【正文】 擬已經(jīng)有了比較全面的了解，建模方法已經(jīng)從最初的簡單剪切平面法發(fā)展到更加復雜的有限元方法，而有限元方法是最新趨勢的代表。有限元法有著強大的應用能力，可以包含幾乎所有金屬切削過程的各個方面，可以同時解決在刀 —屑接觸面摩擦的應力平衡方程、應力 —應變增量關系式、熱傳導方程、材料本構方程和應力特性方程。這個方法可能比 其他方法更細致地揭示金屬切削過程。 國內外的研究者在有限元分析法上都做了細致的研究，取得了很多卓越的成果，可也還是留下了一些發(fā)展的空間，讓我們后人去探索。 MerChant、 Piispanen 和 Leeandshaffer 是最早應用分析模型的學者，他們利用了切屑角模型來分析切屑在生成過程中的角度與刀具前角的關系。 1960 年 Clough 在他的論文“平面分析的有限元法（ The Finite Element Method in Plane Stress Analysis）”中最先引入了有限元（ Finite Element）這一術語，一提出就引起了廣泛的關注。 1982 年 Usui 和 Shirakashi 第一次提出刀面角、切屑幾何形狀和流線等概念，得出了一個穩(wěn)態(tài)的正交切削模型，應用此模型對切削過程中的應力應變和溫度等參數(shù)進行了預測。 2020 年合肥工業(yè)大學的謝峰和劉正士有限元法及彈塑性變形理論對二維金屬切削 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 3 頁 共 66 頁 的變形過程進行有限元分析，指出了金屬由彈性變形到塑性變形時單元剛度矩陣變化的規(guī)律。 2020 年鄧文君等學者采用熱 —力耦合、平面應變、連續(xù)帶狀切屑的切削模型模擬了高強度耐磨鋁青銅的正交切削加工過程。采用增量步移動刀具的方 法，結合有限元分析軟件 MARC 的網(wǎng)格重劃分功能，模擬了刀具從初始切入到切削溫度達到穩(wěn)態(tài)的切削加工過程，獲得了不同切削深度和切削速度下的切屑形態(tài)、溫度、應力、應變和應變速率的分布。 2020 年胡韋華、王秋成、胡曉冬和劉云峰針對有限元方法在切削加工過程中得到越來越廣泛的應用，研究了切削加工過程數(shù)值模擬的研究進展情況，并對切削加工過程數(shù)值模擬的發(fā)展方向進行了展望。 2020 年華南理工大學的何振威、全燕鳴和樂有樹用 DEFORM2D 軟件建立了典型的正交切削模型，研究了高速切削中切削熱在切屑、工件和刀具部分的量化分配 規(guī)律。但是所得的結果只是停留在模擬實驗階段，沒有與實際試驗做過比較。 2020 年李澤文、羅洪波、端正強和肖華軍對三角形刀片的切削過程進行了有限元分析，獲得了不同切削用量對切削力、切削溫度、刀片應力的影響，以選擇合理的切削用量來延長刀具壽命。 通過以上的了解，對于切屑形成過程的有限元模擬方面，國內的 2D 模擬發(fā)展相對3D 模擬較快，甚至能夠對塑性較差的工件材料的切削進行 2D 模擬；國內的仿真主要停留在 2D 領域，不僅視覺效果不夠理想，而且模擬的能力僅局限于正交切削范圍，其它大部分的切削情況都不能模擬，如包含斜 刃切削的車削、刨削、銑削、鉆削等切削加工情況。 隨著全世界越來越多的研究學者和工程師的努力，有限元法分析已經(jīng)變得成熟和可靠，他們通過計算機所進行的大量的模擬科學研究，獲得了大量寶貴的資料和成果。由于傳統(tǒng)的研究方法難以定量分析切削機理，一旦面對高速、超精密切削加工等工藝， 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 4 頁 共 66 頁 實驗的方法便很難獲得所需的相關參數(shù)，反而虛擬制造技術能夠縮短開發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質量，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。對切削過程進行虛擬仿真，研究金屬切削變形等物理現(xiàn)象的影響因素，可以幫助合理選擇參數(shù)工藝中的切削速 度，背吃刀量及進給量 。