40Cr鋼的鉆削力仿真與實(shí)驗(yàn)研究

李正治， 閆 強(qiáng)， 劉 鋼， 唐翠萍

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250100；3.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

40Cr鋼的鉆削力仿真與實(shí)驗(yàn)研究

李正治1， 閆 強(qiáng)1， 劉 鋼2， 唐翠萍3

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250100；3.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

通過單因素試驗(yàn)，研究了在40Cr鋼的鉆削加工過程中，不同切削參數(shù)對(duì)鉆削力和扭矩的影響.通過大型金屬塑性成形有限元軟件Deform-3D對(duì)鉆削過程進(jìn)行仿真研究，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比.結(jié)果表明，在進(jìn)給量不變的情況下，隨著切削速度的增加，鉆頭所受軸向力和扭矩先變大后減??；在相同的切削速度條件下，隨著進(jìn)給量的不斷增大，軸向力和扭矩幾乎線性增大；鉆削力和扭矩的仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小，說明仿真結(jié)果具備比較高的可靠性，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果起到近似的預(yù)測(cè)作用.

Deform-3D軟件；仿真；40Cr鋼；軸向力；扭矩

切削加工作為一種傳統(tǒng)的加工方法，全世界每年約有1億t鋼材通過刀具切削而成為切屑，每年的切削加工耗資約2 500億美元［1］.其中，鉆削作為一種重要的孔加工方式，在各個(gè)行業(yè)各種材料的加工生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，是切削金屬最重要的加工方法之一，也是機(jī)械加工耗時(shí)最多的工序，約占整個(gè)金屬切削加工的33%［2］.據(jù)國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)資料，在機(jī)械行業(yè)中鉆孔加工約占切削加工總時(shí)間的22%［3］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車制造業(yè)中，機(jī)械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機(jī)制造業(yè)，鉆孔工序所占的比重則更高［4］.

40Cr鋼屬塑性材料，具有良好的機(jī)械性能及機(jī)械加工性能，而在機(jī)械加工中的很多工序涉及到鉆削加工，因此，對(duì)鉆削40Cr時(shí)的鉆削參數(shù)進(jìn)行研究具有非常重要的意義.

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

實(shí)驗(yàn)在DMG HSC 75 Linear高速加工中心上完成，實(shí)驗(yàn)選用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的壓電晶體測(cè)力儀KISTLER 9265B、電荷放大器KISTLER 5070A及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)測(cè)量切削力.測(cè)力儀的基本技術(shù)參數(shù)：靈敏度0.05 N，量程±15 kN，剛度1μm／kN.測(cè)出的力信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡可直接將信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)，再用配套軟件對(duì)測(cè)得的力信號(hào)進(jìn)行分析和處理.實(shí)驗(yàn)所選用的硬質(zhì)合金鉆頭的參數(shù)如表1所示.

表1 鉆頭幾何參數(shù)Tab.1 Geographical parameters of a drilling bit

實(shí)驗(yàn)使用乳化液進(jìn)行外部冷卻.被加工材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，其硬度為HB300.實(shí)驗(yàn)采用單因素法，分別通過改變切削速度、進(jìn)給量，對(duì)鉆頭的扭矩和鉆削力進(jìn)行了對(duì)比.

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鉆削實(shí)驗(yàn)中的切削力和扭矩分布如圖1所示. Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為徑向力、切向力和軸向力，T為扭矩，t為時(shí)間.

圖1 鉆削實(shí)驗(yàn)中的切削力和扭矩分布Fig.1 Distribution of drilling force and torque in the experiment

1.3 切削速度的影響

由圖2（a）可知，一方面，在相同的進(jìn)給量f z時(shí)，隨著切削速度vc的增加，鉆頭所受的軸向力先變大后減小，這主要是由于低速切削過程中切削溫度比較低，在前刀面上，由于刀-屑接觸產(chǎn)生粘結(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生積屑瘤，隨著切削速度達(dá)到80～100 m／min時(shí)，在積屑瘤不斷減小并消失的速度范圍內(nèi)，積屑瘤高度的逐漸減小，導(dǎo)致刀具的實(shí)際前角在逐步變小，因此，出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中的切削力先變大.但由于鉆削加工的半封閉性，所產(chǎn)生的切削熱并不易散出，進(jìn)而導(dǎo)致切削溫度不斷增高，當(dāng)切削速度達(dá)到100～120 m／min范圍時(shí)，刀-屑之間的磨損逐漸由機(jī)械磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，摩擦系數(shù)逐漸減小，同時(shí)，隨著切削溫度進(jìn)一步的升高，工件材料本身的強(qiáng)度和硬度也逐漸降低，而這2個(gè)因素都會(huì)使得軸向力逐漸變小.綜合以上情況，鉆削力先變大再減小.

