基于MQL的锆基块体金属玻璃钻削仿真研究.pdf

基金项目：国家自然科学基金（）；辽宁省“兴辽英才计划”（）收稿日期：年 月基于 的锆基块体金属玻璃钻削仿真研究梁正一，杨赫然，刘寅，孙兴伟沈阳工业大学机械工程学院；辽宁省复杂曲面数控制造技术重点实验室摘要：锆基块体金属玻璃拥有强度高和硬度大等优异的物理和化学性能，因此在航空航天、医疗和电力等领域具有广阔的应用前景。在对其进行钻削加工时，加工区域温度高且升温快，因此表面易发生由非晶体向晶体转化的现象，从而影响金属玻璃的优异性能。为分析钻削金属玻璃时热力学特性，探究温度和切削力随切削参数的变化规律，以块体金属玻璃为研究对象，微量润滑（）为辅助，基于有限元仿真分析 对钻削金属玻璃温度的影响。研究切削速度、进给速度等切削参数对加工区域温度及切削力的影响，并与未施加 工况进行对比。仿真结果表明，可以使金属玻璃表面最高温度降低约 ，刀具最高温度下降约 。相比于进给速度，主轴转速对温度的影响更大，实际加工时，取主轴转速为 和较低进给量可以有效降低工件表面升温速率。通过钻削仿真，可以归纳出金属玻璃的钻削过程中温度分布情况、温升规律及轴向力随切削参数的变化情况，为实际钻削试验时切削参数的选取提供参考。关键词：有限元分析；金属玻璃；钻削温度；轴向力中图分类号：；文献标志码：，：，（），：；?引言锆基块体金属玻璃是一种全新的高性能金属材料 。因其它具有优良的力学、物理和化学性能而广泛应用于航空航天、医疗和电力等高端领域。在金属玻璃切削加工时，存在切削表面温度高，加工表面烧蚀、表面晶化以及刀具黏结磨损严重等问题，恶化表面加工质量，从而导致加工效率低。由于切削过程产生高温，金属玻璃容易发生性质的根本变化 由非晶体向晶体的转化，使金属玻璃的优异性能丧失。为此，切削液可以有效降低金属玻璃加工中产生的温度，且选择合适的切削参数也尤为重要。微量润滑作为一种新型的低成本、绿色环保的加工技术，广泛应用于加工领域。微量润滑技术不同于传统的浇注式冷却润滑，通过微量的切削液（一般为 ）与高压空气混合雾化后形成微米级切削液颗粒，高速喷射到加工区域，以此来达到冷却和润滑的效果。由于切削液的量很小，加工 具 技 术工完的工件表面几乎观察不到切削液的残留，同时也能改善切削条件并保护环境 。等 发现在高转速和高进给条件下钻削 时会产生火花、加工表面氧化和刀具磨损严重等问题，因此，为提高钻削后表现加工质量，提出加入切削液的一种加工思路，并给出了适用的主轴转速和进给速度范围。等 研究了高速钢和硬质合金刀具在不同进给速度、主轴转速和钻头直径下对 钻削结果的影响，发现硬质合金刀具比高速钢更适合钻削 。在 钻削中加入切削液，获得了具有良好表面光洁度的钻孔。等 采用高速钢和硬质合金刀具钻削金属玻璃，发现相比于硬质合金刀具，采用高速钢钻削 时，光发射现象更剧烈。通过多组钻削试验，给出了无发光、孔堵塞和碎屑堆积的可行切削条件。等 开展 的钻削试验以探究钻削温度、切削力随切削参数的变化情况。发现切削速度增加后，钻削区温度随之逐渐增加。温度升高导致工件材质软化，钻削力降低。当温度达到过冷液相区时，金属玻璃会出现热软化现象，并开始出现黏性特征。钻削结束后，衍射未发现金属玻璃的晶化现象。张卫国 用热电偶测量钻削 时的温度，探究不同切削参数对温度的影响，发现钻削过程产生的热量随转速的增加而升高。当钻削速度为 ，高温导致孔壁软化变形、钻孔表面粗糙，并在钻孔口处残留大量的熔融钻屑和毛刺；当钻削速度低于 时，钻孔的表面精度得到显著提高。