對刀具幾何結構 (前角，后角等 )進行優(yōu)化設計，進而可以采取措施減小切削力，提高金屬切除效率并改善加工表面質量，優(yōu)化加工工藝等。所以，采用計算機模擬技術研究切削過程中的金屬變形及其溫度分布等是目前最有發(fā)展前景的研究方法之一。通過閱讀文獻了解相關研究背景和國內外研究現(xiàn)狀，我對于應用有限元法模擬切削過程有了更清楚的認識，本課題能夠全面地考量我在本科階段的分析動手能力、對于新理論的應用學習能力以及對于問題的探索研究能力，能夠完成本課題將是對我整個本科階段的最佳總結。 有限元法（ finite element method ）是一種高效能，常用的計算方法。有限元法在早期是以變分原理為基礎發(fā)展起來的，所以它廣泛應用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中。自從 1969 年以來，某些學者在流體力學中應用加權余數(shù)法中的咖遼金法或最小二乘法同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應用于以任何微分方程所描述的而各類物理場中，而不再要求這類物理場和泛函的極值有聯(lián)系。 邊界元法 是一種及有限元法之后發(fā)展起來的一種新數(shù)字方法與有限元法在連續(xù)區(qū)域內劃分單元的基本思想不同邊界元法只是在定義域 的邊界上劃分單元，用滿足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件。與有限元相比具有單元個數(shù)少，數(shù)據(jù)準備簡單等優(yōu)點。 采用大型有限元分析軟件 deform3d 對普通麻花鉆的鉆削力進行仿真研究。Deform3d 是 SFTC 公司開發(fā)的基于有限元分析的工藝仿真軟件，針對復雜的金屬成型過程，能夠分析各種成型、熱處理工藝，對加工過程中因工件材料、刀具材料的剪切變形、切削溫度內應力等因素進行分析，是正確選擇刀具材料、刀具角度和切削用量以及進行材料加工性分析的依據(jù) 。 研究方法 利用 cad 軟件建立參數(shù)化麻花鉆三維模型 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 5 頁 共 66 頁 建立麻花鉆的數(shù)學模型，對麻花鉆的鉆削過程受力進行理論分析 在 ansys 下對刀具進行強度分析，獲得 應變和應力分布圖 對麻花鉆進行模態(tài)分析，得到各個模態(tài)下的振型圖 在 deform3d 軟件下進行鉆削過程的模擬仿真 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 6 頁 共 66 頁 2 麻花鉆切削理論基礎 麻花鉆應用到的理論基礎 麻花鉆的組成 麻花鉆是孔加工過程中應用最廣泛的一種工具，即可在實心材料上鉆孔，也可將已有孔進行擴大?？杉庸た讖降姆秶鸀?。 麻花鉆的結構 刀體：刀體是麻花 鉆的主要部分，它又分為切削部分和導向部分。切削部分擔負主要切削工作，導向部分在工作時起導向的作用。隨著麻花鉆的刃磨變短，導向部分也是切削部分的準備部分。 頸部：是刀體和刀柄的連接部分，又是鉆頭打標記的地方。 刀柄：用于裝夾鉆頭和傳遞動力。直徑小的鉆頭為直柄。為了減小麻花鉆與孔壁的摩擦 ，導向部分做有兩條窄的刃帶，且外徑磨有倒錐量，即外徑從切削部分向刀柄逐漸減少。 麻花鉆的兩個刀齒靠鉆心連接，因而兩個主切削刃不通過鉆心，而相互距離一個鉆心直徑。為了增大鉆頭的強度，把鉆心做成正椎體，鉆心從切削部分向刀柄逐漸增大，其增大量每 100mm 長度為 。 如圖。 所示。 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 7 頁 共 66 頁 圖 麻花鉆的角度 鉆頭實際上相當于正反安裝的兩把內孔車刀的組合刀具，只是這兩把內孔車刀的主切削刃高于工件中心（因為有鉆心而形成橫刃的緣故，鉆心半徑為 ） 端面刃傾角 為方便起見，鉆頭的刃傾角通常在端平面內表示。鉆頭主切削刃上某點的端面刃傾角是主切削刃在端平面的投影與該點基面之間的夾角。如圖 所示，其值總是負的。且主切削刃上 各點的端面刃傾角是變化的，愈靠近鉆頭中心端面刃傾角的絕對值愈大。