維切削解釋為一系列正交切片，每一個(gè)具有相同的有效剪切平面的角度和沿主切削刃的有效傾角。因此，三維切削可以解釋為切削一系列具有相同的有效剪切平面角度和沿主切削刃有效傾角正交切片。我們要測圖1 斜角

8、切削模型量的形成于平面上的有效傾角是由芯片的流速和切割速度V形成的平面中，它被定義為芯片的流動方向和法線切割速度之間的角度，如圖1所示。該角度由芯片流角()，傾斜角度（），和分離多徑角(an)確定，計(jì)算公式如下：(+ (1) 該芯片流角度可以使用最小能量方法29,33確定。總切削能源率由剪切面的剪切能率(Us)和工具面的摩擦能率()組成。剪切能率可以下面這個(gè)公式表示： (2)是剪切面的剪切應(yīng)力，Vs是剪切平面的剪切速度。剪切面CJFD的面積為A，等于向量（CE）和(CD)的交叉乘積，如圖1所示。原點(diǎn)為c點(diǎn)的正交坐標(biāo)系如圖所示，定義線CI為x-軸，其平行于切割速度向量V。y軸在由速度V和刀具刃C

9、D確定的平面中，y軸和線CD之間的角度是i，z軸在圖1中未標(biāo)出。它垂直于x-軸和y軸，以形成一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)。線CG和HI的長度如下公式給出： 和向量CE和CD可由如下公式表示：和A的面積由向量CE和CD表示，也可以由以下公式算出: (3) 其中 (4) (5)基于正交切削理論，平面速度由以下公式給出： (6)是剪切面和剪切速度之間的夾角， 是有效傾角。因此在公式2中的剪切能量率也可以由以下公式給出: (7)前刀面的摩擦能率 能由一個(gè)類似理論得出： (8)其中Ft是前傾面的摩擦力。為了從式（7）和（8）中計(jì)算出總能量率，有效的剪切面角()和剪切平面應(yīng)力()必須是已知的。據(jù)推測，、和有效傾角之間

10、的關(guān)系和在正交切削同等條件關(guān)系的相同的。此外，通過假設(shè)作用在一個(gè)單元寬度的未變形切屑厚度T的工具刀面的摩擦力和一個(gè)單元寬度切削的未變形切屑厚度T的正交切削下的摩擦力是相同的，摩擦力 可以由以下公式表示： (9)其中b是工具面上的摩擦力，Q為一個(gè)鼻子尖工具可以表示為： (10)一般公式（9）和（10）用來計(jì)算摩擦能率.總切削能率可以通過剪切和摩擦能率來計(jì)算。需要注意的是，摩擦能率依賴于未知的切屑流角，然而，這個(gè)角度可以在一個(gè)條件下決定，這個(gè)條件是該芯片將U基于切削能量最小化的方向流動?；谧钚∏邢髂芰?，該工具的分力可以來自幾何考慮33： (11) (12) (13)其中，和是主要的（切割），垂直

11、（推力），和橫向元件的工具力，N和是正常的，一旦最小能量已知那么摩擦力就可以確定。這個(gè)力是由i，和共同決定的，這些是已知的常數(shù)，除了切屑流角可以通過最小能量法計(jì)算出。因此，三維的工具力可以很容易地確定。值得注意的是，在Us的分析中，正交切削測試對于提供剪切力，剪切角，和在以上方程中未知的摩擦角是必須的。作為一種替代方法，歐拉有限元的切削模型用于確定正交切削數(shù)據(jù)29。3、鉆井模型 在上一節(jié)描述的分析有限元傾斜切削技術(shù)，應(yīng)用于選擇沿著切削刃以決定鉆孔力的部分，在每個(gè)斜角切削部分三維切削力計(jì)算出來，然后合成以決定鉆孔力和扭矩。 一個(gè)典型幾何形狀的的麻花鉆定義的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，螺旋角度，角度，鉆刃厚度。

