三区段振动钻削动态轴向力和扭矩的计算机仿真

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1 前言

振动钻削过程是一种动态切削过程。在振动钻削过程中,钻头轴向振动和进给量的变化使其前角、后角、刃倾角、切削速度、切削厚度、剪切角、摩擦角、流屑角等参数均具有动态特性,从而产生了振动钻削过程所特有的动态轴向力和扭矩。 + G9 O+ |4 w& ?

根据斜角切削理论,假设将钻头主切削刃和横刃上的变形过程分别处理为一系列微小的具有动态特性的振动切削单元,通过对每个单元的动态切削机理进行力学分析,就可以构造出整个钻头的动态轴向力和扭矩的预报模型。
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图1 钻削过程的三区段划分

本文在以往研究工作的基础上,将钻削过程划分为三个区段,即钻入、钻中和钻出区段,如图1所示。钻入区段为从横刃接触工件开始到主切削刃刚好全部进入工件为止的钻削过程;钻出区段为从横刃钻出工件的瞬间到主切削刃刚好全部钻出工件为止的钻削过程;钻中区段为介于钻入和钻出区段之间的钻削过程。 ! c1 l/ i g. O% T& e: f

2 预报模型的建立

整个钻头的动态轴向力和扭矩预报模型是分别在三个区段同时考虑钻头主切削刃和横刃的作用而建立起来的。 ! d s! U' Q3 P7 z4 l) \" Y

1. 钻中区段
   在钻削过程的钻中区段,研究动态轴向力和扭矩时应同时考虑主切削刃和横刃的作用,将主切削刃和横刃在钻中区段所产生的动态轴向力和扭矩分别叠加,即为钻中区段所产生的动态轴向力P和扭矩M,即
   / a4 Z0 \; ^: v& [( ]7 R2 b' j8 e' p6 }- u' [

   	(1)
   ! y8 f& c- f ]* E	(2)

   式中, P_l、P_c ( M_l、M_c) 分别为主切削刃和横刃产生的轴向力(扭矩) ,DP_lj、DP_ck(DM_lj、DM_ck)分别为主切削刃和横刃产生的单元轴向力(扭矩) ,且单元数分别为N_l和N_c, F′_c、F′_T为斜角切削中法平面内的切削力分量, F_f为垂直于法平面的摩擦力分量,l_sd 、K_rd 、h_d(h′_d) 分别为动态刃倾角、主偏角和进给角, r_j、r_k分别为单元主切削刃和横刃中点处的半径。
   2 ^/ ~7 d$ i! W6 |$ t
2. 钻入区段 $ _8 a- @+ |/ ]( A! {
   研究钻削过程钻入区段的动态轴向力和扭矩时分析方法与钻中区段相似,将主切削刃和横刃在钻入区段所产生的动态轴向力和扭矩分别叠加,即为钻入区段所产生的动态轴向力P_i和扭矩M_i,即
   & y7 P5 ?9 U, j+ M5 f, k3 p0 r' d1 _7 ?& n

   	(3) 4 e t v8 k7 O8 T+ q0 T
   	(4)

3. 钻出区段
   因为在钻削过程的钻出区段横刃不参加切削,所以钻出区段的动态轴向力和扭矩即为主切削刃在钻出区段所产生的动态轴向力P_o和扭矩M_o,即
   * D) ^# w% J# L |4 z$ s) d$ Y. d* R `" C9 Q6 s3 ^2 u2 ]9 q5 D. W- }/ i2 X$ G: T0 p( f# h8 U& I/ {6 Y6 c( ]: l Z

   6 [+ t. t- q1 Q6 l! P5 E	(5) ' N- h, y" g* E8 G H: W3 ]
   % D& | y8 y, d$ h1 v$ V9 j	(6)

2 Y; U# [0 c/ f q' }& K( N" x! X: g( A) u# b# g& G& R8 X- e0 i, J2 m) Q: \( c9 C4 B; j6 t/ X! ?6 d8 n! U3 U/ E: z* }0 z

(a)A=5µm,F=200Hz,f=60mm/min,m=4 & d* @ C \ {$ G( \) }	(b)A=5µm,F=500Hz,f=60mm/min,m=3
(c)A=4µm,F=300Hz,f=60mm/min,m=3	(d)A=8µm,F=300Hz,f=60mm/min,m=5 : A6 |6 {4 a6 X0 ^0 K
(e)A=6µm,F=300Hz,f=40mm/min,m=5 ; J: x; F# P y, z- Y# a! A2 f- V, g	(f)A=6µm,F=300Hz,f=80mm/min,m=3
图2 振动钻削钻中区段动态轴向力和扭矩的计算机仿真

3 三区段动态轴向力和扭矩的计算机仿真

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根据以上建立的三区段预报模型编制了C语言仿真程序,并在几种不同切削条件下对直径D=0.5mm 的钻头钻削黄铜(H62) 时的钻中区段动态轴向力和扭矩进行了计算机仿真,如图2所示。图中, a-b、c-d 和e-f分别表示振动频率F、振幅A和进给量f对轴向力P和扭矩M的影响。从图中可以看出,振动钻削时的轴向力和扭矩均呈现出脉冲特性,钻削过程时断时续,根据脉冲能量与应力集中理论,这是一种合理的加工方法。从图中还可看出,振动钻削时的轴向力和扭矩随参数F、A 、f 的不同而变化,因此可以通过合理选择加工参数来优化钻削过程,从而达到减小钻削力、提高钻头寿命的目的。 7 b8 C6 I9 z' d7 a

另外,比较式(1)～(6)可知,钻入和钻出区段轴向力和扭矩的动态特性与钻中区段的动态特性相比,只是在轴向力和扭矩的幅值上有差异,限于篇幅,钻入与钻出区段的动态轴向力和扭矩的仿真图形这里不再给出。 : S$ H2 l) q" x9 _- m7 | s2 ]" S

4 结语

由于轴向振动的存在,导致振动钻削过程中的前角、刃倾角等一系列参数都具有动态特性,进而产生了振动钻削过程特有的动态轴向力和扭矩。振动钻削改变了切削过程机理,将普通钻削的连续切削过程转变为脉冲式切削过程,因而符合脉冲能量与应力集中理论,因此是一种合理的加工方法。