引言：
       鉆削是孔加工的一種基本方法，廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器零件的鉆孔；隨著非金屬材料在眾多設(shè)備中的普遍應(yīng)用，從汽車行業(yè)到航空航天，鉆削加工也變得日益重要。近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)鉆削工藝模擬方法進(jìn)行了研究，其中一些通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到鉆削過(guò)程中軸向力的公式；也有一些利用已有實(shí)驗(yàn)結(jié)論建立有限要素模型（FE模型）。
       鉆削工藝中的運(yùn)動(dòng)學(xué)較為簡(jiǎn)單，但工具幾何形狀相當(dāng)復(fù)雜。3D建模中的數(shù)學(xué)原理更是要求研究人員有相當(dāng)高的專業(yè)技能和水平。這對(duì)一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的數(shù)值模擬如毛刺形成、切削力預(yù)測(cè)、工具變形和溫度分布等帶來(lái)了諸多復(fù)雜性和困難。加之鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑在有限的排屑空間內(nèi)不能得到有效處理，更是增加了鉆削模擬的難度。
鉆削模擬：
       Galloway、Tsai和Wu首次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉆削幾何形狀（如雙曲面、橢圓形、圓錐形等）在磨削參數(shù)方面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的研究。Sambhav等人利用NURBS建模技術(shù)對(duì)不同麻花鉆的一般幾何形狀進(jìn)行建模。在雙參數(shù)曲面問(wèn)題上，建立起一個(gè)由弧線和直線組成的麻花鉆溝槽幾何形狀模型，求得切削刃和橫刃坐標(biāo)，以此解決表面-曲線相交的問(wèn)題。該數(shù)學(xué)模型利用了MATLAB技術(shù)。
       金屬切削工藝中數(shù)值建模最典型的方法是Lagrangian法和Eulerian法。Bagci和Ozcelik利用Third Wave AdvantEdge仿真軟件對(duì)AISI 1040鋼和Al7075-T651加工過(guò)程中的鉆頭溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。Li和Liang利用DEFORM軟件對(duì)高錳鋼鉆削處理工藝進(jìn)行模擬，并求得鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的鉆削力和碎屑量。Klocke也利用DEFORM軟件對(duì)AISI 1045鉆削加工時(shí)切削刃半徑的尺寸效應(yīng)和碎屑厚度對(duì)鉆削的影響進(jìn)行研究。Vijayaraghavan、Dornfeld、Li和Shih利用CAD建立了鉆削工具的實(shí)體模型，以此來(lái)展現(xiàn)FE模擬并求得鉆削溫度和切削力值。
       本文旨在計(jì)算出直線刃錐形麻花鉆的軸向力；利用CAD一方面建立麻花鉆的幾何形狀，另一方面建立3D幾何建模中所需工件的幾何形狀。實(shí)驗(yàn)中用到的方法有以下優(yōu)點(diǎn)：a）力值計(jì)算更加準(zhǔn)確；b）能夠?qū)崿F(xiàn)3D空間中力分布的計(jì)算；c） 能夠分別計(jì)算出每個(gè)切削刃的切削力；d）根據(jù)設(shè)定的切削參數(shù)模擬出不同的工具幾何形狀。實(shí)驗(yàn)為工具和未變形切屑所設(shè)計(jì)的3D實(shí)體模型可以用于有限單元法模擬和工具壽命計(jì)算等。
實(shí)驗(yàn)方法
       通用CAD系統(tǒng)利用應(yīng)用程序接口（API）將用戶手動(dòng)操作的指令進(jìn)行自動(dòng)化操作，這一特點(diǎn)可用來(lái)設(shè)計(jì)模擬制造工藝的設(shè)備。本研究利用CAD系統(tǒng)的API進(jìn)行鉆削模擬并開發(fā)出一個(gè)新的CADRILL軟件。
       上述軟件輸入數(shù)據(jù)由一系列參數(shù)組成，源于Galloway的數(shù)學(xué)描述；分兩類：一是決定工具主要形狀的幾何參數(shù)（R：工具半徑，mm。W：工具磨損厚度，mm。p：半頂角，°。h：螺旋角，°）；另一個(gè)是決定工具具體形狀的制造參數(shù)，該參數(shù)基于傳統(tǒng)的磨削方法（g：X軸上錐頂點(diǎn)的距離；s：y軸上錐頂點(diǎn)的距離；θ：半錐角；）此外，還有工件切割步數(shù)和進(jìn)給速度等參數(shù)，如圖一所示。

