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抛物线槽型深孔钻钻削力有限元分析和实验研究 答辩学生： 毕业答辩 之 学 号： 指导老师： 专 业： 答辩日期： 1 课题背景及研究意义 目 录 钻头三维实体建模 2 研究内容 3 基于UG的抛物线钻三维实体建模 3 结论和展望 5 钻削实验 6 结论和展望 2 研究内容 2.4 仿真结果与实验结果比较分析 课题背景 研究意义 1 本课题通过有限元模拟和实验研究相结合的方法，研究抛物线钻几何参数、切削用量及不同工件材料对钻削力的影响，为优化抛物线钻几何参数及钻削参数提供有利依据。 2 将抛物线槽型钻和普通麻花钻钻削力结果对比，比较抛物线钻和普通麻花钻的受力特点，这对深入认识抛物线槽型钻钻削机理、提高钻削质量、解决企业中工程实际问题具有重要的意义。 比较分析 抛物线槽型深孔钻和麻花钻的三维实体模型的生成是对钻削过程进行有限元仿真的基础。实体生成主要取决以下参数：钻头直径d、顶角2φ、钻芯厚2rc、螺旋角β及刃磨参数。 为研究UG环境中，抛物线型钻三维实体模型的建立方法，以顶角2Φ=130°，外缘点的螺旋角β=40°，钻头直径D=6mm，钻芯厚度Kc=2.4mm的抛物线钻为例，介绍其建模过程。 　 本文建立了不同顶角（118°、125°、130°）、不同直径（4mm、6mm、8mm）的抛物线钻及直径6mm的普通麻花钻。 抛物线槽型钻钻尖三维实体模型的生成 螺旋线生成 螺旋截面形成 钻头断面草图 导程公式： 抛物线钻断面的生成 抛物线槽型钻钻尖三维实体模型的生成 螺旋槽实体 刃磨锥面草图 刃磨圆锥砂轮 抛物线钻螺旋实体和钻尖的生成 由锥顶距L、半锥角 及旋转角度 抛物线槽型钻钻尖三维实体模型的生成 抛物线钻端面图及侧面图 抛物线钻钻尖修磨 横刃修磨后的抛物线钻钻尖 横刃长度：0.05D~0.1D 抛物线槽型钻钻尖三维实体模型的生成 普通麻花的端面投影图 普通麻花钻三维实体模型 普通麻花钻螺旋体 横刃长度：0.18D左右 基于ABAQUS的钻削过程有限元步骤 钻削过程有限元模型建立 1）有限元三维模型的导入：将UG中建好的(.stp)格式钻头模型导入ABAQUS，并与工件模型装配。 2）材料本构模型：选用Johnson-Cook本构模型，其形式为 　　　 本文引用与球墨铸铁材料性能相似的本构模型，其形式为： 3）剪切分离准则：剪切损伤（shear damage）准则。该准则以应变做为切屑分离的判定依据。 4）摩擦模型：罚函数，钢与铸铁间的动摩擦系数，统一采用0.18。 5）有限元网格划分：工件网格采用八节点热藕合六面体单元（即C3D8RT），刀具网格采用四结点热耦合四面体单元（即C3D4T） 6）初始条件及边界条件的定义：对刀具参考点设置Y轴向下的速度及绕Y轴旋转的速度。 有限元网格划分 边界条件设定 有限元仿真结果分析 1）应力分析 1）行程为0.5mm 2）行程为1mm 3）行程为2.5mm 4）行程为3.5mm 1 随钻削进入工件，最大应 力逐渐增加，最后趋于稳定 2 切屑产生 3 残余应力 2）钻削轴向力和扭矩 抛物线钻： D=6mm、 顶角2Φ=118° 普通麻花钻： D=6mm n=235r/min f=0.04mm/r 3）不同几何参数抛物线钻及不同类型钻头钻削力有限元结果 有限元仿真方案与结果 采用的抛物线钻螺旋角为40°，进给量为0.04mm/r，主轴转速235r/min不同顶角、不同直径抛物线钻和普通麻花钻钻削轴向力和扭矩仿真结果。 从以上单因素分析的结果，可以得出： 抛物线钻钻削轴向力和扭矩均随钻头直径的增大而增大 1 当抛物线槽型钻其他几何参数不变时，顶角2Φ=125°的轴向力最小 2 相同直径抛物线槽型钻的轴向力和扭矩均小于普通麻花钻。 4）不同切削用量的钻削力有限元结果 从以上单因素分析的结果，可以得出： 采用直径为6mm、顶角2为130°、螺旋角为40°的抛物线槽型钻，研究钻削用量（进给量f和主轴转速n）对钻削轴向力和扭矩的影响。 有限元仿真方案与结果 不同切削用量对 轴向力的影响 不同切削用量对 扭矩的影响 1 若主轴转速不变，钻削轴向力和扭矩均随进给量的增大而增大，且影响显著。 2 若进给量不变，不同主轴转速对钻削轴向力和扭矩的影响则很小。 Ⅰ 钻削测力仪的自制与标定 压力传感器 型号：PCD-2.5t 静态扭矩传感器 型号：JNNT-10NM 自制钻削测力仪 标定结果: Ⅱ 钻削力测量实验 测量实验装置与实验系统原理