关于连续干钻麻花钻的有限元和温度变化的实验研究的外文翻译Word格式文档下载.docx

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在干钻中，钻孔工具要能够承受恶劣的环境条件，包括高温，摩擦力和大型机械和热负荷。

切削过程中，热特性的重要性已经提升了。

是由于在现代材料去除过程中高速切削的突出。

许多实验，分析，和数值计算方法已经确定了在切割过程中存在的温度值。

有研究认为，影响刀具涂层的温度在钻进过程的[1]；

影响钻切削刃[2]；

和影响干式钻孔的直径和圆柱度[3]。

在干式钻孔中其它的使用的模型为了预测热量流入工件,[4];

并为了麻花钻已应用的分析模型[5]。

研究人员还比较了实验和分析结果[6]；

比较了干式钻孔和湿式钻孔中孔的质量[7]；

并应用于数值分析[8].此外，用有效的审查的方法来测量切削刀具与工件和刀具与切屑之间的温度在文献中被详细的记载[9–11].

在钻进过程中，影响切削刀具性能和工件属性的因素是在钻头和芯片之间的切削温度。

切削温度直接影响孔的特性，例如直径，垂直度和圆柱度，还有表面粗糙度和刀具磨损。

传统上，发生在材料去除中切削刀具温度变化的实验和数值调查是一直关注的问题。

最近，工程上正在采用有限元（FEM）方法计算切削温度已经进行了。

陈[12]开发的三维有限元模型，它能够计算温度分布这可能发生在钻头工具和沿侧面的第一切割边缘处；

以及傅[13]在切削工程中采用三维有限元方法来计算温度分布在常规钻头上。

在这项研究中，关于切削厚度，切削速度，腹板厚度，和螺旋角对温度的影响已经研究过了。

Agapiou和devires[5，6]已经分析计算了关于在侧面和切削刃麻花钻的温度分布来解释在切削过程中的热现象。

他们也提供了一个在实验和分析结果两者之间的一个比较。

另一方面，agapiou和史蒂芬森[14]已经用随意的几何图形为钻头描述了瞬态计算模型和稳态钻头温度模型。

此外，他们还通过实施焊接热电偶和细线热电偶接头的方法来比较分析结构和实验结果。

尽管在文献中提供了有关车削和磨削的综合性实验工作，但是还是很少有工作指示用于计算机钻孔温度的。

波诺[2–4]开发了一个能预测热流到工件的一个模型，并且能过调查在干钻中在出现孔直径和圆柱度中热量的影响。

此外，他还提出了一个在数值模拟和实验结果之间的一个比较。

卡利达斯测量工件的温度为了确定在干和湿钻中钻孔涂层对孔质量的影响。

为此，把四个热电偶插入到工件中，为了测量各种进给速度和主轴钻速的温度值。

在这项工作中，连续地干燥钻进操作对钻头温度和压力的影响为7075T-651铝合金和钢1040材料被实验性地和数值上所研究。

一个明确的有限元分析已应用于预测干钻中钻头的温度。

从实验研究和有限元分析中获得的结果进行了比较。

2实验装置和切削条件

这个干钻切削实验涉及德国德马吉公司装备的一个用最大主轴为12000钻每分钟的钻速和15千瓦驱动电机的60匹5轴数字控制铣床。

图1展现了被使用的数字控制铣床。

数控零件程序是在英特尔奔腾四（2.0GHz）电脑上的计算机辅助设计/计算机辅助制造软件设计的。

2.1切割条件

在连续干钻中为了观察进给率和不同材料的影响，实验测试在表1三种不同测试条件下运行。

钻头温度和推力在每个顺序钻进测试中被记录，以及总共三个重复（九个钻进过程）执行。

在这项研究工作所用材料分别为铝7075-T651和AISI1040钢。

对于每个顺序钻进过程中，三个工件材料和刀柄ＳＫ40GEWEFA-05.029.002-Ø

2-25）被使用。

工件材料被固定在刀柄上。

钻进过程顺序地进行，并未工件为每次顺序钻进每5秒测量一下改变时间。

洞的深度保持在35mm不变当考虑到顺序干钻对钻头温度的影响时。

图１.在实验中使用的数控铣床和数据测量设备

表1.钻进测试的条件（钻孔深度＝35ｍｍ）

材料试验号　　　　　主轴钻速　　　　进给速率

（钻每分）　　（毫米／钻速）

铝合金7075-651125470.1

225470.15

钢1040314330.08

2.2刀具和工件材料

一个山特维克钻具（代码R8401000目录A1A）用于钻进AISI1040和铝7075-T651材料（见图2）。

钻进工具的尺寸和机械性能在表2中有显示。

