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軟件模擬微織構刀具加工過程，考察微織構對切削力及切削溫度的影響，并與無織構刀具加工進行比較，研究表明：鉆削前刀面宜采用微織構，后刀面不宜采用微織構；劉英魁[5]等提出PLC自動調節(jié)切削液流量的方法，實現智能控制切削液溫度的變化；陳文成[6]等通過數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。

國內學者對鉆削方面的研究越來越深入，但針對工況參數多目標優(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單管鉆工況參數的選取提供參考與借鑒。

1 數值模擬理論基礎

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，根據傳熱與傳質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。

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，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a為0.0000001，系數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，BTA單管鉆刃形圖如圖3， BTA單管鉆幾何參數見表2，其中內齒長度為a，中齒長度為b，外齒長度為c，內齒角度為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基硬質合金物理特性

表2 BTA單管鉆幾何參數

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，鉆頭轉速為1200 r/min，進給量為0.20 mm/r，環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃[9]。使用相對網格劃分鉆頭，網格數量為20000；在Deform-3D軟件中建立工件模型，使用絕對網格劃分工件，網格單元尺寸為0.05 mm。

2.3.2 設定邊界條件

表3 工藝參數因素水平表

設置仿真模擬步數為30000，每隔25步保存一次數據，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軸方向做旋轉運動，其余方向為0[10]。檢查參數設置，生成DB文件，進行數值模擬運算。

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，鉆頭轉速為1200 r/min，環(huán)境溫度為10℃，摩擦系數為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數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，結果如圖4。分析圖4可知，鉆削初期，鉆頭最高溫度出現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過程中，鉆頭與切屑、工件相接觸，產生大量的切削熱，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，鉆頭轉速為1200 r/min，

環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數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，鉆頭轉速為1200 r/min，環(huán)境溫度為10 ℃，摩擦系數為0.3，熱傳導率為30 N/sec/mm/℃的條件下，利用Deform-3D有限元數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，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，鉆頭轉速為1200 r/min，摩擦系數為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據，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中的數據進行方差分析，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速同為影響反應的主要因素，鉆頭轉速對鉆頭溫度的顯著性高于進給量，環(huán)境溫度對試驗結果的影響較小，則各因素對鉆頭溫度影響的主次順序為B(鉆頭轉速)>A(進給量)>C(環(huán)境溫度)。分析表6可得，鉆頭轉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 工況參數對鉆頭最高溫度的影響

根據表4數值模擬所得的結果，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；鉆頭轉速與鉆頭最高溫度之間整體上呈正相關關系，隨著鉆頭轉速的增加，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 工況參數對鉆頭最大磨損深度的影響

根據表4數值模擬所得的結果，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，主要結論如下。

(1)鉆削初期，鉆頭最高溫度出現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：鉆頭轉速、進給量、環(huán)境溫度。