摘 要 ： 深孔加工是在封閉坎（kǎn）態下迭行的， 不能（néng）直接（jiē）觀查到刀具的削情況 。 采用了金屬塑性（xìng）成形仿真軟件 D eform -3D ,用有限元方法動態模擬擬了深孔鑽削過程 ， 預（yù）測了加工過程中的溫度（dù）及應力變化情況，比敕了不同鑽削參教下溫（wēn）度與等故應力的變化情況， 獲得了不同（tóng）切（qiē）則速度下切削溫度及等故左力的變化曲線 。 分（fèn）析結果表明 ： 切削溫 度隨切入深度的增加而增大 ，逐漸趨於平穩 ， 最高溫度出現在刀具和切屑接（jiē）觸 的 位 置（zhì） ； 切削溫度與切削速度成正比 ， 而效應力隨（suí）切削（xuē）參數參數變化， 變（biàn）化並不大（dà）。
   
     關（guān） 鍵 詞（cí） ： 深孔（kǒng）如工 ； D eform -3D; 鑽（zuàn）削
 

     深孔加工是孔（kǒng）加工中難度最大（dà）的工藝之一 ， 深孔實體鑽（zuàn）削技術被公認為是深孔加工技（jì）術的關鍵技術。用傳統的加工方（fāng）法耗時耗力，而且加工的深孔精度（dù）不高，還存在換刀頻繁的問題和刀具易斷的風險[1]。槍鑽加工深孔是目前（qián）較理想的加工手段。在深孔的加工過程中，鑽（zuàn） 杆 細 長 .容 易（yì） 偏 斜 ，產生振動，產生的熱量和切肩不易排出（chū），不（bú）能直接觀察刀具切削情況（kuàng），而且目前也沒有理想的途徑能夠實（shí）時地監控切削區域的溫度變化及分布[w ]。隻能（néng）憑（píng）經驗，通過聽切削時的聲音、看切屑、觸摸振動（dòng）等外觀現象來判斷切削過程是否正常。
 
    近年來，隨著計算機硬件技術及數值模擬的快速發展，模擬仿真（zhēn）技術為解決這一難題（tí）提供了高效的科學技術途徑[4]。進行模擬（nǐ）鑽削對於提高深孔加工精度、加工（gōng）穩定性和加工（gōng）效率具有重要（yào）的意義。 目前有學者通過（guò）一些先進的測量手段和軟件分（fèn）析，可以間接判（pàn）斷（duàn）或提前預測加工（gōng）過程。如西安交通大學（xué）丁正（zhèng）龍等學者搭建（jiàn）了在線檢測量平台進行深孔內徑（jìng）測量[5)，但無法在線監測加工過（guò）程；也（yě）有工程師通過改變機床傳統結構來改善深孔加（jiā）工工藝，如（rú）為了防止加工（gōng）後的切肩劃傷孔（kǒng）壁，采用機床主軸倒立式（shì）結構，利用切削液和切肩的自重，使切屑更順暢地從鑽杆V 形槽中排出[6]等措施（shī），有效提高鑽削質量。
  
    本文采用Def〇rm-3D 金屬塑性成形仿真軟件 ，動態模擬了鑽削加工過程；並獲得了在不同切（qiē）削速度下的（de）溫度變化和應力變化，提前預測深孔的加（jiā）工工藝效果（guǒ），同（tóng）時為深（shēn）孔加工冷卻液（yè）設計和實施提供了依據。
 
    1 、槍鑽工作原理（lǐ）及鑽孔工藝
 
    1 . 1 槍鑽工作原理
 
    槍鑽是加工深（shēn）孔的主要（yào）工具，它具有一次鑽削就（jiù）獲得良好精度和表麵粗糙度低的特點[7]，槍鑽基本結構如圖1 所示。
  

    
  
                  圖 1 槍鑽的基本結構
 
     槍鑽由頭部、鑽杆和柄部三部分組成。頭部是整個（gè）槍鑽的關鍵部分，一般為硬質（zhì）合金，有整（zhěng）體式和焊接式兩種，往往與鑽杆焊接為一體 。槍鑽的鑽杆一般采用專用合金鋼材並經熱處（chù）理製成，使其具有較好（hǎo）的強度和剛性，必須有足夠的強度和（hé）韌性；槍鑽的柄部（bù）用於刀具與機床主軸上連接，按一定（dìng）的標準設計製造。
 
