DEFORM钻削

第十二章钻削本章导读：钻削加工是孔加工的一种基本方法，在航空航天、汽车制造、电子等领域中的应用非常广泛，孔加工量约占机械加工总量的30%。钻削力、钻削温度等参数对钻削加工性能有着重要的影响，因此有必要对钻孔机理进行深入的研究，模拟钻削过程对生产加工制造具有指导性意义。Dform-3D自带有模拟钻削过程的模块，方便用户设置前处理参数。本章在钻削模块中进行了钻削过程的模拟，并总结了钻削模拟过程中易出现的问题和解决方法。12.1钻削模块简介用户进入钻削模块后，只需根据提示输入模拟所需的参数即可。该过程包括进入钻削前处理界面、设置钻削运动参数、添加钻头及工件模型、划分网格、设置模拟参数、生成数据、模拟运算、后处理。12.2前处理本章对标准麻花钻钻孔过程进行了模拟，加工参数为：钻头直径d=6mm，转速n=1000r/min，进给量f=0.3mm/rev。麻花钻材料为WC硬质合金，工件材料为AISI-1045（对应国标牌号为45号钢）。12.2.1新建项目打开DEFORM-3D软件，进入DEFORM-3D主界面，单击【File】→【NewProblem】，选择【Guidedtemplates】中的【Machining[Cutting]】，SI单位制，如图12-1所示。图12-1新建项目单击【Next】,默认存储位置。Problemname定义为Drilling，单击【Finish】进入切削加工前处理界面,如图12-2所示。图12-3前处理界面12.2.2钻削参数设置Projectname（项目名）默认，确定单位制为SI,单击【Next】,OperationName默认。单击【Next】，加工方式选择钻削【Drilling】，如图12-3所示。图12-4选择加工方式单击【Next】对钻削运动参数进行设置，本例中设置n=1000r/min,进给量f=0.3mm/r，如图12-4所示。图12-5设置运动参数单击【Next】进入工作环境和接触面属性设置界面，工作环境温度设置为20℃，摩擦系数0.12，热传导系数45N/sec/mm/℃[1]，如图12-5所示。[1]经验认为一般不加切削液钻削时，合理的剪切摩擦系数值在0.5—0.6之间。对流系数在不加冷却液时默认0.02，油冷时为2，水冷时为10。图12-6钻削条件设置12.2.3定义刀具单击【Next】进入刀具设置界面，如图12-6所示。图12-7添加刀具刀具初始温度设置为20℃，勾选Calculatetooltemperature（计算刀具温度）复选框，单击【Defineanewtool】选项，在弹出的窗口中选择Createdrillbitgeometry选项，如图12-7所示。图12-8新建刀具单击【OK】进入GeometryPrimitive窗口设置刀具参数。本例采用标准麻花钻，直径d=6mm，顶角2=118°，螺旋角β=30°，钻尖厚度K=1.8mm，如图12-8所示。图12-9定义刀具几何尺寸单击【Create】在前处理界面生成麻花钻模型，如图12-9所示图12-10麻花钻单击【Close】关闭GeometryPrimitive窗口，在弹出的窗口中选择Autoposition（自动定位），如图12-10所示。图12-11自动定位单击【Next】,进给方向选择-Z方向，如图12-11所示。图12-12选择进给方向单击【Next】，选两条切削刃，钻尖直径为0，如图12-12所示。图12-13切削刃条件单击【Next】，为麻花钻定义材料如图12-13所示。图12-14加载刀具材料单击【Importmaterialfromlibrary】打开材料库，选择Toolmaterial→WC硬质合金，如图12-14所示。图12-15材料选择单击【Load】加载材料并关闭材料库窗口，如图12-15所示。图12-16材料加载单击【Next】，设置刀具涂层参数，如图12-16所示。图12-17刀具涂层设置本例中的麻花钻为非涂层刀具，故不设置涂层，直接单击【Next】，在弹出的窗口中选不保存到刀具库，单击【Finish】回到图12-6所示界面。