BTA單管鉆鉆削溫度及磨損深度的數(shù)值模擬研究

劉 輝，王蔚鴻，吳玉國，江海濱，時禮平，2，3

(1.安徽工業(yè)大學 安徽馬鞍山 243032；2.特種服役環(huán)境的智能裝備制造國際科技合作基地 安徽馬鞍山 243032；3.特種重載機器人安徽省重點實驗室 安徽馬鞍山 243032；4.安慶中船柴油機有限公司 安徽安慶 246005)

在鉆削加工過程中，切削力不僅引起鉆頭產(chǎn)生高溫而軟化，而且也造成鉆頭磨損深度增加，進而影響鉆頭使用壽命[1]。因此，本文對影響鉆削加工中鉆頭溫度及磨損深度的三個因素(進給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度)進行比較分析。

針對鉆頭溫度的檢測及鉆頭磨損問題，國內(nèi)學者做了大量的研究。靳偉賀[2]利用Deform-3D分析材料與加工方式對BTA單管鉆磨損深度的影響，結(jié)果表明：降低材料強度與振動鉆削均有利于減少刀具磨損；戴蓉蓉[3]等利用Deform-3D軟件模擬自鎖式可換頭鉆頭鉆削過程，分析其磨損特性，結(jié)果表明：進給量對鉆頭磨損影響最大；董智偉[4]利用ABAQUS軟件模擬微織構(gòu)刀具加工過程，考察微織構(gòu)對切削力及切削溫度的影響，并與無織構(gòu)刀具加工進行比較，研究表明：鉆削前刀面宜采用微織構(gòu)，后刀面不宜采用微織構(gòu)；劉英魁[5]等提出PLC自動調(diào)節(jié)切削液流量的方法，實現(xiàn)智能控制切削液溫度的變化；陳文成[6]等通過數(shù)學建模和仿真分析研究CFRC不同纖維方向角θ處切削形式，分析其對鉆削溫度的影響，得θ=0°處鉆削溫度的升高量最低。

國內(nèi)學者對鉆削方面的研究越來越深入，但針對工況參數(shù)多目標優(yōu)化研究較少。鑒于此，本文利用有限元軟件Deform-3D對BTA單管鉆鉆削加工過程中的鉆頭溫度及磨損深度進行模擬分析，運用方差分析法考察進給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度三種因素對鉆頭溫度、鉆頭磨損深度影響的顯著性次序，為BTA單管鉆工況參數(shù)的選取提供參考與借鑒。

1 數(shù)值模擬理論基礎

1.1 溫度場導熱離散化模型

加工過程中，鉆頭和工件的溫度場一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其溫度隨著鉆頭的深入持續(xù)升高，根據(jù)傳熱與傳質(zhì)基本原理中能量守恒和傅里葉公式，建立微分方程[7]。

(1)

其中，q(x,y,z)為熱流密度，T為溫度，ρ、c為工件的密度和熱容，kx、ky、kz為各坐標方向上的導熱系數(shù)。

1.2 Usui磨損模型

Usui磨損模型主要運用于連續(xù)鉆削加工仿真中，在金屬鉆削加工中具有良好的表現(xiàn)，建立鉆頭磨損量計算公式[8]。

(2)

其中，w為磨損體積，p為接觸壓力，V為工件與鉆頭之間滑動速度，a、b為校正因子，系數(shù)a為0.0000001，系數(shù)b為855。

2 鉆削模型的建立

2.1 鉆削有限元模型

采用Solidworks軟件對BTA單管鉆進行三維造型，并將文件存為STL格式，以便導入Deform-3D有限元軟件中，BTA單管鉆加工有限元模型，如圖1。

圖1 BTA單管鉆加工有限元模型

2.2 幾何參數(shù)的確定

為節(jié)省模擬運算時間，簡化BTA單管鉆模型，如圖2。鉆頭材料選用抗振動、抗沖擊、高強度、耐磨性好的WC基硬質(zhì)合金，其物理特性如表1所示。利用游標卡尺和顯微鏡測得主要幾何參數(shù)，BTA單管鉆刃形圖如圖3， BTA單管鉆幾何參數(shù)見表2，其中內(nèi)齒長度為a，中齒長度為b，外齒長度為c，內(nèi)齒角度為α，中齒角度為β。