     1 .2 槍鑽工藝過程（chéng）
 
    工作時，槍鑽柄部被夾持在機床（chuáng）主（zhǔ）軸上，鑽頭通過導引孔或導套進入工件進行鑽削，鑽刃獨特結構起到自導向的作用，保證了切削精度。先加工導引孔，然後以一定的進給（gěi）速度到引導孔（kǒng）上的2~ 5 m m 處 ，即（jí）圖（tú） 2 中 點 處 ，同時以中冷方式打開冷卻（què）液；到導引孔後正常速度開始加工，加工過（guò）程（chéng）中采用（yòng）間斷進給，每（měi）次進給!2 深度，實現深孔短（duǎn）肩；加工結束離開實體時 ，先以較快的（de）速度退刀到離孔底一定距（jù）離（lí）處 ，再以低速退出引導（dǎo）孔，最後快速離開加工工件並關閉冷卻液，整個過程如圖2 所示 ，圖中（zhōng）虛線表（biǎo）示快速進給，實線表示慢速進給。
  
  
    
  
     2 、深孔鑽削力的分析
 
    深孔（kǒng）鑽與其它金屬切削加工方法相比，最顯著的不同（tóng）點是深孔鑽在（zài）封閉腔內利用導向塊的定位和支撐（chēng）進行鑽削。刀具與工件之間並非是刀刃的單一接觸+91，還有刀具上附加的導向塊與（yǔ）工（gōng）件的接觸（chù）。
 
     如 圖 3 所示。深孔鑽由切削刀體、刀齒和導向塊三大部分組成。刀體空心（xīn），切肩由（yóu）前端進入，通過鑽杆內腔排出，後端（duān）螺紋用於與鑽杆（gǎn）連接。刀齒上主切削刃分為兩條，分別為外刃和內刃。
 
     以多刃內排肩深孔鈷為例，副（fù）刀刃（rèn）與兩個導向塊在同一（yī）圓周上，三點定圓自行導向，分析其受力，簡化後的力學（xué）模型如圖4 所示。( 1 ) 切削力F 。深孔（kǒng）刀具所受的切削力可 分解（jiě）為相互垂直（zhí）的（de）切向力（lì）F ,,、徑 向 力（lì） F ,.,和軸向力徑向力將直接導致刀具彎曲（qǔ）變形（xíng） ，軸向力增加刀具磨損（sǔn），而切削刃上的切向力主要產生扭矩。加工過程中，總希望在保證加工質量（liàng）和效率的前提（tí）下，盡量降低軸向力和扭矩（jǔ），通常刀具的使用壽命與軸向力和扭矩直接掛鉤 ，過大的軸向力使得鑽頭更容易崩斷，扭矩（jǔ）過大也會加速刀具的磨損、折斷，直至報廢[1°]。
  
     
  
     
  
     ( 2 ) 摩（mó）擦力F/ 。導向塊相對孔壁（bì）轉動時產生（shēng）摩擦力（lì）/   和 /2 ; 導（dǎo）向（xiàng）塊沿軸（zhóu）向移動時與孔壁之間的軸向摩擦力為/ lu和7L ;
     ( 3 ) 擠 壓 力 擠 壓 力 是 由 於 孔 壁 的 彈 性（xìng）變形引起的，導向塊與孔壁之間的擠壓力為M和 ^ 2 。根據力係平衡原理，可知：
  
    
  
     式中： 為豎（shù）直方向切削力合力；F ,.為徑向切削力合力；F , 為（wéi）周向切削力合力。假設隻考（kǎo）慮庫倫摩擦係數，則導向塊上軸（zhóu）向摩擦力與周（zhōu）向摩擦力相等。通過實驗可以直
接（jiē）在深（shēn）孔加工時測得扭矩M ，和 F a。
  
    
  
