摘要
钻加工技术在机械加工行业中具有生产效率高、孔加工精度高、表面粗糙度低等特点，尤其硬质合金和涂层刀具的应用，使得钻被广泛应用于中小深孔领域的加工，但它同时也存在制造工艺复杂，刚度低，不适合大深孔的加工等问题；球墨铸铁材料因生产工艺简单，成本低廉，机加工量小和易切削性特点，在机械、汽车行业也得到了较快发展，但是针对球墨铸铁深孔加工的研究较少，而钻作为深孔加工的刀具，其与普通的钻削加工有很大的不同，所以为了提高球铁深孔加工效率、加工质量及钻寿命，本文综合利用理论模型计算、有限元仿真分析对钻切削机理进行了深入研究，并且通过不同切削条件下钻切削性能做出了对比分析与判断。 本文首先通过钻的结构特点对钻钻削过程进行了分析研究，借助能量模型并通过积分的方法对钻钻头的受力求解建立了钻的受力平衡方程。
其次利用推导的力学模型进行数值计算分析了刀具几何参数与钻削力和切削力矩的变化规律，并通过Deform-3D软件对钻的关键几何参数进行钻削有限元仿真分析研究了钻头受力、钻屑形态以及切削过程温度变化。
最后通过钻加工球墨铸铁的单因素切削试验，分析了切削参数与钻削力和切削力矩的变化规律，并对钻的孔加工质量进行了研究，分析了孔径、圆柱度及粗糙度随切削参数的变化规律，同时研究了钻的磨损机理以及切屑与切削参数的关系。
结果表明，力学模型有效，转速大于2800r/min，进给速度在0.020 ~0.028 mm/r之间，采用合理分屑措施能够取得良好的孔加工质量。
关键词：硬质合金钻；球墨铸铁；有限元分析；钻削
Abstract
Gun drilling is a high efficient and high precision deep-hole processing method in the modern machinery manufacturing industry, especially as the development of the carbide alloy and coated cutters, extensively adopted in the world, but it also exists some shortage such as complex processing manufacture, low rigidity, not proper for big diameter hole. Ductile iron has characteristics of simple production process, low cost, low removal and free-cutting machinability, so has been widely used in the machinery and the automotive industry, but the ductile iron deep-hole drilling are f
ew researches. Therefore, in order to improve ductile iron’s hole quality machining efficiency and tool life, the present research was focused on the study of ductile iron cutting mechanism of welding carbide gun drill by way of theoretical mode and finite element simulation analysis, meanwhile analyzed the cutting performance under different conditions of cutting parameters.
Firstly, Equilibrium equation was established by means of the comprehensive analysis of structural characteristics of gun drill and used specific e nergy model of twist drilling and the method of integrating to analyze and calculation thrust force and cutting torque mathematical expression.
Secondly, Use Matlab to numerical calculus the previously equation to analyze the relationship between tool geometrical parameter and thrust force and cutting torque for tool selection of the future experiment, and use the finite element analysis software Deform-3D to analysis the drilling force, drilling chips and the temperature of the drilling process.
At last, single factor experiment of drilling ductile iron was used to study the change rule of thrust force and cutting torque with the cutting parameters. Hole machining quality was evaluated through a multi-criteria consisting of the output measures that were hole-diameter, cylindricity and roughness, found out ideal cutting parameters in order to achieve the quality hole dimensional and g
eometric tolerance, and the wear mechanism as well as the relationship between the chip form and cutting parameter was studied.
The results indicate that when use the speed over 2800r/min, feed between 0.020mm/r and 0.028mm/r, and reasonable chip removal method, we can obtain high quality level during deep hole drilling.