圖2 切削參數(shù)對(duì)軸向力的影響Fig.2 Effect of cutting parameters on drilling force

另一方面，隨著切削速度vc的不斷增加，軸向力的變化幅度相對(duì)于較小，說明對(duì)軸向力的影響并不明顯.

1.4 進(jìn)給量的影響

由圖2（b）可知，在相同的切削速度條件下，隨著進(jìn)給量fz的不斷增大，鉆頭所受的扭矩也隨之增大，而且是一種呈線性增大的趨勢(shì).一方面，在鉆孔過程中，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，首先由橫刃與工件接觸，產(chǎn)生擠壓作用，使得被切削材料與工件分離而產(chǎn)生切屑，隨著進(jìn)給量不斷變大，切削過程中排屑成為主要矛盾，切削阻力變大，由于鉆削加工的半封閉性，排屑不完全導(dǎo)致部分殘留金屬對(duì)鉆頭產(chǎn)生一定的擠壓力和摩擦作用，導(dǎo)致軸向力和扭矩變大；另一方面，隨進(jìn)給量fz的不斷增加，各向鉆削力總體呈增大趨勢(shì)，但并不是隨著進(jìn)給量的增加成比例增加，因?yàn)?，隨著進(jìn)給量的增大，切削厚度不斷增大，所以，切削面積增大，切削力會(huì)隨之增大，但切削厚度增大的同時(shí)使得變形系數(shù)減少，摩擦系數(shù)也降低，所以，切削力的增加與進(jìn)給量的增大并不成比例；再一方面，由于鉆頭自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隨著進(jìn)給量的增大，排屑困難程度增大，切屑與孔壁間的擠壓摩擦力也隨之增大.綜合以上幾方面因素，鉆削力呈線性增大.

2 基于Deform-3D軟件的鉆削過程仿真研究

在用Deform-3D軟件進(jìn)行鉆削加工仿真時(shí)，假設(shè)切削過程中鉆頭沒有變形，因此，將鉆頭設(shè)置為剛性體，工件設(shè)置為塑性體，并將鉆頭設(shè)置為Primary Die，鉆頭參數(shù)如表1所示.鉆孔深度h設(shè)置為10 mm，當(dāng)鉆孔達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)一定時(shí)間后停止仿真.在工件網(wǎng)格的劃分方面，網(wǎng)格的數(shù)量和網(wǎng)格的疏密直接影響計(jì)算的精度和速度.為了提高仿真的質(zhì)量，網(wǎng)格數(shù)量越多、網(wǎng)格越密，計(jì)算的精度就越高，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量太大，大幅度降低了計(jì)算機(jī)模擬的運(yùn)算速度.基于此，Deform-3D軟件提供了AMG（自適應(yīng)網(wǎng)格劃分）技術(shù)，可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行即時(shí)網(wǎng)格重新劃分.本文應(yīng)用四面體單元，網(wǎng)格數(shù)設(shè)定為20 000個(gè)，然后對(duì)鉆芯工件變形較大的部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)劃分，比例為0.01，如圖3所示.40Cr鋼對(duì)應(yīng)Deform-3D材料庫中的鋼號(hào)為AISI5140.采用國(guó)際單位制，設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，對(duì)流系數(shù)為2 N／（s·m·℃），熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為4 500 N／（s·m·℃）.仿真切削過程如圖4所示.

圖3 工件的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of the workpiece

圖4 仿真生成的切屑Fig.4 Simulation of the generated chip

3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

當(dāng)進(jìn)給量為0.12 mm／r，切削速度為120 m／min時(shí)，由圖1和圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，徑向力Fx和切向力Fy遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向力Fz，所以，只針對(duì)軸向力Fz進(jìn)行分析研究.如圖5所示，在刀具剛剛切入工件時(shí)，切削力和扭矩的波動(dòng)比較大，隨著切削過程的繼續(xù)，切削力的大小趨于穩(wěn)定.在切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，軸向力和扭矩在一定程度上也是有上下波動(dòng)的，這是由于Deform-3D通過自身網(wǎng)格即時(shí)重劃分來模擬切屑的變形和斷裂而與母體分離引起的［5］.由仿真結(jié)果可以看出，隨著鉆削的不斷進(jìn)行，鉆孔深度增加，軸向力和扭矩先變大后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殂@頭與切屑的接觸長(zhǎng)度由開始時(shí)不斷增加直到穩(wěn)定，導(dǎo)致前刀面和切屑之間的摩擦力先變大后趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定鉆削加工狀態(tài).因此，本文將不同切削參數(shù)條件下的軸向力Fz和扭矩T的數(shù)據(jù)取平均值，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較研究，結(jié)果如圖6和圖7所示.