12、包括螺旋角和點(diǎn)角都會影響沿每個(gè)切削刃的傾斜前角。一個(gè)大的螺旋角會導(dǎo)致一個(gè)更大的傾斜陽角，這個(gè)角會提高切削效率但是對鉆頭有害。3.1、切削刃受力模型 對于鉆孔模型，每個(gè)切割刃分為對應(yīng)三維力可以確定斜切部分。對于直切刃，傾斜角I和正常前角可以通過以下通式1確定 （14） (15)其中 (16) （17） (18) (19)在這些方程中，w是半腹板厚度，r是從鉆孔軸線，l是鉆頭螺旋的徑向距離。舉個(gè)例子，一個(gè)沿著切削刃徑向變化的傾斜角和正常前角的典型麻花鉆頭，它的直徑是25.4 mm，螺旋角3V點(diǎn)角為118v，如圖2所示。 使用單刃的斜切削模型，在水平，垂直，和橫向方向的力是可以確定的。請注意，力是基

13、于一個(gè)局部坐標(biāo)系上系統(tǒng)的沿每個(gè)切割唇每個(gè)部分。鉆頭的這些局部力必須轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系對應(yīng)的徑向，軸向，方向和橫向方向的。在軸向方向上的力量有助于向推力。由橫向力組成的轉(zhuǎn)矩幾倍于鉆軸的徑向距離。在徑向方向上的力由于切削刃的對稱性相互抵消。圖2沿著切削刃徑向變化的傾斜角和正常前角的典型麻花鉆頭,它的直徑是25.4 mm，螺旋角3V,點(diǎn)角為118v.圖2. 一個(gè)典型的沿切削刃的徑向位置鉆頭的局部力（, ,）和整體力（，）下面是將局部斜角切削力轉(zhuǎn)化為整體鉆頭坐標(biāo)的方程式： (20) （21） （22） 請注意，在一般情況下，鉆頭的切削刃中是彎曲的不必一定是直的，如圖3所示。只有某些組合的螺旋角，點(diǎn)角，和長笛

14、的半徑可以制作的直切削刃。(a).側(cè)面圖 (b). 頂視圖 圖3. 傾斜切割中的的, , 和 轉(zhuǎn)化為鉆頭上的，3.2鑿邊力模型 大部分材料去除是通過鉆頭沿著切削刃的切削作用。與此相反，橫刃在鉆孔過程中提供支持。沿橫刃切割效率不高，由于大的負(fù)前角以及在鉆頭的中心附近切速變慢。沿橫刃的切削力占總推力的一半之上，而轉(zhuǎn)矩只貢獻(xiàn)了一小部分。雖然鑿邊緣移除小的材料，它在提供鉆孔點(diǎn)的強(qiáng)度以抵抗由于振動而產(chǎn)生的橫向彎矩或在鉆井過程中的不平衡力量時(shí)起著重要的作用。鑿邊緣區(qū)域內(nèi)的切削可以被視為等效正交切削片切割。每個(gè)切片的切割速度依賴于從中心線的距離。切割速度變化到其最大的過渡處的切削刃的鉆頭中心從幾乎為零。在切

15、削刃的過渡處鉆頭中心的切割速度從0變到最大。對于一個(gè)點(diǎn)角為118v的典型的鉆頭，在腹板區(qū)域的正交截面的前角是59V。運(yùn)用拉格朗日有限元素配方36切割下了這樣的負(fù)前角是非常困難。然而，歐拉方法可以成功地應(yīng)用于負(fù)前角切割正交切割，只要網(wǎng)格經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)。一個(gè)59V前角正交切削的網(wǎng)格例子圖4所示，工件和刀具均包含在歐拉模型，在剪切帶的應(yīng)變率-59V,前面角大約是300 s-1，具有正前角切削角的應(yīng)變速率遠(yuǎn)小于6000 s_1，剪切帶中的特寫視圖網(wǎng)格如圖5所示。需要注意的是一層薄的元素包括模型沿刀具芯片界面的剪切變形?？捎糜谠搶拥臏囟忍荻?，來估計(jì)發(fā)生在芯片和刀具前刀面之間的熱通量。4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證用于確定