丁峰等 通过优化冰冻切削工艺，实现锆基非晶合金的高速铣削加工，同时避免切屑燃烧发光，能够获得高质量的无晶化加工表面。同时发现金属玻璃是难切削加工的材料，高速和低速条件下的加工结果均不佳，高温会造成光发射现象，提出在加工过程引入冷却技术的建议，也表明低温加工会给刀具带来挑战 。等 将 应用于钻削 ，结果表明，连续的 供给对刀具寿命有益，提高了工件表面质量，中断 会导致刀具寿命显著下降，刀具内部润滑比外部润滑的温度降低 。税妍等 对比了在 与切削液浇注式冷却润滑条件下的刀具寿命，发现微量润滑在较小切削深度时的刀尖寿命接近传统浇注式润滑。覃孟扬等 对比不同润滑条件下的刀具耐用度发现，在常温条件下，无论粗加工还是精加工，浇注式冷却润滑的刀具耐用度最优，耐用度要小于浇注式冷却润滑。李海峡等 通过对比微量润滑、水溶性切削液和切削油冷却等常见润滑技术的优缺点，分析了 替代传统切削液在切削加工中的利弊。等 根据麻花钻几何形状和钻削参数建立钻削模型，模拟毛刺的形成过程。仿真结果发现随着进给率的增加，毛刺高度和厚度都会增加。在仿真基础上，优化了刀具的几何形状和钻削参数，减少了毛刺的产生。目前，微量润滑技术在金属玻璃钻削中的应用已成为一种趋势，而仿真分析方法可以有效分析切削过程中工件与刀具的物理状态变化情况 。因此，本文以块体金属玻璃为研究对象，利用 软件在微量润滑条件下对其进行钻削仿真研究，针对有无 的钻削过程进行分析，在此基础上对 工况下切削参数对温升及轴向力的影响程度进行分析。?金属玻璃钻削仿真?仿真试验方案本次钻削仿真试验工件材料为锆基块体金属玻璃，其厚度为 ，直径为 。麻花钻顶角为 ，材料为硬质合金，直径为 。与无润滑状态的切削参数设置见表 。状态下的单因素试验切削参数设置见表 和表 。刀具三维模型见图 。金属玻璃和刀具的各项仿真材料参数分别见表 和表 。表 与干钻状态的切削参数对比 无润滑刀具转速 进给速度 摩擦系数 散热系数刀具 ，工件 无表 条件下主轴转速对试验参数的影响试验序号转速（）进给速度（）表 条件下进给速度对试验参数的影响序号转速（）进给速度（）图 刀具三维模型 年第 卷 表 金属玻璃仿真材料参数参数数值密度（）杨氏模量（）泊松比 热膨胀系数（）热传导率（）比热（）硬度（）玻璃化转变温度（）结晶温度（）熔化温度（）表 刀具仿真材料参数参数数值密度（）杨氏模量（）泊松比 热传导率（）比热（）?仿真过程分析固定工件四周，限制其自由度为 ，初始环境温度为 ，选取钻头刀柄端部中心参考点 ，给定其旋转速度和进给速度，仿真模型边界条件的设定见图 。图 仿真模型边界条件的设定金属玻璃在钻削过程中会产生塑性变形，采用 本构模型描述该过程，准则计入了中间主应力的作用，并考虑了静水压力对屈服过程的影响，能够反映剪切引起的膨胀性质。模型需要确定的参数有五个，分别是剪胀角 、摩擦角 、拉压强度比 、凝聚力 、塑性应变，模型参数见表 。表 模型参数剪胀角（）摩擦角（）拉压强度比 凝聚力 （）塑性应变 采用动力、温度位移、显示的方法模拟钻削过程，设置添加所需输出结果的物理量（如力和温度等）。为了减少计算机作业时间，质量缩放因子取 ，稳定时间增量设置为 ，其它设置为默认即可。忽略刀具磨损，将刀具设为刚体，刀具设为主面，工件设为从面，刀具和工件接触设置为面面接触。干式钻削时接触属性中摩擦系数 ，钻削时摩擦系数取 ，同时工件膜层散热系数取 ，刀具与工件表面的换热百分比为默认值。