Keywords: Gun-drill, Mechanical model, Finite element analysis, Drilling
目录
摘要...................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................. II 第1章绪论.. (1)
硅胶模具制作1.1 课题背景及研究意义 (1)
1.2 钻技术国内外研究现状 (2)
1.2.1 钻刀具几何尺寸研究 (3)
1.2.2 钻钻削力及切屑研究 (3)
1.2.3 加工过程有限元模拟仿真研究 (4)
1.2.4 加工质量研究 (4)
1.3 本文主要研究内容 (5)
第2章硬质合金钻的理论模型研究 (6)
2.1 引言 (6)
2.2 硬质合金钻钻头的几何结构和受力分析 (7)
2.2.1 主切削刃上的受力分析 (9)
2.2.2 钻头平面上的受力分析 (11)
2.3 钻的力学模型建立 (13)
2.4 本章小结 (14)
第3章钻钻削力算例及钻削过程有限元仿真研究 (15)
3.1 引言 (15)
3.2Matlab 模拟计算设置 (15)
3.2.1 Matlab材料定义 (15)
3.2.2 编程及计算参数设置 (16)
3.3 Deform-3D有限元仿真设置 (17)
3.3.1 钻削仿真材料 (17)
3.3.2 钻削过程参数仿真设置 (18)
3.4 结果分析 (20)
3.4.1 Matlab计算结果分析 (20)
3.4.2 Deform-3D 仿真结果分析 (22)
3.5 本章小结 (25)
第4章钻钻削球墨铸铁材料实验研究 (26)
4.1 引言 (26)
4.2 实验条件 (26)
4.2.1 实验机床与刀具制作 (26)
s100无人机4.2.2 实验平台的搭建及力学信号的采集 (27)
rca插座4.2.3 实验方案设计及参数测量 (28)led柔性霓虹灯
4.3 实验结果分析 (29)
4.3.1 进给量的影响 (29)
4.3.2 转速的影响 (29)
4.4 加工精度分析 (31)
4.4.1 切削参数对孔径的影响 (31)
4.4.2 切削参数对圆柱度的影响 (31)
4.4.3 切削参数对粗糙度的影响 (32)
有源噪声控制4.5 刀具磨损状态及切屑形状 (33)
4.5.1 刀具磨损状态 (33)
4.5.2 切屑状态 (34)
4.6 本章小结 (36)
结论 (37)
带通滤波器设计参考文献 (38)
(41)
致谢 (42)
个人简历 (43)
第1章绪论
1.1 课题背景及研究意义
从上世纪80年代开始制造业快速发展，产品加工精度在逐年提高，新技术新工艺的需求也在逐步的加大，深孔钻削在机械加工中的地位也是越来越高。有详细资料表明在钻削加工在机械加工领域高达三
分之一的占有量，特别是深孔钻削，其在钻削领域能够达40%以上，可以看出深孔钻削是机械加工行业的重要性。通常加工深度与内径比大于5的孔称之为深孔加工[1]，所以涉及到刀具长，刚度差以及强度较低的原因导致涉及面广以及技术难度较大，同时与其相关的钻削设备、加工工艺、钻头刀具以及冷却控制系统等多个方面都会影响到深孔钻削，尤其是刀具的影响。
钻早在上世纪30年代初就被用于生产管，其具有单刃、自排屑和自动润滑、自导向特点的深孔钻削刀具[2]，而面对尺寸公差与质量的高要求，钻同样可以满足要求[3]。目前在中国比较知名的有德国TBT钻，德国Botek，美国Star，国内的钻市场几乎被国外品牌所占领，在国内对钻研究比较好的主要有王峻带领的科研队伍，并且取得了一些可喜的成果，但是总体在国内对深孔加工尤其是钻的研究非常的缺乏[4]。
图1-1 钻钻削结构图
从图1-1可以看出，钻主要有三部分组成：钻头、钻杆以及刀柄。钻
头与刀杆之间通过高频钎焊方式连接在一起，钻削过程中钻头起主要钻削作用，所以刀头几何参数对于加工性能以及表面质量来讲尤为重要。
目前钻技术发展迅速，30mm以下的深孔加工普遍都使用钻进行钻削，在合适的加工工艺条件下，
借助其导线条导向定心及碾压作用的特点，通过一次连续进刀便可达到需要钻、扩、铰多个工序才能完成的加工质量：孔尺寸能
钻柄
导向套切屑
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