40Cr鋼的鉆削力仿真與實驗研究

李正治， 閆 強， 劉 鋼， 唐翠萍

（1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.山東大學機械工程學院，濟南 250100；3.上海特種數控裝備及工藝工程技術研究中心，上海 201111）

40Cr鋼的鉆削力仿真與實驗研究

李正治1， 閆 強1， 劉 鋼2， 唐翠萍3

（1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.山東大學機械工程學院，濟南 250100；3.上海特種數控裝備及工藝工程技術研究中心，上海 201111）

通過單因素試驗，研究了在40Cr鋼的鉆削加工過程中，不同切削參數對鉆削力和扭矩的影響.通過大型金屬塑性成形有限元軟件Deform-3D對鉆削過程進行仿真研究，并將仿真結果和實驗結果作了對比.結果表明，在進給量不變的情況下，隨著切削速度的增加，鉆頭所受軸向力和扭矩先變大后減??；在相同的切削速度條件下，隨著進給量的不斷增大，軸向力和扭矩幾乎線性增大；鉆削力和扭矩的仿真結果比實驗結果略小，說明仿真結果具備比較高的可靠性，可以對實驗結果起到近似的預測作用.

Deform-3D軟件；仿真；40Cr鋼；軸向力；扭矩

切削加工作為一種傳統的加工方法，全世界每年約有1億t鋼材通過刀具切削而成為切屑，每年的切削加工耗資約2 500億美元［1］.其中，鉆削作為一種重要的孔加工方式，在各個行業各種材料的加工生產中應用非常廣泛，是切削金屬最重要的加工方法之一，也是機械加工耗時最多的工序，約占整個金屬切削加工的33%［2］.據國際生產工程學會資料，在機械行業中鉆孔加工約占切削加工總時間的22%［3］.據統計，在汽車制造業中，機械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機制造業，鉆孔工序所占的比重則更高［4］.

40Cr鋼屬塑性材料，具有良好的機械性能及機械加工性能，而在機械加工中的很多工序涉及到鉆削加工，因此，對鉆削40Cr時的鉆削參數進行研究具有非常重要的意義.

1 實驗結果與分析

1.1 實驗設備及方案

實驗在DMG HSC 75 Linear高速加工中心上完成，實驗選用瑞士Kistler公司生產的壓電晶體測力儀KISTLER 9265B、電荷放大器KISTLER 5070A及相應的數據采集與處理系統測量切削力.測力儀的基本技術參數：靈敏度0.05 N，量程±15 kN，剛度1μm／kN.測出的力信號經電荷放大器放大后，經過數據采集卡可直接將信號傳送到計算機，再用配套軟件對測得的力信號進行分析和處理.實驗所選用的硬質合金鉆頭的參數如表1所示.

表1 鉆頭幾何參數Tab.1 Geographical parameters of a drilling bit

實驗使用乳化液進行外部冷卻.被加工材料為40Cr鋼，調質處理，其硬度為HB300.實驗采用單因素法，分別通過改變切削速度、進給量，對鉆頭的扭矩和鉆削力進行了對比.

1.2 實驗結果

鉆削實驗中的切削力和扭矩分布如圖1所示. Fx，Fy，Fz分別為徑向力、切向力和軸向力，T為扭矩，t為時間.

圖1 鉆削實驗中的切削力和扭矩分布Fig.1 Distribution of drilling force and torque in the experiment

1.3 切削速度的影響

由圖2（a）可知，一方面，在相同的進給量f z時，隨著切削速度vc的增加，鉆頭所受的軸向力先變大后減小，這主要是由于低速切削過程中切削溫度比較低，在前刀面上，由于刀-屑接觸產生粘結，進而產生積屑瘤，隨著切削速度達到80～100 m／min時，在積屑瘤不斷減小并消失的速度范圍內，積屑瘤高度的逐漸減小，導致刀具的實際前角在逐步變小，因此，出現了實驗中的切削力先變大.但由于鉆削加工的半封閉性，所產生的切削熱并不易散出，進而導致切削溫度不斷增高，當切削速度達到100～120 m／min范圍時，刀-屑之間的磨損逐漸由機械磨損轉變為氧化磨損，摩擦系數逐漸減小，同時，隨著切削溫度進一步的升高，工件材料本身的強度和硬度也逐漸降低，而這2個因素都會使得軸向力逐漸變小.綜合以上情況，鉆削力先變大再減小.

