钛合金是一种因其轻量化、高强度和优异的耐侵蚀性而备受青睐的质料,普遍应用于航空航天和生物医学领域[1]。。。。。。。。然而,钛合金的高强度也使得在其外貌举行钻孔变得具有挑战性,主要问题之一是加工钛棒钛板等钛合金质料历程中的刀具温度升高[2],可能会爆发切屑瘤等加工缺陷,从而导致钛合金质料的质量损失和工具寿命的缩短[3]。。。。。。。。因此,本研究旨在剖析钛合金钻孔历程中的温度场,对抑制刀具磨损、提高制孔质量有着主要意义[4]。。。。。。。。

本研究接纳Deform-3D软件,以其优越的有限元剖析能力,对钛合金钻削历程中的温度场举行建模与仿真[5],以深入明确加工历程中的热力学行为,为优化钛合金钻削历程提供新的理论和要领支持[6],推动钛合金加工领域的手艺前进,同时为相关行业的工程师和研究职员提供深入熟悉和指导意见,增进钛合金加工手艺的生长[7]。。。。。。。。

1、仿真模子的建设

1.1仿真几何模子

麻花钻模子通过第三方软件建模完成后直接导入Deform软件中,凭证麻花钻的尺寸标准,接纳直径为5mm的麻花钻,其网厚度为1.08mm,螺旋角为30°,顶角为118°[8]。。。。。。。。

工件模子的建设接纳软件自带的建模功效,通过输入圆柱体直径和厚度来自动天生工件模子,为减小盘算本钱,设置工件直径为15mm,厚度为2.5mm。。。。。。。。

1.2网格划分

Deform-3D提供了强盛的顺应性网格划分工具,使用户能够凭证模拟区域的特征自动调解网格的密度。。。。。。。。这意味着在高温或高应力区域,可以实现更详尽的网格划分,而在对仿真效果没有太大影响的区域,可以接纳相对较粗的网格[9]。。。。。。。。

在本研究的仿真中,刀具设置为刚体,接纳相对法划分网格,网格数目设置为20000个。。。。。。。。工件接纳绝对法,为了爆发较好的切削效果,设置最小单位尺寸为进给量的50%,尺寸比体现最大单位尺寸和最小单位尺寸的比值,默以为7。。。。。。。。

1.3质料属性的设置

钻头质料为WC硬质合金,直接选用Deform-3D软件的质料库中的WC质料。。。。。。。。工件质料为钛合金(Ti-6Al-4V),其主要性能参数如表1所示。。。。。。。。

钛合金的本构方程接纳Johnson-Cook(J-C)模子,J-C模子充分思量了温度、高应力-应变速率对证料本构模子的影响,其表达式如下:

其中,A、B、C、m、n为J-C本构方程最主要的五个参数,其寄义和数值如表2所示[9]。。。。。。。。

1.4界线条件及接触的设定

在Deform软件中举行仿真时,合理的界线条件和接触设置是确保仿真准确性和可靠性的要害因素。。。。。。。。以下是在模拟中所接纳的界线条件和接触设定的详细说明:

将工件完全牢靠后,设置界线条件,主轴转速为400RPM,进给量为0.1mm/r,钻孔深度为2.5mm。。。。。。。。界说接触条件时要设置接触面的摩擦系数、热传导系数,以及刀具的磨损模子。。。。。。。。将摩擦种类设定为剪切摩擦,摩擦系数定为0.6,热传导系数为45,另外,设置热对流系数为0.02N/sec/mm/c,情形温度为20℃,变形和温度求解器均为共轭梯度求解,接纳直接迭代要领[10]。。。。。。。。

为了研究钻削参数对钻削温度的影响纪律,主轴转速设置为400RPM、600RPM和800RPM三个水平,进给量设置0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r三个水平举行仿真实验。。。。。。。。

