第６期（总第１９３期）
２０１５年１２月机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．６
Ｄｅｃ．
（）文章编号：１６７２４１３２０１５０６０４６２－６－０－０
基于Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ的钻削过程模拟
徐广晨
（）营口理工学院，辽宁 营口 １１５０１４
櫜摘要：采用有限元分析软件Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ对钻削过程进行了模拟仿真，建立了适应于钻削过程的三维有限元模 型，给出了仿真中相关参数的设置原则，分析预测了钻削过程中工件的载荷、温度变化。将仿真数据和传统经验公式计算结果进行了对比与分析，验证了Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ对钻削过程仿真的有效性和正确性，也为钻削工艺 参数的优化奠定了基础。
关键词：Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ；有限元法；钻削过程
中图分类号：ＴＰ３９１．９∶ＴＧ５２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
钻削加工是孔加工的一种基本方法，在机械加工、电工电子、汽车制造等领域中有着非常广泛的应用。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
］１－３
，钻削过程对生产加工制造具有指导性意义［本文
［］
在Ｄ对麻花钻和工ｅｆｏｒｍ３Ｄ软件４－６平台的支撑下，
件进行三维有限元建模，模拟钻削加工过程，并分析钻削过程中刀具所受的载荷和温度变化情况。１ Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ钻削过程模拟仿真 １．１ 模型的建立
本文使用Ｄ工ｅｆｏｒｍ提供的工件模块完成钻头、件的几何建模。麻花钻的主要几何尺寸为：钻头半径
，。工件的几何顶角α＝１螺旋角ｈ＝３Ｒ＝３ｍｍ，１８°０°
尺寸为：直径Ｄ＝９ｍｍ，厚度ｔ＝３ｍｍ。钻削加工模拟示意图如图１所示。
二者的基本物理属性如表１所示。
材料ＷＣ硬质合金ＡＩＳＩ１０４５－弹性模量
ＧＰａ６５０ —
泊松比０．２５ ０．３
表１ 钻头及工件材料的物理属性
热传导率
／（Ｗｍ·Ｋ）
５９
随温度变化
比热容
／·Ｋ）Ｊ（ｋｇ
１５
仿真模式为热传递Ｉ国际标准单位制， 仿真采用Ｓ
（），和变形（设仿真步数为ＨｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
时间步长为０．一般设刀具旋转约１０００步，０００２ｓ（
）。钻头沿－Ｚ为一个步长，经计算１步≈０．１°０００２ｓ
轴进给，钻削运动参数为转速和进给量。在进行网格划分时，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，本文选定网格最小单元尺寸小于进给量的５网格划分采用Ｒ０％。因此，ｅｌａｔｉｖｅ
钻头网格数为２ｍｅｓｈｓｉｚｅ方式，００００，ｓｉｚｅｒａｄｉｏ设为
２，最小单元边长为０．０４ｍｍ；工件网格数为
并将工件中欲切除部分附近４００００，ｓｉｚｅｒａｄｉｏ设为７，
进行局部网格细化，最小单元边长为０．０３ｍｍ。刀具
［］
’即：磨损模型选用适合于金属切削的Ｕｓｕｉｓ模型７－８，
图１ 钻削加工模拟示意图
１．２ 模拟参数设置
对标准麻花钻钻孔过程进行模拟仿真时，设置麻
，花钻为刚性体（材料为ＷＣ硬质合金；工件为Ｒｉｉｄ）ｇ
），。弹塑性体（材料为ＡＥｌａｓｔｏＰｌａｓｔｉｃＩＳＩ１０４５（４５钢）－－）２０１４０００２櫜营口理工学院院青年自然科学基金资助项目（；修订日期：２收稿日期：２０１５１２０１５０１－０－２－１－１
ｖＴ为接触面温ｐ度；取ａ为０．ａ和ｂ为实验校准系数，００００００１，ｂ为
并生成数据库文件。８５５。设置完成后检验仿真数据，
１．３ 运行模拟仿真
图２为Ｄ同时也是切屑形ｅｆｏｒｍ钻削过程仿真（
。在钻削仿真过程中，成的过程）Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ能根据有
限元分析方法和材料断裂准则模拟形成连续的切屑，这一过程通过钻削接触区域的网格重划分保证了仿真的精度。２ 结果分析
仿真结束后可通过Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ后处理模块查看钻
∫：其中为接触面压力；为滑动速度；
ｂＴ－
ｗ＝ａｖｅｄｔ．ｐ／
（）１
，男，辽宁营口人，讲师，在读博士，研究方向：机械制造仿真。作者简介：徐广晨（１９８４－）