三把涂有锡的直径为10毫米的硬质合金钻头被使用，并且每个钻头使用三倍。

在试验中，工件由直径为25毫米，长度75毫米的7075-T651铝航天合金与1040钢材料组成的。

表3和表4提供了关于工件材料的化学成分和力学性能详细的信息。

图2.钻进工具（代码r8401000a1a）

表2.钻头工具的尺寸和机械性能

刀具直径10毫米

长笛2长笛

刀具伸出47毫米

钻尖角140度

螺旋角30度

柄式圆柱

涂层（2层）锡涂层

图3.热电偶插入通过硬质合金钻头内部冷却剂的油孔内

2.3温度和压力测量

该设备和该地方的响应时间是温度测量在这个切削过程中最重要的地方。

采用的设备应能获得快速的温度数据以及可以能在大范围温度下工作。

在这项研究中，温度是通过用直径127微米的粉煤灰聚四氟乙烯涂层钾式热电偶来测量的。

该热电偶能测量500°

的温度，及其响应时间是10微秒。

热电偶插入到通过硬质合金钻头内部冷却剂的油孔内，并固定在靠近钻头，如下图3中所示。

然后放进一个专门设计的夹具钻中，并固定在测功机的机器表上（见图4）。

一个有三部分组成的奇石（瑞士）9527广管局压力测力仪用来测量切削力。

测力传感器由四分之三组成安装在一个高负荷之间的一个基板和盖板中。

力组件实际上是无位移的。

盖板是安装有一个特殊的热绝缘层，使测功机的温度影响不敏感。

力的数据是通过连接到万用表上用放大器来测量的伏特得到的。

温度和力的测量时同时进行的。

在图4a和4b中，温度和力测量的设计实验同时展出来。

图4.a实验装置的特写照片b原理示意图

表3.材料化学成分（%）

铝7075-T6511040钢

锌硅锰铬钛铝铜碳硅锰磷硫

0.50.130.300.280.2base2.00.390.240.710.020.03

表4.材料力学性能

工件材料极限抗拉应力屈服应力密度伸长率硬度

（兆帕）（兆帕）千克/立方米（%）布氏硬度

钢1040515350784525170

铝7075-T651570505280011160

3实验结果和讨论

一个新的实验装置是用来测量温度变化，并在连续干钻中应用铝7075-T651和钢1040。

在这项研究中，温度和力量的数据是对应于每一个实验条件的。

因为这个钻头是固定的，通过空气冷却效果小于正常条件下。

假定这个冷却的影响很小。

这个实验和有限元研究是在连续干钻中遇到不同进给率和材料时进行温度变化的测量。

在铝7075-T651和钢1040材料的连续干钻过程中，观察到温度随着钻洞的增加而增加。

铝7075-T651材料以进给率0.1毫米／钻速和主轴钻速2547转来顺序钻。

第一，二和第三洞的温度测量值是180℃，200℃和210℃，分别（参见图5）。

下一步，铝7075-T651材料在以进给率0.15毫米／钻速和主轴钻速为2547转进行顺序钻。

在这里，第一，二和第三洞的温度测量值是198℃，205℃和210℃，分别（参见图6）。

图5.在连续钻进工艺下以7075-T651铝合金材料测量温度值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图６.在连续钻进工艺下以7075-T651铝合金材料测量温度值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图7.在连续钻进工艺下以1040钢材料测量的温度增加值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图8.在连续钻进过程中钻削力对7075-T651铝材料的影响　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图９.在连续钻探过程中钻削力对钢1040材料的影响　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1040钢材料以进给率为0.08毫米／转速和主轴转速1433转来进行顺序钻。

第一，二和第三孔的温度测量值为320℃，348℃和360℃，分别（参见图7）。

切削力在7075-T651铝合金和1040钢材料的连续干钻过程中分别测量，如图8和9.　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