       Galloway 用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式描述了3D空間中的直線刃錐形麻花鉆。在CADRILL中，直接用CAD系統(tǒng)雞心領(lǐng)數(shù)學(xué)規(guī)劃，避免了用戶直接介入操作。根據(jù)輸入?yún)?shù)，一套實(shí)體模型由麻花鉆和兩個(gè)獨(dú)立的工件組成，工件模型建立所需的數(shù)據(jù)由用戶初始數(shù)據(jù)所得。第一個(gè)工件用于計(jì)算主切削刃的切削力；第二個(gè)工件用于計(jì)算由橫刃產(chǎn)生的切削力。由此，切削力的計(jì)算可以根據(jù)切削刃分為兩種類型。第一個(gè)工件根據(jù)工具的頂角進(jìn)行預(yù)成形，第二個(gè)工件是柱形零件，直徑相當(dāng)于橫刃直徑。兩個(gè)工件的深度調(diào)整到適合穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行模擬的數(shù)值。
       隨著工件的進(jìn)刀，根據(jù)初始數(shù)據(jù)可以得到鉆削的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。工具以常量步數(shù)向著負(fù)Z軸移動(dòng)并同事繞著Z軸以常量步數(shù)旋轉(zhuǎn)。在每一步中，兩個(gè)工件都分別進(jìn)行兩次布爾運(yùn)算：a）每一步模擬中，為求得剩余工件形狀，將工具從工件中減去；b）每一步模擬中，為獲得未變形切屑的3D幾何形狀，將工具與工件相交。未變形切屑最初的形狀在每一步中是不同的，經(jīng)過(guò)進(jìn)刀后，幾何形狀變得一致并達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。圖二為不同進(jìn)給速度下的未變形切屑幾何形狀，包括主切削刃和橫刃上的未變形切屑。隨著進(jìn)給速度增大，未變形切屑厚度也增大，但寬度保持不變。

       隨后，將未變形切屑的3D模型進(jìn)行分割以便獲得更精確的結(jié)果并減少外部厚度和內(nèi)部厚度的差數(shù)。分割后的3D實(shí)體模型幾何參數(shù)會(huì)被自動(dòng)識(shí)別并導(dǎo)入推力計(jì)算子程序。
CADRILL驗(yàn)證
       利用HAAS VF1 CNC加工中心做一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)CADRILL獲得的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試樣為CK60板；5223型多通道信號(hào)調(diào)理器；kistler測(cè)力儀；5697型數(shù)據(jù)采集單元。鉆頭參數(shù)：D=12mm，D=16mm，頂角118°。進(jìn)給速度為0.2、0.3、0.4和0.5mm/rev；切削速度為15、20m/min。為了區(qū)分總推力和主切削刃引起的推力，本研究共做了兩組實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)包括工件的直接鉆削，求得總推力；第二組實(shí)驗(yàn)對(duì)工具進(jìn)行預(yù)成形處理，在工具中間添加一個(gè)額外的洞孔，孔徑與橫刃直徑大小相同。
       圖三是直徑為12mm的鉆頭推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果；不同進(jìn)給速度和總推力及橫刃引起的推力都進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。跟預(yù)測(cè)的一樣，當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，總推力和橫刃引起的推力也隨之增大；當(dāng)切削力增大時(shí)，兩種推力也出現(xiàn)了明顯的但幅度較小的增長(zhǎng)。直徑為16mm的鉆頭也得到了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖四所示）。當(dāng)鉆頭直徑增大時(shí)，所有推力都隨之相繼增大。CADRILL獲得的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果都非常接近，這也證明了實(shí)驗(yàn)方法的可行性。此外，模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)麻花鉆都證明了橫刃引起的推力大致上相當(dāng)于總推力的三分之二。

結(jié)論：
       CADRILL設(shè)備可以利用麻花鉆和工件的3D實(shí)體模型進(jìn)行鉆削工藝模擬，它可以計(jì)算出鉆削時(shí)產(chǎn)生的推力并區(qū)分主切削刃和橫刃所產(chǎn)生的推力。根據(jù)未變形切屑的準(zhǔn)確計(jì)算就可以得到鉆削工藝模擬，所求數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)利用了直徑為12mm和16mm的麻花鉆，進(jìn)給速度為0.2、0.3、0.4和0.5mm/rev、切削速度為15、20m/min。 （編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）