圖2 簡化BTA單管鉆

圖3 BTA單管鉆刃形圖

表1 WC基硬質(zhì)合金物理特性

表2 BTA單管鉆幾何參數(shù)

2.3 前處理與邊界條件設定

2.3.1 前處理

在Deform-3D軟件的前處理界面，點擊國際單位制(SI)，機械加工類型為鉆削，對鉆頭及工件無需進行冷卻，鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，進給量為0.20 mm/r，環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃[9]。使用相對網(wǎng)格劃分鉆頭，網(wǎng)格數(shù)量為20000；在Deform-3D軟件中建立工件模型，使用絕對網(wǎng)格劃分工件，網(wǎng)格單元尺寸為0.05 mm。

2.3.2 設定邊界條件

表3 工藝參數(shù)因素水平表

設置仿真模擬步數(shù)為30000，每隔25步保存一次數(shù)據(jù)，為了防止模擬運算過程中工件移動和鉆頭發(fā)生偏移，沿著-Z軸方向做旋轉(zhuǎn)運動，其余方向為0[10]。檢查參數(shù)設置，生成DB文件，進行數(shù)值模擬運算。

2.4 正交試驗

以鉆頭溫度、鉆頭磨損深度為考察指標，以鉆頭轉(zhuǎn)速、進給量和環(huán)境溫度為考察因素，利用SPSS23.0軟件設計三因素(因素A：進給量；因素B：鉆頭轉(zhuǎn)速；因素C：環(huán)境溫度)四水平L16(43)正交試驗，如表3。利用Deform-3D軟件分析表4中16組試驗方案，得到鉆頭溫度和鉆頭磨損深度。

表4 正交試驗方案與結(jié)果

(a)t=0.01 s (b)t=0.71 s(c)t=1.56 s (d)t=2.31 s(e)t=3.42 s (f)t=4.06 s圖4 BTA單管鉆溫度分布圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 鉆頭溫度與磨損深度變化規(guī)律

3.1.1 鉆頭溫度變化規(guī)律

一般刀具在加工時，切屑會帶走80%的切削熱量，而鉆削加工只能帶走40%的切削熱量，大部分熱量傳到刀具與工件上，刀具占切削熱的比例較大，擴散遲，易過熱，須采用強制有效的冷卻方式降溫[11]。在進給量為0.20 mm/r，鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，環(huán)境溫度為10℃，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時，鉆頭溫度場分布狀況，結(jié)果如圖4。分析圖4可知，鉆削初期，鉆頭最高溫度出現(xiàn)在鉆頭前刀面與切屑之間和鉆頭的后刀面與工件之間，這是由于鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)過程中，鉆頭與切屑、工件相接觸，產(chǎn)生大量的切削熱，刀刃與工件之間的接觸面積較小，摩擦比較嚴重，在密閉的加工環(huán)境中，鉆削熱量不易排出，故鉆頭的最高溫度也逐漸升高。溫度穩(wěn)定后，即鉆頭部分進入工件后，鉆頭最高溫度主要出現(xiàn)在刀刃處。鉆頭最高溫度與時間之間的關系，如圖5。分析圖5可知，當鉆削時間到0.01 s時，鉆頭最高溫度為68.6 ℃，鉆頭剛開始與工件接觸，向鉆頭傳遞的熱量并不多，鉆頭最高溫度僅比未加工時溫度高48.6 ℃；當鉆削時間到0.71 s時，鉆頭最高溫度為173 ℃，鉆頭與工件間溫度差較大，在鉆削加工過程中，隨著鉆頭溫度增加，鉆頭磨損深度增大 ；當鉆削時間到1.56 s時，鉆頭最高溫度為216 ℃，此時鉆頭平穩(wěn)的對工件進行加工，鉆頭最高溫度的變化開始趨于平緩。