圖5 鉆削力和扭矩的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of drilling force and torque

圖6 軸向力隨進(jìn)給量的變化曲線Fig.6 Curve of drilling force versus feed

圖7 扭矩隨進(jìn)給量的變化曲線Fig.7 Curve of the torque versus feed

由圖6和圖7可以看出，不論是軸向力還是扭矩，每一組仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比都相對(duì)偏小.其中，軸向力平均相差10.88%，扭矩平均相差12.25%，當(dāng)切削速度和進(jìn)給量較小時(shí)，主軸和鉆頭的振動(dòng)較小，切削溫度相對(duì)較低.隨著切削速度和進(jìn)給量的提高，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差幅度逐漸變大，這主要是由于加工過程中的振動(dòng)變強(qiáng)和溫度升高導(dǎo)致的.但是，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著相似的變化規(guī)律，說明了仿真的可靠性.仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小有如下原因：

一方面，鉆削加工屬于半封閉加工形式，切削環(huán)境較差，各方面影響因素較多，比如排屑困難、鉆頭前刀面與切屑粘結(jié)及加工過程溫度變化等，而在仿真分析時(shí)，由于條件限制無法考慮這些實(shí)際因素，因此，仿真結(jié)果比實(shí)際結(jié)果偏??；

另一方面，在Deform-3D軟件的材料本構(gòu)模型中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與實(shí)際鉆削加工過程存在著差異.在Deform-3D軟件中將鉆頭設(shè)為剛性體，但在實(shí)際加工過程中受到機(jī)床和主軸轉(zhuǎn)速等影響，硬質(zhì)合金鉆頭必然會(huì)有跳動(dòng)和變形，這些問題會(huì)不可避免地對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.

實(shí)驗(yàn)過程中操作的誤差、機(jī)床本身的誤差及刀具的振動(dòng)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

綜合各方面考慮，仿真結(jié)果雖然比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小，但在可接受范圍內(nèi)，說明仿真結(jié)果可以對(duì)實(shí)際鉆削加工過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以更好地輔助鉆削加工的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，避免大量的鉆削實(shí)驗(yàn)，節(jié)省不必要的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用.

4 結(jié) 論

a.在進(jìn)給量不變的情況下，隨著切削速度的增加，鉆頭所受軸向力和扭矩先變大后減??；在相同的切削速度條件下，隨著進(jìn)給量的不斷增大，軸向力和扭矩也隨之增大.

b.與切削速度相比，進(jìn)給量對(duì)鉆削力和扭矩的影響較大，變化更為顯著.

c.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，可以很好地對(duì)實(shí)際鉆削過程進(jìn)行預(yù)測(cè).

d.在條件許可的范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)靥岣咔邢魉俣?，以提高鉆孔的加工效率并降低加工成本.

［1］ 劉戰(zhàn)強(qiáng)，王兆輝，劉逢時(shí).先進(jìn)切削加工技術(shù)綜述［J］.工具技術(shù)，2003，37（5）：3-6.

［2］ Chen W C，Liu X D.Study on the various coated twist drills for stainless steels drilling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，99（5）：226-230.

［3］ Derflinger V，Br?ndle H，Zimmermann H.New hard／coating for dry machining［J］.Surf Coat Tech，1999，113（3）：286-292.

［4］ 周頤辛，祝新發(fā)，張晶晶，等.離子鍍TiCN和TiN工具涂層的微結(jié)構(gòu)與切削性能［J］.工具技術(shù)，2010，44（11）：18-21.

［5］ 楊軍，吳能章.基于Deform-3D的鉆削力仿真研究［J］.工具技術(shù)，2007，41（4）：50-53.

（編輯：石 瑛）

Simulation Analysis and Experimental Study on the Drilling Force on 40Cr Steel Samples

LIZheng-zhi1， YANQiang1， LIUGang2， TANGCui-ping3
（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；
2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250100，China；
3.Shanghai Special CNC Equipment and Process Engineering Technology Research Center，Shanghai 201111，China）

The effects of different cutting parameters on the drilling force and torque on 40Cr steel samples were studied through single factor experiments for drilling processes.The drilling process with large plastic incremental deformation was simulated by using the software of Deform-3D，and its results were compared with the experimental results.The conclusions indicate：with the increase of cutting speed，the drilling force and torque mount up first but drop down afterward；when the feed becomes bigger，the drilling force and torque increase monotonously and the emulation data acquired from simulation are slightly smaller than the experimental ones，so by numerical simulation the drilling force can be predicted approximately.

Deform-3D software；simulation；40Cr steel；drilling force；torque

TG 501.1

A

2013-08-07

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2013zx04001101）

李正治（1987-），男，碩士研究生.研究方向：切削刀具.E-mail：lzhengzhi＠163.com

1007-6735（2014）04-0370-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.013