圖2 切削參數對軸向力的影響Fig.2 Effect of cutting parameters on drilling force

另一方面，隨著切削速度vc的不斷增加，軸向力的變化幅度相對于較小，說明對軸向力的影響并不明顯.

1.4 進給量的影響

由圖2（b）可知，在相同的切削速度條件下，隨著進給量fz的不斷增大，鉆頭所受的扭矩也隨之增大，而且是一種呈線性增大的趨勢.一方面，在鉆孔過程中，隨著鉆頭的旋轉，首先由橫刃與工件接觸，產生擠壓作用，使得被切削材料與工件分離而產生切屑，隨著進給量不斷變大，切削過程中排屑成為主要矛盾，切削阻力變大，由于鉆削加工的半封閉性，排屑不完全導致部分殘留金屬對鉆頭產生一定的擠壓力和摩擦作用，導致軸向力和扭矩變大；另一方面，隨進給量fz的不斷增加，各向鉆削力總體呈增大趨勢，但并不是隨著進給量的增加成比例增加，因為，隨著進給量的增大，切削厚度不斷增大，所以，切削面積增大，切削力會隨之增大，但切削厚度增大的同時使得變形系數減少，摩擦系數也降低，所以，切削力的增加與進給量的增大并不成比例；再一方面，由于鉆頭自身的結構特點，隨著進給量的增大，排屑困難程度增大，切屑與孔壁間的擠壓摩擦力也隨之增大.綜合以上幾方面因素，鉆削力呈線性增大.

2 基于Deform-3D軟件的鉆削過程仿真研究

在用Deform-3D軟件進行鉆削加工仿真時，假設切削過程中鉆頭沒有變形，因此，將鉆頭設置為剛性體，工件設置為塑性體，并將鉆頭設置為Primary Die，鉆頭參數如表1所示.鉆孔深度h設置為10 mm，當鉆孔達到穩定狀態一定時間后停止仿真.在工件網格的劃分方面，網格的數量和網格的疏密直接影響計算的精度和速度.為了提高仿真的質量，網格數量越多、網格越密，計算的精度就越高，但會導致計算量太大，大幅度降低了計算機模擬的運算速度.基于此，Deform-3D軟件提供了AMG（自適應網格劃分）技術，可以對網格進行即時網格重新劃分.本文應用四面體單元，網格數設定為20 000個，然后對鉆芯工件變形較大的部位進行局部網格細劃分，比例為0.01，如圖3所示.40Cr鋼對應Deform-3D材料庫中的鋼號為AISI5140.采用國際單位制，設定環境溫度為20℃，對流系數為2 N／（s·m·℃），熱轉換系數為4 500 N／（s·m·℃）.仿真切削過程如圖4所示.

圖3 工件的網格劃分Fig.3 Mesh generation of the workpiece

圖4 仿真生成的切屑Fig.4 Simulation of the generated chip

3 仿真結果與實驗結果對比

當進給量為0.12 mm／r，切削速度為120 m／min時，由圖1和圖5的實驗結果可以看出，徑向力Fx和切向力Fy遠遠小于軸向力Fz，所以，只針對軸向力Fz進行分析研究.如圖5所示，在刀具剛剛切入工件時，切削力和扭矩的波動比較大，隨著切削過程的繼續，切削力的大小趨于穩定.在切削達到穩定狀態時，軸向力和扭矩在一定程度上也是有上下波動的，這是由于Deform-3D通過自身網格即時重劃分來模擬切屑的變形和斷裂而與母體分離引起的［5］.由仿真結果可以看出，隨著鉆削的不斷進行，鉆孔深度增加，軸向力和扭矩先變大后趨于穩定，這是因為鉆頭與切屑的接觸長度由開始時不斷增加直到穩定，導致前刀面和切屑之間的摩擦力先變大后趨于穩定，進入穩定鉆削加工狀態.因此，本文將不同切削參數條件下的軸向力Fz和扭矩T的數據取平均值，并與仿真結果進行比較研究，結果如圖6和圖7所示.