基于Ｄ０１５年第６期 徐广晨：ｅｆｏｒｍ３Ｄ的钻削过程模拟 ２
·４７·
削过程中刀具的载荷、温度、应力及磨损等参数的变化。
分析得出钻削刃上温度变化的总体规律为钻削中温度
沿着切削刃由内至外逐渐升高，横刃中间处温度较低。
图２ 钻削过程Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ仿真
２．１ 钻削过程中载荷分析
钻削过程中轴向力和扭矩的变化曲线如图３、图４所示。从图３、图４分析得，随着刀具不断切入工件，轴向力和扭矩先变大后趋于稳定。这是因为随着钻头
导致前刀面和与切屑的接触长度不断增加直至稳定，
最终至稳定钻削过程。切屑的摩擦力也先变大后稳定，
但当切削力的大小趋于稳定时，轴向力和扭矩在一定
这是由于在仿真过程中通过范围内还是在上下波动，
即时网格的自动划分来模拟切屑的变形和工件与断裂面分离引起的。
图５ 钻削过程的温度变化云图图６ 工件等效应力变化云图
图３ 钻削过程轴向力变化曲线图
图４ 钻削过程扭矩变化曲线图
２．２ 钻削中的温度分析
钻削中，切削热主要由金属的摩擦以及大变形引起，而切削区的热量主要由工件、刀具、切屑以及其他
其中大部分热量被切屑带走。所以在介质传导散热，
钻削过程中产生的切削热对刀具的磨损、扭矩以及切屑成形都会产生很大的影响。
图５为钻削过程的温度变化云图。从图５中可以
随着切削量的增看到切屑刚离开工件时其温度最高，
加，切屑的温度逐渐降低，但钻削温度整体依然较高，可见钻削过程的切削热主要是由切屑产生和传导出去的。
图６为工件等效应力变化云图，在钻削区域刚产
其等效应力最大，产生较大的变形能，同时生切屑时，
由于钻头的切削刃与工件摩擦也较大，摩擦产生的热量
这样由等效应力产生的变形能与主要集中于钻削区域，
摩擦产生的热量叠加在一起导致了钻削区域温度很高。
图７为钻削刃上三点温度变化情况。从图７中可
变化趋势也大致相同；以看出，ＰＰ１与Ｐ３点温差不大，２
点的温度与Ｐ变化趋势也较为平缓。Ｐ１、３点相比较低，
３ 经验数据与仿真数据对比
扭矩３．１ 用传统经验公式计算钻削轴向力、
钻削时轴向力Ｆ扭矩Ｍｃ的传统经验计算公式ｚ、［９］为：
（）ＦＣＦｆｄｚＫＦｆ．２ｆｙｚ＝ＦＦｆｆｚｙ（）Ｍｃ＝ＣＭｃｄＭｃ３ｆＭｃＫＭｃ．
、、其中：ＣＦｆ、ＣＭｃ为系数；ｄ为钻头直径，ｍｍ；ｚｙＦＦｆｆＨＢ０．６
、Ｍｃ为指数；，ｚＫＦｆ＝ＫＭｃ＝（）ＨＢ为工件材料Ｍｃｙ２００的硬度。
通过切削实验和查表得：ＣＦｆ＝２３８０．７１４，ＣＭｃ＝ ０．２８７９，ｚ＝０．９３，＝１．０６，ｚ＝１．９４， ｙｙＭｃ＝ＦＦＭｃｆｆ／、钻头直径ｄ＝６ｍｍ的８１。在进给量ｆ＝０．１ｍｍｒ０．
计算出钻切削力Ｆ扭矩工况下，０９７．４５Ｎ， ｚ＝１
Ｍｃ＝１４４１．６３Ｎｍ。 ３．２ 数据对比与分析
将仿真数据结果与传统经验公式计算结果进行比较，并进行误差分析，结果如表２所示。
表２ 仿真数据与经验数据的比较
仿真数据９８４．８９
１２５４．７２ １０．２５
参数
轴向力（Ｎ）扭矩（Ｎ·ｍｍ）误差（％）
经验数据１０９７．４５
１４４１．６３ １２．９６
图７ 钻削刃上三点温度变化情况
得出如下结论： 对表２的数据进行分析，
）（１Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ是一个强大的基于有限元方法的
通过它的前处理模块可以有效地切削工艺仿真软件，
对钻削过程进行仿真，计算得出的钻削中的载荷数值已接近理论计算值。
）在此次仿真中由于采用的是剪切摩擦模型，（２
因此载荷的计算有了一定的误差，如果将古典摩擦因数与修正摩擦因数相结合，引入摩擦模型的计算中，则
仿真精度将进一步提高。更能真实地反映加工过程，
）由于此次仿真所用计算机的性能所限，（数据３
（下转第５０页）
·５０·
机械工程与自动化 ２０１５年第６期
，态时，最大应力值为４发生在链锯液压缸与７．３ＭＰａ链锯壳铰接点处。铰接点材料４５钢的屈服极限为
，取安全系数为１．则允许最大应力值为３５５ＭＰａ５，。两种状态分析结果都符合实际情况，证２３６．７ＭＰａ
明边界条件施加正确，且最大应力值都小于材料许用最大应力值，证明设计结构强度足够，完全满足使用要求。
图８ 有限元模型 图９ 抓具夹抱状态应力结果 图１０ 链锯锯切状态应力结果
：参考文献４ 结论
［］］曹晓邨．液压缸结构设计的有限元法［机床与１Ｊ． 杨秀萍，本文设计了一种多功能林木采伐抓锯，并对其夹（）：液压，２００４１１０８１０９．－抱机构和锯切机构进行分析完善，使其运动特性更好。［］长春：２８０型轮式装载机结构部件性能分析［Ｄ］． 王克军．
吉林大学，２００８：６３．根据设计机构尺寸建立抓锯Ｃ然后对模型ＡＤ模型，
