第十二章钻削
本章导读：
钻削加工是孔加工的一种基本方法，在航空航天、汽车制造、电子等领域中的应用非常广泛，孔加工量约占机械加工总量的30%。
钻削力、钻削温度等参数对钻削加工性能有着重要的影响，因此有必要对钻孔机理进行深入的研究，模拟钻削过程对生产加工制造具有指导性意义。
Dform-3D自带有模拟钻削过程的模块，方便用户设置前处理参数。
本章在钻削模块中进行了钻削过程的模拟，并总结了钻削模拟过程中易出现的问题和解决方法。
12.1 钻削模块简介
用户进入钻削模块后，只需根据提示输入模拟所需的参数即可。
该过程包括进入钻削前处理界面、设置钻削运动参数、添加钻头及工件模型、划分网格、设置模拟参数、生成数据、模拟运算、后处理。
12.2前处理
本章对标准麻花钻钻孔过程进行了模拟，加工参数为：钻头直径d=6mm，转速n=1000r/min，进给量f=0.3mm/rev。
麻花钻材料为WC硬质合金，工件材料为AISI-1045（对应国标牌号为45号钢）。
12.2.1 新建项目
打开DEFORM-3D软件，进入DEFORM-3D主界面，单击【File】→【New Problem】，选择【Guided templates】中的【Machining[Cutting]】，SI单位制，如图12-1所示。
图12-1 新建项目
单击【Next>】,默认存储位置。
Problem name定义为Drilling，单击【Finish】进入切削加工前处理界面,如图12-2所示。
图12-3 前处理界面
12.2.2 钻削参数设置
Project name（项目名）默认，确定单位制为SI,单击【Next>】,Operation Name默认。
单击【Next>】，加工方式选择钻削【Drilling】，如图12-3所示。
图12-4 选择加工方式
单击【Next>】对钻削运动参数进行设置，本例中设置n=1000r/min,进给量f=0.3mm/r，如图12-4所示。
图12-5 设置运动参数
单击【Next>】进入工作环境和接触面属性设置界面，工作环境温度设置为20℃，摩擦系数0.12，热传导系数45N/sec/mm/℃[1]，如图12-5所示。
[1]经验认为一般不加切削液钻削时，合理的剪切摩擦系数值在0.5—0.6之间。
对流系数在不加冷却液时默认0.02，油冷时为2，水冷时为10。
图12-6 钻削条件设置
12.2.3 定义刀具
单击【Next>】进入刀具设置界面，如图12-6所示。
图12-7 添加刀具
刀具初始温度设置为20℃，勾选Calculate tool temperature（计算刀具温度）复选框，单击【Define a new tool】选项，在弹出的窗口中选择Create drillbit geometry选项，如图12-7所示。
图12-8 新建刀具
单击【OK】进入Geometry Primitive窗口设置刀具参数。
本例采用标准麻花钻，直径d=6mm，顶角2 =118°，螺旋角β=30°，钻尖厚度K=1.8mm，如图12-8所示。
图12-9 定义刀具几何尺寸
单击【Create】在前处理界面生成麻花钻模型，如图12-9所示
图12-10 麻花钻
单击【Close】关闭Geometry Primitive窗口，在弹出的窗口中选择Auto position（自动定位），如图12-10所示。
图12-11 自动定位
单击【Next>】,进给方向选择-Z方向，如图12-11所示。
图12-12 选择进给方向
单击【Next>】，选两条切削刃，钻尖直径为0，如图12-12所示。
图12-13 切削刃条件
单击【Next>】，为麻花钻定义材料如图12-13所示。
图12-14 加载刀具材料
单击【Import material from library】打开材料库，选择Tool material→WC硬质合金，如图12-14所示。
图12-15 材料选择
单击【Load】加载材料并关闭材料库窗口，如图12-15所示。
图12-16 材料加载
单击【Next>】，设置刀具涂层参数，如图12-16所示。
图12-17 刀具涂层设置
本例中的麻花钻为非涂层刀具，故不设置涂层，直接单击【Next>】，在弹出的窗口中选不保存到刀具库，单击【Finish】回到图12-6所示界面。