2、仿真效果与剖析

2.1钻削温度场的漫衍特点

如图1、图2所示为800RPM下钻头行程为1.25mm、2mm时钻孔的等温曲线图。。。。。。。。由图可知,钻削温度在轴向剖面内成“M”形漫衍,钻削温度会随着钻头历程的增添而逐渐增大。。。。。。。。温度最高的地方是主切削刃与工件的接触外貌,越靠近这个区域温度越高。。。。。。。。这是由于在刀具的切削作用下,金属在剪切区爆发塑性变形,这是爆发切削热的主要缘故原由之一。。。。。。。。别的,切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也会爆发大宗的切削热,导致温度升高。。。。。。。。而横刃与工件的接触外貌的温度较低,这是由于在钻孔时,横刃的作用是为了提供支持,减轻主切削刃的肩负。。。。。。。。它通常设计成较小的切削刃,镌汰与工件的直接接触,从而降低切削力,镌汰摩擦。。。。。。。。从图中也可以看出切屑带走了大宗的切削热量;通过上述仿真效果也可看出仿真效果靠近真实加工。。。。。。。。

2.2钻削参数对钻削温度的影响纪律

图3所示为进给量为0.1mm/r下主轴转速划分为400RPM、600RPM、800RPM时的温度场图;图4为600RPM下进给量划分为0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r时的温度场图。。。。。。。。

图5为进给量为0.1mm/r下,钻孔温度随主轴转速的转变趋势,图6为主轴转速为600RPM下,钻孔温度随进给量的转变趋势。。。。。。。。

由图3、图5可知,在进给量为0.1mm/r,主轴转速为400RPM、600RPM、800RPM下,钻头最先事情1s时,钻孔温度划分为197℃、277℃、406℃,随着主轴转速的增添,响应的工件切削区的温度也呈增添趋势。。。。。。。。首先,这是由于主轴转速越大,意味着钻头与工件之间的相对运动更为迅速,单位时间内,钻头切削刃钻削次数增多,做功多,爆发的热量也越多;其次,切削与刀具前面、刀具后面与工件接触摩擦次数也增多,再加上钛合金自己导热系数低,热量不可实时散去,爆发的热量都积累在钻屑和刀具之间,从而提高了制孔位置处的温度。。。。。。。。

由图4、图6可知,在主轴转速为600RPM,进给量划分为0.06mm/r、0.1mm/r、0.14mm/r下,钻头最先事情1.5s时,钻孔温度划分为373℃、564℃、663℃,随着进给量的增

加,响应的工件切削区的温度也呈增添趋势。。。。。。。。虽然在主轴转速稳固的情形下,随着进给量的增添,摩擦的距离变短,爆发的热量变少,可是进给速率的增添会导致更大的热输入,刀具在更短的时间内完成相同的钻孔深度,这会使切削区域的温度上升。。。。。。。。别的,进给速率的改变会影响切削力,高进给速率会增添切削力,而更大的切削力会导致刀具与工件之间的摩擦和热量的增添。。。。。。。。故虽然由于摩擦距离的缩短,爆发的热量镌汰,但总产热是增多的。。。。。。。。以是,进给量越大,工件切削区的温度越高。。。。。。。。

3、结论

本研究通过Deform-3D有限元仿真软件,模拟了WC硬质合金钻头钻削钛合金(Ti-6Al-4V)的历程,获得了钻削温度场漫衍特征,并探讨了钻削历程中主轴转速和进给量对温度场的影响纪律及缘故原由。。。。。。。。仿真效果批注在制孔时温度会随着钻头历程的增添而逐渐增大,并且转速和进给量对温度场有显著影响,随着转速和进给量的增添,钻头在切削和摩掠历程中爆发的热量也随之增添,导致温度场的温度升高。。。。。。。。因此,在现实钻削钛合金质料历程中,为阻止刀具温度过高导致切屑瘤等加工缺陷爆发,需选择合适的转速和进给量对其举行加工,以包管钻削效果,提高钻孔质量。。。。。。。。

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基金项目:本项研究事情获得了国家商用飞机制造工程手艺研究中心立异基金项目的资助,资助课题编号:COMAC-SFGS-2021-606

作者简介:易守华(1979—),男,湖南娄底人,博士,讲师,主要研究偏向:航空构件剩余应力与加工变形。。。。。。。。

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