［］，，彭先勇陆中良李受人，等．３ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的液压进行静力学分析。结果表明，设计结构合理可靠，完全］：湖北工业大学学报，油缸多目标优化设计［Ｊ．２０１１（４）
锯切树木的功能及强度要求。能够满足抓锯抓取、７９８１．－ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｎａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｓｉｓｆｏｒ ｇｙ
ＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＦｏｒｅｓｔＦｅｌｌｉｎＧｒａｂ ｇ
，ＰＵＳｈｕａｉＬＩＵＪｉｎｈａｏ －：Ａ，，Ａｂｓｔｒａｃｔｋｉｎｄｏｆｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｏｒｅｓｔｆｅｌｌｉｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｃｕｔｔｉｎａｎｄｓａｗｉｎｔｈｅｔｒｅｅｓｉｓｄｅｓｉｎｅｄｔｈｅｓｔｒｕｃｒａｂｒａｂｂｉｎ －ｇｇｇｇｇｇｇ
，／ｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｄｅｖｉｃｅｓｏｆｔｈｅｒａｂｉｓａｎａｌｚｅｄａｎｄｔｈｅＣＡＤ ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒａｂｉｓｓｅｔｕｂｕｓｉｎＰｒｏＥ．Ｄｅｓｉｎｅｄｒａｂｃａｎｏｅｎｔｏ ｇｙｇｐｙｇｇｇｐ
１４８１．３７ｍｍ，ｃａｎａｔｒｅｅｏｆｍｉｎｉｍｕｍｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ５１．５２ｍｍ．Ｓｔａｔｉｃｓａｎａｌｓｉｓｉｓｍａｄｅｉｎｔｈｅｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｗｏｒｋｓｔａｔｅｓｂｕｓｉｎｒａｂ ｙｙｇｇ
，，ｒａｂＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ１４．５ｔｈｅａｎａｌｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｔｈｅｄｅ －ｇｙ
，ｓｉｎｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｆｕｌｌｍｅｅｔｓｔｈｅａｃｔｕａｌｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． ｇｙｑ
：；；；Ｋｅｗｏｒｄｓｆｅｌｌｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｓｉｓｒａｂ ｇｇｙｇｙ
（，，）ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＢｅｉｉｎＦｏｒｅｓｔｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１０００８３，Ｃｈｉｎａ ｇｙｊｇｙｙｊｇ
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆参考文献：（上接第４７页）
［］］刘强．钻削过程的动态仿真分析［装备维修技１Ｊ． 张伟，采集的密度不够，如果将网格划分的数量和精度提高、
（）：术，２０１３３２７３０．－数据采集的步长减小，则载荷的波动将减小，仿真精度［］周利平，吴能章．基于Ｄ２ｅｆｏｒｍ３Ｄ的钻削力仿真研 杨军，
将得到较大提高。］，，（）：究［工具技术Ｊ．２００７４１４５０５３．－［］，，王磊王贵成马利杰钻削加工有限元仿真的研究进展３．），（ 用传统经验公式计算载荷时通常采用乘上４
［］，，（）：工具技术Ｊ．２００７４１８８１２．－修正系数的方法来适应不同的加工条件，若修正系数［］４ｏｎｏＭ，ＮｉＪ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｄｉ Ｂ －不精确，则计算出的载荷误差较大。因此，必要时还需］ａｍｅｔｅｒａｎｄｃｌｉｎｄｒｉｃｉｔｏｆｄｒｄｒｉｌｌｅｄｈｏｌｅｓ［Ｊ．Ｉｎｔｅｒｎａ －ｙｙｙ
，，将三者数据通过试验获得反映真实工况的试验数据，ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ２００１
（）：４１１５２２６１２２７０．－。进行综合比较分析