     對於給定的鑽頭，其公稱直徑為以及導（dǎo）向塊的位置（zhì）角都是確定的，加之切削力經驗軸向力（lì）為主切削力的一半，綜合上（shàng）式可以計算（suàn）得到各切削力分量和導向塊上所受的力。
 
    3 、槍鑽的鑽削（xuē）仿真
 
    內排肩深孔鑽削是在封閉或半封閉的狀況下（xià）進（jìn）行，切削熱不易傳散，排肩困難，工藝係統剛性差。當鑽削中產生冷卻液進不到（dào）切削區（qū），造成冷卻潤滑不良時，會使刀具溫度（dù）急劇上升，加速刀具磨損；隨著（zhe）鑽孔的（de）深度（dù）增加，刀具（jù）懸伸量增大，鑽削時的工（gōng）藝係統剛（gāng）性（xìng）也隨（suí）之降低。所有這些，對內排屑深孔鑽削工（gōng）藝過（guò）程提出了一些特別的要求，本文通過對實（shí）際加工工（gōng）況的再現模擬，預測了切（qiē）削過程產生的熱量和切削力，為優化深孔加工工藝提供依據。3 . 1 鑽削參數及（jí）材料屬性的定義（yì）D efo rm 是一套基於有限元的工藝仿真係統 ，用於分析金屬成形工藝。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程師和設計人員提前預測各種工況下的不利（lì）因素，有效改進加工過程nM 2]。本（běn）文通過三維造型（xíng）軟件（jiàn）Pm /E 繪製仿真刀具模（mó）型（xíng），將模型保存為.STL格式導（dǎo）入到Defo rm -3 D 中。設置的切削參數（shù）和（hé）切削條件如表 1 所示。
 
    ( 1 ) 工（gōng）作條件（jiàn）的（de）設定（dìng）：選擇機械加工類型為鑽削，單位標準S I ,輸入切削（xuē）速度、進給量，環境溫度為20t ：，工件接觸麵（miàn）摩擦因子為0.6,傳熱係數為45 W/m2.〇C ，熱 融 為 15 N/mm2/X 。
    ( 2 ) 刀具和工件的設定：刀具為剛性，材料 為 4 5 鋼 ，工件塑性（xìng），材料為W C 硬質合金。
    ( 3 ) 設置對象間關係：D e fo rm 的主仆關係是以剛體為主件，塑（sù）性體為仆件，所以刀具為主動（dòng），工件為從動。
 
                                                      表 1 工件和刀具的主要參數
   
  
   
    為了對比不（bú）同工藝參數對切削過程溫度、應力 、應變的（de）變化影響，在 如 表 2 所示（shì）的不同鑽削參（cān）數下進行模擬仿真，觀察結果。
 
                表 2 槍（qiāng）鑽鑽削參數
    
   
    3 . 2 鑽削仿真模擬與結果分（fèn）析
 
    ( 1 ) 溫度
 
    金屬切削時消耗的（de）能量大部分轉換為熱能。這些熱量使得切削區溫度升高.直接（jiē）影（yǐng）響刀具的磨損、工件的（de）加工精度和表麵質量。金屬在高速（sù）切削下，劇烈的摩擦和斷裂（liè）使得局部區域的溫（wēn）度在短（duǎn）時間內（nèi）就上升到很高的溫度。槍鑽加工中，熱量主要來自於金屬切肩的變形、鑽頭支撐墊與工件孔墊的摩擦（cā）以及切肩在刀具前傾麵的摩擦[13]，這些熱量都需要切（qiē）削（xuē）液（yè）進行冷卻。通過模擬鑽孔過程，獲得在不同轉速及進（jìn）給量下工件接觸（chù）區域的溫度變化，這些數據為深孔加工時的優化冷卻係統提（tí）供設計依據。由 於 D e f o r m 模擬鑽削過程，對汁算機的性能要求較高，模擬完整的孔加工（gōng）的過程需要（yào）較長的時間。通過設置鑽削仿真的步長，控製模擬的深（shēn）度以達到穩態（tài）加工。
 