单击【Next>】在划分网格界面为刀具划分网格，本例刀具采用相对网格划分方式，网格数量20000[2]。
依次单击Preview→Generate mesh生成网格如图12-17所示。
图12-18 刀具划分网格
单击【Next>】设置刀具边界条件，如图12-18所示。
图12-19 边界条件设置
本钻削实例应用Deform-3D中的钻削模块，所以刀具的热交换面和温度已在模块中设置好。
[2] 本例中刀具被定义为刚性体，网格只有在温度计算时才会用到，所以网格划分要求不严格。
12.2.4 定义工件
单击【Next>】设置工件参数，本例设置工件为弹塑性体，温度20℃。
如图12-19所示。
图12-20 工件属性
单击【Next>】定义工件几何形状，设置工件为直径D=9mm、厚度T=3mm的圆板。
如图12-21所示。
图12-21 工件几何形状设置
单击【Create Geometry】生成工件几何形状，点【Next>】为工件划分网格，本例中对
工件采用绝对网格划分方式，设置工件网格最小单元尺寸为进给量的40%,比率为7[3]，点Generate mesh生成网格。
如图12-21所示。
图12-22 工件划分网格
单击【Next>】，工件边界条件默认（与刀具边界条件的设置相似），单击【Next>】为工件加载材料，选择材料库中的steel→AISI-1045(machining)。
12.2.5 模拟控制设置
单击【Next>】设置模拟控制参数，如图12-22所示。
图12-23 设置模拟控制
[3] 钻削工件划分网格时，考虑到切削也是网格形式产生的，故最小网格尺寸应小于单边进给量，故网格最小单元尺寸应小于进给量的50%，选择比率时不宜过大，否则仿真数据严重失真。
本例设置钻削深度为3mm ，刀具磨损参数[4]设为a=1e-5，b=855.单击【Advanced 】,在
模拟控制窗口中设置步数。
本例步数为1000步，存储增量为每25步存储一次，时间步长0.0002s [5]，如图12-23所示。
图12-24 设置模拟步
单击【OK 】回到图12-22前处理界面，单击【Next>】然后在下一步中分别点check data 和generate database 生成数据库文件。
然后在界面中单击（Quit ）按钮，在弹出的对话框中单击【Yes 】退出前处理，回到Deform-3D 主界面。
如图12-24所示。
图12-25 模拟运算
[4]刀具磨损Usui’s 模型：dt ve T b ⎰
=/-ap w 一般用于连续过程，如金属切削（扩散磨损）。
其中p —接触面压力; V —滑动速度; T —接触面温度; dt —时间增量;a 、b —实验校准系数，切削加工经典数值为：a=1.0e-5。
（或者1/vp ），b=1000，(接触面绝对温度的数量级)
[5] 设置钻削步长时，一般设刀具旋转约1°为一个步长，计算出1步≈0.0002s 时间步长。
12.3 模拟运算及后处理
单击【Run】开始钻削模拟。
钻削模拟会花费较长的时间[6]，模拟结束后，单击主界面中的Deform-3D Post进入Drilling（钻削）模拟的后处理界面。
如图12-25所示。
图12-26 后处理界面
在后处理界面中，用户可根据需求查看钻削过程中的参数。
下边就查看钻削轴向力给以演示。
单击后处理界面中的 Graph（load-stroke）按钮，显示Graph（load-stroke）窗口，如图12-27所示。
[6] 钻削模拟时间较长，操作系统（32位）上限制2GB文件的大小，当有限元运算文件大于2GB时，会产生一个新的DB文件，新的DB文件会在原文件名后加上运行的步数而命名，后处理时，一定要从第一个DB文件进入，提取所有的运算数据。
图12-27 Graph（load-stroke）窗口
在弹出的对话框X-axis选项选Time，Y-axis选项选Z load，然后点【Apply】，在显示窗口中会显示轴向力曲线，如图12-28所示。
图12-28 轴向力曲线
用户还可以根据需要查看其它参数，如应变、应变率、温度、扭矩等。
参考文献：
BRINKSMEIER E．Prediction ol tool fracture in drilling[J]．Annals of CIRP．1990．39(1)：97—105．（占30%）。