工件网格单元形状为六面体扫掠，算法采用中性轴算法，为保证计算精度和效率，工件网格划分为切削区和基体，即切削区网格数量较密，网格数量 个。网格类型为 ，八节点热耦合六面体单元，三向线性位移，三向线性温度，减缩积分，沙漏控制。刀具网格单元形状为四面体自由，使用默认算法，网格数量 ，网格类型为 ，四节点热耦合四面体单元，线性位移，线性温度。?仿真结果?钻削过程和应力分布当加工参数为主轴转速 、进给速度 的干式钻削加工时，钻削过程主要分为刀具与工件接触、钻入和穿透工件三个阶段。当钻头进入工件时，横刃挤压使其产生变形，主切削刃参与钻削，钻削主要压进和剪切行为。由于钻头横刃的挤压，材料表层产生变形，当变形区所受应力超过材料固有的断裂强度时，材料会被去除，随着钻头的进给，变形区域逐渐扩大。主切削刃逐渐参与钻削过程，切削区的材料逐渐被挤压且堆积到前刀面，进而在入孔处形成毛刺。当麻花钻运动到工件底端时，切削刃与工件发生挤压和剪切作用，使得材料发生塑性变形、拉伸和撕裂，当钻削刀具完全贯穿工件时，出孔处材料沿着钻孔边缘撕裂，因不能被及时切除而形成带钻帽的均匀毛刺，钻削过程见图 。（）材料被挤压（）产生变形（）材料堆积（）材料去除，入孔产生毛刺工 具 技 术（）出孔产生毛刺和钻帽图 钻削过程如图 所示，入孔毛刺的尺寸较小，残余应力范围较大；相比之下，出孔毛刺的尺寸较大，残余应力范围较小且主要集中在毛刺上，这与相似条件下张卫国所得到的出入孔形貌相似 。入孔残余应力最大半径 ，最大处应力值约为 。（）入孔残余应力云图（）出孔残余应力云图（）出入孔形貌图 出入孔形貌及残余应力?干式和?钻削工件时的刀具温度分布金属玻璃钻削过程中产生的热量来源于塑性变形作功和摩擦作功，这些功几乎全部转化为热量，除少量散发在周围介质中外，大部分传入刀具和工件已加工表面。图 为干式钻削与 工况下工件加工区域的温度对比。图 为无润滑工件温度分布情况，无润滑时，金属玻璃自身导热性很差，钻削时产生的热量不易向周围扩散，温度主要集中在孔壁、刀尖与工件接触点，最高温度为 ，接近锆基金属玻璃的结晶温度；如图 所示，在 条件下，油雾颗粒降低了刀具与工件和切屑的摩擦系数，提高了钻削区域的散热能力，热量不易集中，散热速度更快，使得钻削最高温度显著下降，最高温度为 ，低于其玻璃化转变温度。刀具温度对比见图 。图 中，钻头外侧的线速度最大，发热最严重，温度最高处位于前刀面和主、副切削刃交汇处的区域，温度最高为 ，以同心圆形式向周围递减。可见，在无润滑的情况下，钻头切削刃及导向部分刃带的温度较高。由图 观察可得，加入微量润滑后，刀具最高温度为 ，同时后刀面温度下降约 ，且温度梯度更广，散热速率更快。由仿真结果可以看出，切削温度分布具有一定的规律性：刀具主、副切削刃交汇点温度较高，此处与线速度最大有关，工件孔壁与刀尖接触区域的温度最高。（）无润滑工件温度分布（）条件下工件温度分布图 无润滑与 工件温度对比（）无润滑条件（）条件图 刀具温度分布对比钻削金属玻璃时，由于润滑液难以完全进入区域刀尖部位，该区域的热量主要传递给了工件、切屑以及刀具，传热效率非常低，导致刀刃始终处在高温环境内，长时间工作后切削刃将首先被严重烧伤或磨损。区域与钻孔底面、区域与切屑之间的间隙很小，即使切削液勉强可以进入，换热效率也较低。根据钻削深度的不同，可以把刀具温度变化过程分为 个阶段：钻入阶段、钻削初期阶段、钻削中后期阶段和钻出阶段。当加工参数为主轴转速 、进给速度 时，刀具温度变化对比见图。