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BTA深孔钻削机理与刀齿钻削力仿真分析与实验研究

师毓华  
【摘要】:BTA深孔钻削以其加工效率高、产品质量好以及加工性能稳定而成为目前广泛采用的一种深孔加工技术。BTA深孔钻削采用内排屑自导向的加工原理,BTA钻头的刀齿为非对称布置,钻削过程刀齿和导向条的受力及其分布对其稳定性与刀具磨损具有重要的影响。本文以BTA钻削为研究对象,采用有限元模拟仿真与实验结合的方法对钻削过程切屑的形成特点与变形规律,以及BTA钻头刀齿钻削力及其分布规律进行了系统的研究。阐述了金属切削过程切屑的形成机理与变形规律,讨论了BTA钻削系统以及错齿BTA钻头的工作原理,分析了钻削力的来源,建立了错齿BTA钻头的力学模型。根据BTA钻削的特点,确定了采用钻削等径圆柱体试件与环状单元试件的模拟仿真方案,建立了BTA钻削仿真几何模型,选择Johnson-Cook模型为试件材料本构模型与分离准则,确定了刀具与工件接触类型。运用限元分析软件ABAQUS建立了三种典型结构BTA钻头有限元仿真模型,实现了钻削过程模拟仿真。分析了BTA钻削过程切屑的形成特点与各个刀齿切屑的变形规律,结果表明,随着切削速度与工件曲率半径的逐渐减小,刀齿切削条件逐渐变差,切屑变形加剧,挤压变形愈加严重。获得了三种典型结构BTA钻头刀齿钻削力三向分量,揭示了不同结构钻头对钻削力三向分量的比例关系的影响。研究并获得了不同钻削用量与不同结构钻头单位刀齿钻削力三分量沿半径的分布规律。搭建了BTA钻削实验研究平台与钻削力测试系统,对三种典型结构BTA钻头钻削过程进行了实验研究,获得了刀齿整体钻削力三向分量与单位刀齿钻削力三向分量时域波形,研究了单位刀齿钻削力随工件半径分布规律,结果表明,单位刀齿钻削力呈现出随着半径增大而增大的非均匀分布趋势。实验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真分析的正确性。研究结果为BTA钻头的设计与优化提供了理论依据。


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