4用有限元方法来计算钻头温度数值

温度分布在机械加工的发展中已经在实验研究和理论分析之间研究了很多年了。

然而，大多数在机械加工温度的研究中以不限于正交切削等；

只有少数被用于非正交切割中如钻，磨和铣等。

钻进是一个复杂材料去除过程。

该钻头有一个复杂的形状，因此，模拟演习是一个艰难的过程。

钻井与斜角切削过程相似［16－19］．此外，参数等倾角，倾斜角度和切削速度随钻半径而变化。

在钻角水平上模型模拟切削，这小的长度可以被认为是正交切削，如图10所示［17］。

在这项研究中，钻头的温度用第三波AdvantEdge有限元软件进行分析，这是一个明确的动态热力耦合拉格朗日的有限元模型，这是专门为了机械加工操作研发的。

一个明确的有限元分析进行预测关于连续干钻中钻头温度的影响。

为了模拟出顺序钻进过程，在以往的钻进过程中钻头的机械和热状态必须被用作在钻进过程的初始条件中；

第三波advantedge软件提供了这些属性。

钻头温度和应力分布在不同连续钻进过程中明显的显示出来；

交错耦合方法瞬态力学及传热分析方法被使用[15，21]。

在一个典型的加工操作中，高应变率在超过100000每秒就可以在初级和中级剪切带中就可以获得，而其余的工件变形在中等或低等应变率中获得。

在机械加工过程中有限元模型可以提供更多的数据实验，但也需要更多的该材料的机械属性知识。

第三波AdvantEdge集成有限元数值和分析材料模型更适合机械加工操作。

该材料的行为时根据1和2的模型分析出来的：

是有效应力，

是累积塑性变形，

是一个参考的塑性变形率，g是流动应力，m1和m2分别是底和高应变速率敏感性指数，并且

是应变率阀的分隔制度。

在计算时，当地的牛顿—拉夫逊根据低速率方程；

如果不是

，就要切换到高速率方程。

电源硬化规律模型采用热软化。

其中n是硬化指数，

是当前的温度，

是初始屈服应力，在参考温度

，

是参考塑性应变，

是热软化因子[20]。

在连续干钻过程中，铝7075-T651和1040钢用有限元法进行了分析。

在这个分析中，对7075-T651铝合金施以进给速度为0.1毫米/转和2547转的主轴转速，以及对1040钢施以进给速度为0.08毫米/转和1433转的主轴转速。

图10.在麻花钻切削刃上可以使用的正交切削模型

图11中显示了7075-T651铝合金在第一和第二钻进作业过程中切屑-刀具接口的温度分布。

从图11可以看出，它的第二次钻进孔的温度（237℃）比第一次钻进孔的温度（210℃）要高。

第一次钻孔的温度发现时180℃和210℃，以及第二次钻孔的温度是200℃和237℃获得的这些温度数据来自实验研究和有限元法，分别（见图11）。

就对于第一和第二次钻出孔的钻头温度来说，在数值结果和实测数值之间的平均差异分别小于14%和16%。

实验法和有限元结果发现彼此类似。

钻孔的质量是一个错误的功能由于动态的过程和在钻/工件热条件的影响。

切削工具在对决定刀具的磨损中起着重要的作用。

图12a,b,c分别展示出了在钻进过程之前，以及经过第一和第二次钻孔之后钻头的温度分布。

图13a和b分别展示了关于钻头的有效应力影响以及第一和第二次钻孔之后有效应力的影响。

图14中显示了钢1040材料在第一和第二钻进作业过程中切屑-刀具接口的温度分布。

从图14可以看出，它的第二次钻进孔的温度（315℃）比第一次钻进孔的温度（343℃）略高。

第一次钻孔的温度发现时325℃和315℃，以及第二次钻孔的温度是348℃和343℃获得的这些温度数据来自实验研究和有限元法，分别（见图14）。

就对于第一和第二次钻出孔的钻头温度来说，在数值结果和实测数值之间的平均差异分别小于3%和1.5%。

实验法和有限元法结果发现彼此类似。

有限元模拟是在2.0GHZ的英特尔奔腾四个人电脑上进行的。

图11.a.b.对于7075-T651铝合金材料a是第一次钻孔切削温度和b是第二次钻孔切削温度

图12.a-c.对于7075-T651铝合金材料a是钻进过程之前的切削温度，b是第一次钻孔之后的温度以及c是第二次钻孔之后的温度

图13.a,b.对于7075-T651铝合金材料a是第一次钻孔时的切削有效应力b是第二次钻孔时的切削有效应力

图14.a,b.对于1040钢材料a是第一次钻孔的切削温度b是第二次钻孔的切削温度

5结论

在这项研究中，介绍了在连续干钻操作下麻花钻的钻头温度分布，以及通过热电偶方法测量温度比较的。

钻头温度通过插入标准的热电偶到涂有锡的硬质合金钻头的冷却液（油）孔内来测量的。

实验研究是使用铝合金7075-T651和钢1040工件材料进行研究的。

在7075-T651铝合金和1040钢材料的连续干钻过程中，观察到随之也钻孔数量的增加温度也增加。

当一些孔的数目增加时，目前还没发现切削力发生变化。

此外，一个明确的有限元分析被应用于关于7075-T651铝合金和1040钢材料在连续干钻时钻头温度的预测。

从实验研究与基于拉格朗日的有限元结果分析的比较所获得结果。

在测量和分析温度结果之间的好的协定适应于连续干钻。

鸣谢作者要感谢盖布泽技术研究所的研究基金主席的支持（项目第02-b-03-08-01），以及来自于土耳其为了使第三波AdvantEdge可用制作了商业代码的萨班哲大学教授ErhanBudak。

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