［］５ｈｉｒａｋａｓｈｉＴ，ＵｓｕｉＥ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｓｉｓｏｆｏｒｔｈｏｏｎａｌ Ｓ ｙｇ
４ 结论［］，，ｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｒｏｃｅｓｓＪ．ＪａａｎＳｏｃＰｒｅｃＥｎ９７６４２ ｇｐｐｇ１
本文采用Ｄ（）：ｅｆｏｒｍ３Ｄ有限元软件仿真钻削过程 ５３４０３４５．－［］６ａｌｉｄａｓＳ，ＫａｏｏｒＳＧ，ＤｅｖｏｒＲＥ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｍａｌ Ｋ ｐ的金属大变形问题。仿真结果表明该软件可以较精确
，：ｅｆｆｅｃｔｓｏｎｈｏｌｅｕａｌｉｔｉｎｄｒｄｒｉｌｌｉｎａｒｔ１Ａｔｈｅｒｍａｌ ｑｙｙｇＰ 地模拟钻削工艺参数对加工结果的影响，同时也为优［］ｍｏｄｅｌｏｆｗｏｒｋｉｅｃｅｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｓＪ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｎｕｆａｃ －ｐｐ
化钻削工艺参数以及钻削刀具提供了依据。虽然钻削，，（）：ｔｕｒｉｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎ００２１２４２２５８２６６． －ｇｇｇ２
［张平宽，王慧霖．有限元仿真与实际加工过程有着一定的差距，但可以７］Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ钻削仿真时常见问 张东明，－］（）：题分析［工具技术，Ｊ．２０１１，４５１１５５５７．－肯定，随着有限元理论的日趋完善、计算机硬件的飞速
［］闫鹏飞不锈钢钻削加工有限元仿真及试验研究［沈８ ．Ｄ］．
钻削模拟精发展以及切削机理研究的不断深入研究，阳：东北大学：２０１０：３９４１．－度将进一步提高。［］中国石油物资装备总公司．常用金属材料切削数据手册９
［北京：石油工业出版社，Ｍ］．１９９５．
ＤｒｉｌｌｉｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｏｒｍ３Ｄ ｇ
ＸＵＧｕａｎｃｈｅｎ －ｇ
：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｒｉｌｌｉｎｒｏｃｅｓｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｏｒｍ３Ｄ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆ － ｇｙｐ
，，ｄｒｉｌｌｉｎｒｏｃｅｓｓｉｓｓｅｔｕｔｈｅｓｅｔｔｉｎｒｉｎｃｉｌｅｓｆｏｒａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｉｖｅｎａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐ ｐ ｇｐｇｐｐ ｐｇ
ｏｆｉｅｃｅｓｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｗｏｒｋａｒｅｂｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄａｔａａｎｄｔｈｅｄａｔａｆｒｏｍｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｕｓｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｐｐｙｇｇ
，ｅｍｉｒｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｅａｒｅｃｏｍａｒｅｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｏｖｅｓｔｈｅｖａｌｉｄｉｔａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｈａｓｌａｉｄａｂａｓｅｆｏｒ ｐｐｐｙ
ｄｒｉｌｌｉｎａｒａｍｅｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｉｃａｌｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ． ｇｐｇｐ
：；；ｒｏｃｅｓｓＫｅｗｏｒｄｓＤｅｆｏｒｍ３ＤＦＥＭｄｒｉｌｌｉｎ ｐｇｙ
（，Ｙ）ＹｉｎｋｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｉｎｋｏｕ１１５０１４，Ｃｈｉｎａ ｇｇｙｇ