圖5 鉆削力和扭矩的仿真結果Fig.5 Simulation results of drilling force and torque

圖6 軸向力隨進給量的變化曲線Fig.6 Curve of drilling force versus feed

圖7 扭矩隨進給量的變化曲線Fig.7 Curve of the torque versus feed

由圖6和圖7可以看出，不論是軸向力還是扭矩，每一組仿真結果與實驗結果相比都相對偏小.其中，軸向力平均相差10.88%，扭矩平均相差12.25%，當切削速度和進給量較小時，主軸和鉆頭的振動較小，切削溫度相對較低.隨著切削速度和進給量的提高，仿真結果與實驗結果的誤差幅度逐漸變大，這主要是由于加工過程中的振動變強和溫度升高導致的.但是，仿真結果與實驗結果有著相似的變化規律，說明了仿真的可靠性.仿真結果比實驗結果略小有如下原因：

一方面，鉆削加工屬于半封閉加工形式，切削環境較差，各方面影響因素較多，比如排屑困難、鉆頭前刀面與切屑粘結及加工過程溫度變化等，而在仿真分析時，由于條件限制無法考慮這些實際因素，因此，仿真結果比實際結果偏??；

另一方面，在Deform-3D軟件的材料本構模型中，應力-應變關系與實際鉆削加工過程存在著差異.在Deform-3D軟件中將鉆頭設為剛性體，但在實際加工過程中受到機床和主軸轉速等影響，硬質合金鉆頭必然會有跳動和變形，這些問題會不可避免地對模擬結果產生一定的影響.

實驗過程中操作的誤差、機床本身的誤差及刀具的振動等因素對實驗結果也都會產生一定的影響.

綜合各方面考慮，仿真結果雖然比實驗結果偏小，但在可接受范圍內，說明仿真結果可以對實際鉆削加工過程進行預測，可以更好地輔助鉆削加工的相關實驗研究，避免大量的鉆削實驗，節省不必要的實驗費用.

4 結 論

a.在進給量不變的情況下，隨著切削速度的增加，鉆頭所受軸向力和扭矩先變大后減小；在相同的切削速度條件下，隨著進給量的不斷增大，軸向力和扭矩也隨之增大.

b.與切削速度相比，進給量對鉆削力和扭矩的影響較大，變化更為顯著.

c.仿真結果與實驗結果比較吻合，可以很好地對實際鉆削過程進行預測.

d.在條件許可的范圍內，可以適當地提高切削速度，以提高鉆孔的加工效率并降低加工成本.

［1］ 劉戰強，王兆輝，劉逢時.先進切削加工技術綜述［J］.工具技術，2003，37（5）：3-6.

［2］ Chen W C，Liu X D.Study on the various coated twist drills for stainless steels drilling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，99（5）：226-230.

［3］ Derflinger V，Br?ndle H，Zimmermann H.New hard／coating for dry machining［J］.Surf Coat Tech，1999，113（3）：286-292.

［4］ 周頤辛，祝新發，張晶晶，等.離子鍍TiCN和TiN工具涂層的微結構與切削性能［J］.工具技術，2010，44（11）：18-21.

［5］ 楊軍，吳能章.基于Deform-3D的鉆削力仿真研究［J］.工具技術，2007，41（4）：50-53.

（編輯：石 瑛）

Simulation Analysis and Experimental Study on the Drilling Force on 40Cr Steel Samples

LIZheng-zhi1， YANQiang1， LIUGang2， TANGCui-ping3
（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；
2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250100，China；
3.Shanghai Special CNC Equipment and Process Engineering Technology Research Center，Shanghai 201111，China）

The effects of different cutting parameters on the drilling force and torque on 40Cr steel samples were studied through single factor experiments for drilling processes.The drilling process with large plastic incremental deformation was simulated by using the software of Deform-3D，and its results were compared with the experimental results.The conclusions indicate：with the increase of cutting speed，the drilling force and torque mount up first but drop down afterward；when the feed becomes bigger，the drilling force and torque increase monotonously and the emulation data acquired from simulation are slightly smaller than the experimental ones，so by numerical simulation the drilling force can be predicted approximately.

Deform-3D software；simulation；40Cr steel；drilling force；torque

TG 501.1

A

2013-08-07

國家科技重大專項基金資助項目（2013zx04001101）

李正治（1987-），男，碩士研究生.研究方向：切削刀具.E-mail：lzhengzhi＠163.com

1007-6735（2014）04-0370-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.013