t/s 圖5 鉆頭最高溫度與時間的關系

3.1.2 鉆頭磨損深度變化規(guī)律

在進給量為0.20 mm/r，鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，

環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時，鉆頭磨損深度分布狀況，結(jié)果如圖6。分析圖6可知，在鉆削加工初期，鉆頭最大磨損深度隨著時間的增加逐漸增大，鉆頭磨損區(qū)域靠近切削刃，最大磨損深度靠近鉆尖。這是由于鉆尖與切屑和工件之間發(fā)生了摩擦和擠壓，隨著鉆削溫度與接觸區(qū)域的壓力的不斷增加，鉆頭磨損不斷積累，磨損深度進一步增大。溫度穩(wěn)定后，鉆頭最大磨損深度主要出現(xiàn)在刀刃處。鉆頭最大磨損深度與時間之間的關系，如圖7。分析圖7可知，當鉆削時間到0.01 s時，鉆頭最大磨損深度為0.00129 mm，鉆頭與工件剛發(fā)生接觸，鉆頭磨損深度并不大；當鉆削時間到0.71 s時，鉆頭最大磨損深度為0.00551 mm，鉆頭磨損嚴重部分發(fā)生在溫度較高的切削刃附近，致使鉆頭磨損深度急劇增大；當鉆削時間到1.56 s時，鉆頭磨損深度的變化趨于平緩，此時鉆頭最大磨損深度為0.00788 mm，這是由于隨著鉆削時間的增加，鉆頭逐漸進入工件，切屑與刀刃的接觸越來越多，故鉆頭磨損深度也逐漸增大。同時隨著切削溫度的升高，鉆頭磨損深度增大，磨損區(qū)域進一步擴大。

(a) t=0.01 s

t/s 圖7 鉆頭最大磨損深度與時間的關系

3.2 工件溫度變化規(guī)律

在進給量為0.20 mm/r，鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數(shù)值模擬查看仿真時間分別為0.01、0.71、1.56、2.31、3.42、4.06 s時，工件溫度分布狀況，結(jié)果如圖8。分析圖8可知，鉆削溫度分布于以鉆頭軸線為軸的圓柱體鉆削區(qū)域內(nèi)，并由于熱傳導的原因向四周擴散，鉆頭鉆削區(qū)域相對于未鉆削區(qū)域溫度較高，隨著鉆削深度的增加，鉆削區(qū)域溫度明顯升高，并且最高溫度都分布在孔壁位置。這是因為鉆頭在鉆削過程中，鉆頭后刀面與孔壁接觸產(chǎn)生大量的切削熱，故孔壁的溫度較高。

(a)t=0.01 s

t/s 圖9 環(huán)境溫度對鉆頭最大磨損深度的影響

3.3 環(huán)境溫度對鉆頭磨損深度的影響

在進給量為0.20 mm/r，鉆頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，摩擦系數(shù)為0.3的條件下，選取環(huán)境溫度分別為5、15、25、40 ℃進行鉆削仿真，在后處理器里提取鉆頭最大磨損深度數(shù)據(jù)，得到每個環(huán)境溫度對應的鉆頭最大磨損深度變化曲線如圖9。分析圖9可知，當進給量與鉆頭轉(zhuǎn)速一定時，可見四種環(huán)境溫度下鉆頭磨損深度隨時間的變化規(guī)律大體相同，表明鉆頭磨損受環(huán)境溫度的影響較小。在開始階段，摩損深度從零點迅速升高，在1.5 s左右達到某一穩(wěn)定值。

