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1 钻削过程的数值仿真与残余应力分析 在金属零件的各种加工方法中，精度和表面质量要求较高的零件几乎都要进行钻削加工。钻削时,工件的表面不可避免地产生大小不同的残余应力, 这种分布不均匀的残余应力会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。本课题拟采用有限元方法建立起二维金属钻削仿真模型，对整个加工过程中工件的受力情况及加工后已加工表面的残余应力的分布情况进行数值模拟，这对工程中的实际应用具有重要的意义。 主要研究内容有：（1）二维金属钻削有限元模型的建立；（2）加工过程中工件受力情况的有限元分析；（3）已加工表面残余应力分布情况的有限元分析。 在金属切削加工中,大约有1/3的工作量是孔加工,有22%是实心料的钻削加工.世界各国生产刀具总产量的60%是钻头,每年全世界大约有2200万吨切屑是由钻头来切除的.由此可见钻削加工在机械加工中占有十分重要的池位.人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代。燧人氏“钻木取火”所使用的石钻，可以看作最原始的钻头。现代工业加工中广泛使用的麻花钻（俗称钻头），是一种形状复杂的实工件孔加工刀具，诞生于一百多年前。现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。据统计，在美国的汽车制造业，机械加工中钻孔工序的比重约占50%；而在飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。尽管钻头的使用如此广泛，但众所周知，钻削加工也是最复杂的机械加工方法之一。正因为如此，人们一直致力于钻头改进和钻削过程的研究。 　近几十年来，人们关于钻头和钻削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中在以下四个方面： 　　①钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度（分布）的计算与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研究。 　　②钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的开发等。 　　③钻削过程与钻削质量研究：包括影响钻削过程的各种因素及出现的各种物理现象的分析、建模与监控（如钻削力、切削刃应力和温度分布的测量、建模和预报）；钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究；钻头的变形、偏斜、入钻时的打滑和钻尖摆动现象的研究；钻削工艺（如振动钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削过程的稳定性等）与钻削质量（孔的位置精度、直线度、表面粗糙度、圆柱度、直径、孔口毛刺等）的研究。 　　④钻削机理与各种高性能钻头（如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等）的研究。  （3）残余应力产生的原理和分析 残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。在外力的作用下，当没有通过物体表面向物体内部传递应力时，在物体内部保持平衡的应力统称固有应力或初始应力。热应力和残余应力是固有应力的一种，而固有应力也称为内应力。 残余应力产生的原因，可分为因外部作用的外在原因，和源于物体内部组织结构不均匀的内在原因 1.不均匀变形 不均匀的变形状态，是不均匀塑料变形产生的条件。 外在原因；不均一的作用应力，例如弯曲、压延、拉拔。 内在原因；由于物体内各部分组织的浓度差或晶粒的位向差等，各部分显示的不同的屈服行为。 2.热的作用  ①热应力产生的塑性变形；当加热、冷却过程中产生热应力时，由于高温下屈服强度低，在这种应力作用下易于产生塑性变形。 外在原因：物体各部分的弹性模量、导热系数热膨胀系数等不同而且它们的温度也不相同 ②相变或沉淀析出引起的体积变化 外在原因；冷却时，各部分的冷却不均匀，冷却速度也不同。故而当出现有完全相变终了的部分和相变尚未进行的部分时，两者便显出体积变化的差异。内在原因：在具有组织结构的浓度差时， 固相变和沉淀析出等，所引起的体积变化的程度也不同。 本文是研究钻削工程中的基础上,结合有限元仿真来分析材料表面的残余应力。 （4）钻削过程的塑性有限元数值模拟 随着机械行业的发展,对加工精度要求越来越高,精密加工技术越发重要。孔的精密加工作为精密加工技术重要内容,在机械加工中具有重要地位。随着精密加工的发展,对孔的钻削加工工艺和技术的要求越来越高,迫切需要对钻削加工技术作进一步研究。在切削过程和切屑形成方面的研究,有限元方法已经被证明是非常有效的一种方法,这种方法通过在计算机上模拟来部分代替费时、费力的实验。有限元方法于70年代开始应用于切削工艺的模拟,在金属切削的有限元模拟分析方面,许多外国学者已经作了大量的研究工作,建立了诸多简化的有限元模型。由于钻孔工具及加工过程的复杂性,钻削加工动态