单击【Next】在划分网格界面为刀具划分网格，本例刀具采用相对网格划分方式，网格数量20000[2]。依次单击Preview→Generatemesh生成网格如图12-17所示。图12-18刀具划分网格单击【Next】设置刀具边界条件，如图12-18所示。图12-19边界条件设置本钻削实例应用Deform-3D中的钻削模块，所以刀具的热交换面和温度已在模块中设置好。[2]本例中刀具被定义为刚性体，网格只有在温度计算时才会用到，所以网格划分要求不严格。12.2.4定义工件单击【Next】设置工件参数，本例设置工件为弹塑性体，温度20℃。如图12-19所示。图12-20工件属性单击【Next】定义工件几何形状，设置工件为直径D=9mm、厚度T=3mm的圆板。如图12-21所示。图12-21工件几何形状设置单击【CreateGeometry】生成工件几何形状，点【Next】为工件划分网格，本例中对工件采用绝对网格划分方式，设置工件网格最小单元尺寸为进给量的40%,比率为7[3]，点Generatemesh生成网格。如图12-21所示。图12-22工件划分网格单击【Next】，工件边界条件默认（与刀具边界条件的设置相似），单击【Next】为工件加载材料，选择材料库中的steel→AISI-1045(machining)。12.2.5模拟控制设置单击【Next】设置模拟控制参数，如图12-22所示。图12-23设置模拟控制[3]钻削工件划分网格时，考虑到切削也是网格形式产生的，故最小网格尺寸应小于单边进给量，故网格最小单元尺寸应小于进给量的50%，选择比率时不宜过大，否则仿真数据严重失真。本例设置钻削深度为3mm，刀具磨损参数[4]设为a=1e-5，b=855.单击【Advanced】,在模拟控制窗口中设置步数。本例步数为1000步，存储增量为每25步存储一次，时间步长0.0002s[5]，如图12-23所示。图12-24设置模拟步单击【OK】回到图12-22前处理界面，单击【Next】然后在下一步中分别点checkdata和generatedatabase生成数据库文件。然后在界面中单击（Quit）按钮，在弹出的对话框中单击【Yes】退出前处理，回到Deform-3D主界面。如图12-24所示。图12-25模拟运算[4]刀具磨损Usui’s模型：dtveTb/-apw一般用于连续过程，如金属切削（扩散磨损）。其中p—接触面压力;V—滑动速度;T—接触面温度;dt—时间增量;a、b—实验校准系数，切削加工经典数值为：a=1.0e-5。（或者1/vp），b=1000，(接触面绝对温度的数量级)[5]设置钻削步长时，一般设刀具旋转约1°为一个步长，计算出1步≈0.0002s时间步长。12.3模拟运算及后处理单击【Run】开始钻削模拟。钻削模拟会花费较长的时间[6]，模拟结束后，单击主界面中的Deform-3DPost进入Drilling（钻削）模拟的后处理界面。如图12-25所示。图12-26后处理界面在后处理界面中，用户可根据需求查看钻削过程中的参数。下边就查看钻削轴向力给以演示。单击后处理界面中的Graph（load-stroke）按钮，显示Graph（load-stroke）窗口，如图12-27所示。[6]钻削模拟时间较长，操作系统（32位）上限制2GB文件的大小，当有限元运算文件大于2GB时，会产生一个新的DB文件，新的DB文件会在原文件名后加上运行的步数而命名，后处理时，一定要从第一个DB文件进入，提取所有的运算数据。图12-27Graph（load-stroke）窗口在弹出的对话框X-axis选项选Time，Y-axis选项选Zload，然后点【Apply】，在显示窗口中会显示轴向力曲线，如图12-28所示。图12-28轴向力曲线用户还可以根据需要查看其它参数，如应变、应变率、温度、扭矩等。参考文献：BRINKSMEIERE．Predictionoltoolfractureindrilling[J]．AnnalsofCIRP．1990．39(1)：97—105．（占30%）