    仿（fǎng）真條件設定•.仿真步數設:定為1000步 ，仿真的間隔步（bù）數（shù）設定為5 0 , 每 隔 5 0 步數據自動保存一次；Deform-3D 采用自適應網格劃分技術，工（gōng）件（jiàn）為塑性體，劃分網格用於計算切削力，采用絕對（duì）單元類型如圖5 所示，仿真結（jié）果如（rú） 表 3 所示。

  
    
  
          圖 5 深孔鑽的有（yǒu）限元模型（xíng）及鑽削過程（chéng）
  
               表 3 切（qiē）削速度與溫度隨步數（shù）的數據采集
       
  
  
     對 表 3 的數據進行分析處（chù）理，獲得三種工況下（xià）工件（jiàn）切削區域（yù）溫度隨步數（shù）的變化曲線如圖6 所示。
   
     圖 6 可（kě）以（yǐ）看出鑽削速度對工件（jiàn）接觸區域（yù）溫（wēn）度有較大的影（yǐng）響。鑽孔開始階（jiē）段，鑽頭和工件開始接觸，進給量大（dà），刀具衝擊工件（jiàn）劇烈作用致使開始的溫度變化很大且迅速上升。隨著鑽削趨於穩定，曲線總體變的平（píng）緩但仍有波動，這對深孔加工而言是正常的。因為鑽（zuàn）頭直徑較（jiào）小 .而 進 給 量 大 ，振（zhèn）動會持（chí）續存在。

    從 圖 6 還可知，鑽削速度對溫度有較大影響。隨著速度增加.鑽削溫度越來越高。從有限元模型結（jié）果看，不（bú）同（tóng）鑽削速度下產生的最高（gāo）溫度（dù）發生（shēng）在鑽尖附近的局部變形區域內，因為這（zhè）裏是塑性變形和刀肩摩擦比較集中的地方。
 

            圖 6 接觸（chù）區域溫度隨切削速度的變化曲線（xiàn）
  

    ( 2 ) 等效應力分布（bù）
 
    von M is e s應力是基於剪切應變能（néng）的（de）一種等（děng）效（xiào）應力，是一種（zhǒng）屈服準則（zé）。引入等效應力後（hòu），不管單元體受力狀態（tài）如何複（fù）雜，均可想象為承受數值上一個單向拉伸時的應力。而分析得到的（de）等效（xiào）應力和等效應變的對應關係（xì）則反映了工件材料由塑（sù）性變形引起的加工硬化通過有限元分析.得出了槍鑽在不同（tóng）鑽削速度下的等效應力（lì）變化的情況，仿真間隔步數（shù）為5 0 , 每（měi） 隔（gé） 50步數據自動（dòng）保存結果，如 表 4 所示。
 
        表 4 切（qiē）削速度與（yǔ）等效力隨（suí）步數的數（shù）據采集
  
    
  
    分析等效應力和步（bù）數之間的關係如圖7 所示（shì） ，可以看出，不（bú）同（tóng）主軸轉速（sù）對於工件（jiàn）加（jiā）工過程（chéng）中所受等效（xiào）應力沒有太大的影響，在一定範圍內波動，但三種加工情況下（xià）的最大等效應力變化（huà）趨勢（shì）非常相近。
  
  
    
  
  
    鑽削等效（xiào）應力圖7 中曲線表明了（le），鑽削初始階段應力較大。隨著鑽削深入（rù）趨於穩定，曲（qǔ）線總體下（xià）降並變得平緩。同（tóng）時通（tōng）過應力應變分析 ，槍鑽（zuàn）所受的最大等效應力為1550 M Pa，整體的（de）最（zuì）大位移（yí）為0.0823 m m。
 
    4 、結論
 
    利 用 D e fo rm 軟件有效模擬了深孔（kǒng）切（qiē）削（xuē）過程 ，分析了切削加工（gōng）中的溫度變化及（jí）應力變化，獲得（dé）了切削溫度與切削速度之（zhī）間的變化曲線，為研究（jiū）深孔加工的切削機理（lǐ）以及在（zài）實際（jì）加工時 .切 削 參 數 的 選（xuǎn） 取 、冷卻係統的設計都提供了（le）一定（dìng）的依據。