如圖 所示 主偏角 麻花鉆主切削刃上某點的主偏角是該點基面上主切削刃的投影與鉆頭進給方向之間的夾角。由于主切削刃上各點的基面不同，各點的主偏角也隨之改變。主切削刃上各點的主偏角是變化的，外緣處大，鉆心處小。 圖 前角 麻花鉆的前角 是正交平面內前刀面與基面間的夾角。由于主切削刃上各點的基面不同，所以主切削刃上各點的前角也是變化的，如圖 所示。前角的值從外緣到鉆 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 8 頁 共 66 頁 心附近大約由 +30176。減小到 30176。，其切削條件很差。 后角 切削刃上任一點的后角 ，是該點的切削平面與后刀面之間 的夾角。鉆頭后角不在主剖面內度量，而是在假定工作平面（進給剖面）內度量（見圖 7－ 36a）。在鉆削過程中，實際起作用的是這個后角，同時測量也方便。 鉆頭的后角是刃磨得到的，刃磨時要注意使其外緣處磨得小些（約 8176。 ~10176。），靠近鉆心處要磨得大些（約 20176。 ~30176。）。這樣刃磨的原因，是可以使后角與主切削刃前角的變化相適應，使各點的楔角大致相等，從而達到其鋒利程度、強度、耐用度相對平衡；其次能彌補由于鉆頭的軸向進給運動而使刀刃上各點實際工作后角減少一個該點的合成速度角μ（見圖 中 ff 剖面）所產(chǎn)生的影響；此 外還能改變橫刃處的切削條件。 圖 橫刃斜角是在鉆頭的端面投影中，橫刃與主切削刃之間的夾角。它是刃磨鉆頭時自然形成的，鋒角一定時，后角刃磨正確的標準麻花鉆橫刃斜角Ψ為 47176。 ~55176。，而后角愈大則Ψ愈小，橫刃的長度會增加。 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 9 頁 共 66 頁 基面和切削平面 在分析麻花鉆的幾何角度時，首先必須弄清楚鉆頭的基面和切削平面。 基面：切削刃上任一點的基面，是通過該點，且垂直于該點切削速度方向的平面，如圖 所示。在鉆削時，如果忽略進給運動，鉆頭就只有圓周運動，主切削刃上每一點都繞鉆頭軸 線做圓周運動，它的速度方向就是該點所在圓的切線方向，如圖 中 A點的切削速度 垂直于 A 點的半徑方向， B 點的切削速度 垂直于 B 點的半徑方向。不難看出，切削刃上任一點的基面就是通過該點并包含鉆頭軸線的平面。由于切削刃上各點的切削速度方向不同，所以切削刃上各點的基面也就不同。 切削平面：切削刃上任一點的切削平面是包含該點切削速度方向，而又切于該點加工表面的平面（圖 所示為鉆頭外緣刀尖 A 點的基面和切削平面）。切削刃上各點的切削平面與基面在空間相互垂直，并且其位置是變化的。 圖 面 鉆削力的計算 在鉆頭的每個切削刃上都作用著三個力，如圖 所示。 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 10 頁 共 66 頁 圖 麻花鉆受力示意圖 包括橫刃和主刃上的軸向力徑向力 ， 。 鉆削力和扭矩 主切削刃 橫刃 棱帶 軸向力 40 57 3 扭矩 80 10 10 表 麻花鉆受力分布 軸向力 F= (N) 切削功率 =2 （ W） 表 高速鋼麻花鉆切削力及功率計算公式 計算公式 單 位 d（ mm）； f（ mm/r） 。n(r/s),r=， d=20mm， n=320r/min,f= 工件材料 鋼 1 表 各主要參數(shù) 代入?yún)?shù)計算得 F=6337N，按比例施加在橫刃和主切削刃上。本次設計主要分析鉆頭受軸向力的影響，所以磨檫力等不予考慮。 陜西理工學院畢業(yè) 設計 論文 第 11 頁 共 66 頁 3 麻花鉆的建模 Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER 的概述 1985 年， PTC 公司成立于美國波士頓，開始參 數(shù)化建模 軟件的研究。 1988 年， 的 Pro/ENGINEER 誕生了。進過 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/。 PTC 的 系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包