阶段，随着钻入深度的增加，材料去除量迅速增加，随之产生的热量也相应增加，温度迅速升高；阶段 ，在钻头外缘切削刃切入工件初期的一段深度之内，材料去除速率增大，温度升高，条件下产生的热量与外界对流换热散失的热量几乎一致，宏观体现就是切削温度基本不变；阶段 ，随着钻削深度的增加，摩擦发热严重，热传递效率较低，切削热的产生速率不变，无润滑时温度基本在 上下浮动，此阶段产生温度极值，但在 条件下，刀具散热更快，温度逐步下降，的作用在此阶段得以显现；阶段 ，随着钻头钻出材料端面长度的变化，材料去除减少，随之产生的热量也减少，切削温度降低。由图 可以看出，主要降低钻削中后期的温度。年第 卷 图 刀具温度变化对比?切削参数对温度的影响图 为进给速度一定时，刀具与工件孔壁温度随转速变化趋势。随着转速的提高，刀具温度逐渐提高，转速 时温度呈线性增长趋势，增长率 ，增幅较慢，转速 后，增长率 ，增幅加快，转速 时，温度最高达到 。对于工件孔壁来说，随着转速的增加，温度先下降再逐步提高，转速 钻削温度最高达到 ，高于其结晶温度，可见主轴转速对钻削温度的影响很大。图 刀具温度随转速变化规律块体金属玻璃和刀具的温度随进给速度的变化情况如图 所示。一定进给速度范围内，随着刀具进给速度的增加，块体金属玻璃和刀具的温度随之升高，但温升幅度在逐渐降低。当进给速度为 时，块体金属玻璃的温度出现小幅下降。五种参数下的工件温度均未超过其玻璃化转变温度（）。?干式与?钻削时的切削力对比工件底部受力云图见图 和图 ，无润滑底部最大轴向力约 ，条件下为 ，二者数值相差不大，最大力集中在出孔边缘和外圆处。出孔处受力 和 的方向向上，外圆处受力 和的方向向下，这些力会产生弯矩，造成薄壁工件易向下弯曲，工件底部受力见图 。图 温度随进给速度变化（）无润滑工件底部受力云图（）条件下工件底部受力云图（）工件受力分析图 工件底部受力对比及受力分析 与无润滑钻削的轴向力相差不大，也与温升后材料出现软化层有关。热软化效应指温度升至材料熔点附近时，材料硬度显著降低的现象。对于非晶态这样没有固定熔点的材料，热软化效应更显著。如图 所示，无润滑时加工区域温度升高，出现软化层。软化层温度大约为 ，此处材料会发生软化，使得切削力变小；使得金属玻璃温度降低，但是其硬度依然很大，虽刀具与工件间摩擦力较小，然而材料去除困难，切削力很大，导致出现无润滑与 条件对切削力相差不大的结果。图 热软化层?切削参数对轴向力的影响图 为主轴转速对轴向力的影响。进给速度为 ，主轴转速分别为 ，时，随着转速的增加，刀具所受轴向力呈先降低再增大的趋势，工 具 技 术 时最大，受力 。这种变化趋势是由于随着转速升高，刀具横刃受力增加，同时钻削区温度提升，使得金属玻璃材料发生软化现象，切削力减小，同时刀具与切屑之间的摩擦力减小，使得轴向力先减小再增加。图 轴向力随转速变化图 为进给速度对轴向力的影响。转速为 时，随着进给速度提高，钻削过程中刀具所受最大轴向力增加，进给速度达到 时，轴向力最大为 。相比于转速，进给速度对轴向力影响的复杂程度较低，进给量越大，单位时间内的材料去除量越大，切削力也随之增大。图 轴向力随进给速度变化?结语基于 对锆基块体金属玻璃的钻削加工过程进行有限元仿真，对金属玻璃在钻削加工过程中的热力学特性进行了研究，得到了钻孔形貌、钻削温度和轴向力的模拟仿真试验结果。阐述了 的冷却润滑效果，分析 条件下不同切削参数对钻削温度、切削力的影响规律，结论如下。