3.4 因素顯著性分析

利用SPSS23.0軟件對表4中的數(shù)據(jù)進行方差分析，以確定試驗因素對鉆頭最高溫度和鉆頭最大磨損深度影響的顯著性。分析表5可得，因素A的顯著值為0.041，因素B的顯著值為0.013，而因素C的顯著值為0.250。因此試驗反應體系下進給量與鉆頭轉(zhuǎn)速同為影響反應的主要因素，鉆頭轉(zhuǎn)速對鉆頭溫度的顯著性高于進給量，環(huán)境溫度對試驗結(jié)果的影響較小，則各因素對鉆頭溫度影響的主次順序為B(鉆頭轉(zhuǎn)速)>A(進給量)>C(環(huán)境溫度)。分析表6可得，鉆頭轉(zhuǎn)速對鉆頭磨損深度的影響較顯著(p=0.008)，其次是進給量(p=0.014)，最后是環(huán)境溫度(p=0.083)。

表5 鉆頭溫度方差分析

表6 鉆頭磨損深度方差分析

水平 圖10 各因素不同水平對鉆頭最高溫度影響曲線圖

3.5 工況參數(shù)對鉆頭最高溫度的影響

根據(jù)表4數(shù)值模擬所得的結(jié)果，繪制不同因素水平對鉆頭最高溫度的影響曲線圖，如圖10。從圖10可以看出，進給量與鉆頭最高溫度呈正相關關系，即進給量越大，鉆頭最高溫度越高；鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭最高溫度之間整體上呈正相關關系，隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，鉆頭最高溫度先急劇增加后趨于平緩；環(huán)境溫度對鉆頭最高溫度的影響較小，這是由于在密閉條件下，鉆削過程中產(chǎn)生的熱量向周圍環(huán)境的散熱效果降低，導致環(huán)境溫度的改變對鉆頭最高溫度的影響較小；在鉆削加工過程中，鉆孔速度(鉆頭轉(zhuǎn)速×進給量)是決定鉆頭溫度變化的主要因素。鉆孔速度越大，鉆頭最高溫度越大，反之鉆頭最高溫度越小。

水平 圖11 各因素不同水平對鉆頭最大磨損深度影響曲線圖

3.6 工況參數(shù)對鉆頭最大磨損深度的影響

根據(jù)表4數(shù)值模擬所得的結(jié)果，繪制不同因素水平對鉆頭最大磨損深度的影響曲線圖，如圖11。從圖11可以看出，進給量、鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆頭最大磨損深度呈近似線性關系，隨著進給量、鉆頭轉(zhuǎn)速的增大，鉆頭最大磨損深度均逐漸增大；在鉆削加工過程中，鉆孔速度對鉆頭最大磨損深度影響很大，隨著鉆孔速度增大，鉆頭最大磨損深度增大，反之鉆頭最大磨損深度減小。

4 結(jié)論

本文基于Deform-3D有限元軟件對BTA單管鉆鉆削加工模擬仿真，考察進給量、鉆頭轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度三種因素對鉆頭溫度與鉆頭磨損深度的影響，主要結(jié)論如下。

(1)鉆削初期，鉆頭最高溫度出現(xiàn)在鉆頭前刀面與切屑之間和鉆頭的后刀面與工件之間；溫度穩(wěn)定后，即鉆頭部分進入工件后，鉆頭最高溫度主要出現(xiàn)在刀刃處；鉆孔速度是決定鉆頭溫度變化的主要因素，鉆孔速度越大，鉆頭最高溫度越大，反之鉆頭最高溫度越小。

(2)鉆削加工初期，鉆頭最大磨損深度隨著時間的增加逐漸增大，鉆頭磨損區(qū)域靠近切削刃，最大磨損深度靠近鉆尖；溫度穩(wěn)定后，鉆頭最大磨損深度主要出現(xiàn)在刀刃處；鉆孔速度對鉆頭最大磨損深度影響很大，隨著鉆孔速度增大，鉆頭最大磨損深度增大，反之鉆頭最大磨損深度減小。

(3)三種因素對鉆頭溫度與鉆頭磨損深度的影響的顯著性次序依次為：鉆頭轉(zhuǎn)速、進給量、環(huán)境溫度。