16、在鉆井的切削力的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證使用三套切削試驗(yàn)。這些措施包括正交切削，斜切割和鉆孔。對于所有的測試，奇石模型的9255B三軸壓電式測力計(jì)用于測量的切割和鉆孔推力。4.1、正交切削正交切削試驗(yàn)在常規(guī)的車床上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對象為AISI1020碳鋼管，外徑76.2毫米，壁厚為3.18毫米。在的正交切削測試，使用-30，-15，0，10，20，和30v的六個(gè)前角精密研磨的高速工具鋼，所有的工具有一個(gè)10V間隙角。這些試驗(yàn)是在切割速度為0.42米/秒的條件下進(jìn)行的。正如預(yù)期的那樣，較大的切割力和推力，獲得了較小的前角。較高的料（0.13毫米/轉(zhuǎn)）也產(chǎn)生較大的切割力和推力。在一般情況下，測得的切削力與預(yù)

17、測力相同，如圖所示 6、7所示。這些圖表中的數(shù)字顯示實(shí)驗(yàn)中測得的變化力。在傾斜切割模型中測量和計(jì)算的工具強(qiáng)制力存在著合理的一致性。4.2。斜切同樣的AISI1020管和車床進(jìn)行傾斜切削實(shí)驗(yàn)。一個(gè)零度前角和五個(gè)傾斜角度5，15，25，35和45V。測量的三個(gè)切削力，F(xiàn)H，F(xiàn)V和FT，使用三個(gè)軸力測功機(jī)，然后比較這些力的有限元計(jì)算力。切削力的三個(gè)分力，F(xiàn)H，F(xiàn)V，和FT，使用3軸測量測力計(jì)，這些力和有限元計(jì)算的力進(jìn)行對比。圖8顯示了在0.13毫米/轉(zhuǎn)和0.80 毫米/轉(zhuǎn)的切割速度下測得的力和有限元計(jì)算的力的比較。在一般情況下，發(fā)現(xiàn)在所有五個(gè)傾斜角度下的測得的力和計(jì)算的力有很好的一致性。值得注意的是

18、圖表顯示了測量力的變化。圖4.有限元網(wǎng)格(- 59V的負(fù)前角118V點(diǎn)角)圖5.特寫視圖的有限元網(wǎng)格圖6. 有限元比較正交切削條件下的推力和切割力的預(yù)測值與 實(shí)測值（進(jìn)給速度0.094毫米/轉(zhuǎn)）圖7.有限元比較正交切削條件下的推力和切割力的預(yù)測值與實(shí)測值（0.13毫米/轉(zhuǎn)的進(jìn)給速度）4.3 鉆孔 布里奇波特銑床使用一個(gè)3.2毫米的腹板厚度，30V螺旋角，118V點(diǎn)角的高速鋼麻花鉆度進(jìn)行鉆探的測試。工件是在AISI1020鋼塊。使用的主軸轉(zhuǎn)速為302轉(zhuǎn)。6.35，9.53和12.5毫米直徑的鉆頭對應(yīng)三個(gè)進(jìn)給率0.051，0.076，0.102毫米/轉(zhuǎn)。圖9所示測量力和預(yù)測力的比較。正如預(yù)期的那樣

19、，較大直徑的鉆頭和更高的進(jìn)給率條件下出現(xiàn)一個(gè)更大的推進(jìn)力。一個(gè)鉆削扭矩測功機(jī)是不能直接測量扭矩。然而，相同的切削力包括推力的組件也被用來計(jì)算轉(zhuǎn)矩。因此，假設(shè)是合理的，因?yàn)榱己玫膮f(xié)議被發(fā)現(xiàn)測量和預(yù)測的推力之間，良好的協(xié)議也將發(fā)現(xiàn)在測量和預(yù)測的扭矩之間。作為一種替代方法，魯賓斯坦用AISI1020鋼的鉆頭報(bào)告了預(yù)測的轉(zhuǎn)矩與測得的轉(zhuǎn)矩的比較結(jié)果。報(bào)告了鉆頭直徑分別為6.35，9.53和12.7毫米下的的推力和扭矩。這些鉆頭有27V的螺旋角，120伏點(diǎn)角度，0.30 m / s的周鉆井速度，和一個(gè)0.102毫米/轉(zhuǎn)的進(jìn)給速率。由于使用了兩個(gè)鉆頭，有限元模型的深度切割是一半進(jìn)給或0.051毫米的進(jìn)料。表