（）当主轴转速为 、进给速度为 时，相对于干式钻削，可以显著降低刀具和工件温度，工件表面最高温度降幅为 ，使其低于金属玻璃的晶化温度，且刀具的散热速度更快。（）相比于进给速度，刀具转速对温度的影响较大。钻削温度随着主轴转速的增加而呈升高趋势。进给速度不变，当主轴转速在 范围时，温度出现小幅度下降，证明该转速范围内的 的冷却效果较好。主轴转速不变，温度随进给速度的增大而升高，且温升幅度逐渐变缓。（）相比于主轴转速，进给速度对轴向力的影响更大。由于受到金属玻璃热软化的影响，对切削力的降低效果并不明显，但是切削力波动比较稳定。实际加工时，取 和较小进给速度合适，此时力与温度相对其他加工参数较低，同时可以保证加工效率。参考文献 丁峰，王成勇，赖子健，等 锆基非晶合金冰冻切削加工特征及其无晶化加工工艺研究 机械工程学报，（）：裴宏杰，王世伟，陈少峰，等 轴承钢微量润滑加工后的耐腐蚀性 机械设计与制造，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：张卫国 块体金属玻璃的切削性能研究 秦皇岛：燕山大学，丁峰，王成勇，赖子健，等 锆基非晶合金冰冻切削加工特征及其无晶化加工工艺研究 机械工程学报，（）：，：，：，：（），（）：年第 卷 税妍，赵琦，邓亚弟，等 微量润滑技术代替切削液的工程应用研究 工具技术，（）：覃孟扬，徐兰英，潘小莉，等 低温微量润滑刀具耐用度试验研究 机械设计与制造，（）：李海峡，赵庆军，申绍旭，等 基于 的切削加工技术应用 工具技术，（）：，（）：王磊，王贵成，马利杰 钻削加工有限元仿真的研究进展 工具技术，（）：徐高飞 金属玻璃（）切削加工刀具磨损形态研究 秦皇岛：燕山大学，金蒙，赵岩，赵光光，等 基于 本构的 型金属玻璃激光加热辅助切削仿真研究 高技术通讯，（）：张晓琴 镍基高温合金在低温冷风射流微润滑条件下的切削研究 西安：西安石油大学，第一作者：梁正一，硕士研究生，沈阳工业大学机械工程学院，沈阳市 ：，通信作者：杨赫然，副教授，沈阳工业大学机械工程学院，沈阳市 ：，收稿日期：年 月 直槽机用丝锥磨削开裂原因分析与探讨张林，王振宇，翟彦召，刘阳阳河南一工钻业有限公司摘要：直槽机丝在磨槽后易出现批量开裂，从断口形态、生产过程、金相组织、非金属夹杂物以及磨削应力等不同角度进行分析，探究导致机丝磨削开裂的各种因素。原材料中 含量偏高会导致耐磨性增加，含量高会导致夹杂物增多，磨削烧伤会导致磨削应力大；磨削应力在牙底集中，当超过材料的断裂极限时会导致产品出现批量开裂。关键词：高速钢；机丝；磨削；开裂；热处理；夹杂物；磨削应力中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言机用丝锥是一种常用的内螺纹加工工具，在批量加工小孔径内螺纹时几乎都采用其进行攻丝。攻丝通常在底孔上进行，切削和排屑都在极其狭窄的空间。攻丝往往是机加工的最后一道工序，机用丝锥断裂可能会导致整个工件报废，造成经济损失。由于机用丝锥断裂的影响极大，去除难度大，阻碍了工序正常生产，因此在机用丝锥的生产加工中必须进行严格的质量控制，防止机用丝锥在攻丝过程中开裂。机用丝锥材料以高速钢为主，通用的机用丝锥材料为 （）高速钢，新的 （）材料也在逐步推广应用中。相较于 材料，材料的含钒量从 提升到 左右，含钒量更高，含碳量亦同步提高，所以 具有更高的硬度、韧性和红硬性。随着含钒量工 具 技 术