20、1顯示了比較的預(yù)測值和測量的轉(zhuǎn)矩和推力。良好的推力和扭矩的測量值與預(yù)測值之間的良好協(xié)調(diào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文中所描述的有限元鉆探技術(shù)。表一預(yù)測力、預(yù)測轉(zhuǎn)矩和測量力、測量轉(zhuǎn)矩的比較鉆頭直徑（mm）轉(zhuǎn)矩（Nm）推力(N)FEM模型實(shí)驗(yàn)測量FEM模型實(shí)驗(yàn)測量（18）（18）6.35 1.61 1.81 735 7759.53 3.47 3.51 1040 107012.7 6.17 5.88 1380 1440在有限元模型中，五個(gè)部分用來表示每個(gè)切割唇緣，四個(gè)部分用于模擬橫表2列出了12.7毫米直徑的麻花鉆，30V螺旋角，118V點(diǎn)角，1.70毫米的厚度，和302 rpm主軸速度下每個(gè)區(qū)段的幾何形狀。對

21、于每一個(gè)部分，該表列出部分徑向位置，切割速度，切削深度，寬度切割，傾斜角，前角，切屑流角，和有效傾角。請注意，從外到內(nèi)的鉆頭半徑和每個(gè)部分有效前角的減小，指示了該切割動作變得更傾斜。在整個(gè)鑿邊緣區(qū)域，正交的條件是在有效果的條件下傾斜角為零，前角有一個(gè)大的負(fù)值。對于AISI1020鋼鉆，每個(gè)部分的力也顯示在了此表中。正如預(yù)期的那樣，徑向力FRAD在鑿邊緣區(qū)域的值零。5結(jié)論一個(gè)三維的鉆孔模型用于描述和確定鉆孔過程中的推力和扭矩。該模型僅適用于一般鉆頭的幾何形狀，在不同的工件材料和切削條件下其形狀特征是點(diǎn)和長笛的幾何形狀。預(yù)測力可以很容易地與實(shí)體模型相結(jié)合，使復(fù)雜的鉆頭幾何形狀可以精確地表示。由于所

22、描述的技術(shù)是獨(dú)立于任何特定幾何形狀的鉆頭，它可以很容易地應(yīng)用于非傳統(tǒng)鉆頭而非標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆。表二斜角切削鉆，30v,12.7毫米的螺旋角，118v點(diǎn)角，腹板厚度1.70毫米，302rpm主軸轉(zhuǎn)速r(mm)切削速度u切削深度切削寬度傾斜角前角切屑流角有效前角轉(zhuǎn)距V(mm/s)（mm）（mm）i(N)(N)(N)(Nmm)5.82183.90.0511.047728.3128.295.130.239.65544.78151.10.0511.048.822.3422.910032.940.44763.73118.10.0511.0411.36.0118.711842.043.93982.6985.10.

23、0511.0415.76.0616.010736.143.93181.6351.330.0511.0426.6-8.6212.014357.357.02330.9730.50.0510.280-59.00-59.035.90.064.534.80.6921.60.0510.280-59.00-59.035.90.064.524.80.4113.00.0510.280-59.00-59.035.90.064.514.70.144.30.0510.280-59.00-59.035.90.064.55.03該技術(shù)的其他應(yīng)用包括高速干式鉆孔鉆的設(shè)計(jì)和選擇。這種技術(shù)可以擴(kuò)展到預(yù)測鉆尖的溫度，這是鉆頭壽命

24、和鉆井性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對此進(jìn)行研究，每個(gè)正交部分的熱通量可以確定，然后計(jì)算出整個(gè)鉆頭的溫度分布，包括切削唇和鑿子的邊緣區(qū)域，那里的溫度是最高的。此外，新的溫度測量方法為測量溫度沿鉆頭切削刃的分布提供了更大的機(jī)會。參考文獻(xiàn)1 M.C. Shaw, Metal Cutting Principles, third ed., M.I.T., Cambridge, Mass.,1954. 2 C.J. Oxford, drilling of metals I-basic mechanics of the process Transactions of ASDME 77(1955) 103-114.3

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