Streszczenie: Obróbka głębokich otworów zachodzi na siebie pod zamkniętym progiem, a stan skrawania narzędzia nie może być bezpośrednio obserwowany.Oprogramowanie do symulacji formowania plastycznego metalu DEFORM-3D służy do dynamicznej symulacji procesu wiercenia głębokich otworów metodą elementów skończonych, przewidywania zmian temperatury i naprężeń w procesie obróbki, porównywania zmian temperatury i naprężeń równoważnych przy różnych parametrach wiercenia oraz uzyskać krzywe zmian temperatury skrawania i równoważnej siły lewej przy różnych prędkościach skrawania.Wyniki pokazują, że temperatura skrawania wzrasta wraz ze wzrostem głębokości skrawania i stopniowo utrzymuje się na stałym poziomie;Temperatura skrawania jest proporcjonalna do prędkości skrawania, natomiast siła efektu niewiele zmienia się wraz ze zmianą parametrów skrawania.
Słowa kluczowe: głęboka dziura Rugong;D eforma -3D;Wiercenie
Obróbka głębokich otworów jest jednym z najtrudniejszych procesów w obróbce otworów, a technologia wiercenia głębokich otworów jest uznawana za kluczową technologię technologii obróbki głębokich otworów.Tradycyjna metoda obróbki jest czasochłonna i pracochłonna, a precyzja obróbki głębokich otworów nie jest wysoka, pojawia się również problem częstej wymiany narzędzi i ryzyko złamania narzędzia [1].Wiercenie lufowe jest obecnie idealną metodą obróbki.W procesie obróbki głębokich otworów rura wiertnicza jest cienka i długa, łatwa do odchylenia, generuje wibracje, a generowane ciepło i ramię tnące nie są łatwe do rozładowania.Bezpośrednia obserwacja stanu skrawania narzędzia nie jest możliwa.Obecnie nie ma idealnego sposobu monitorowania zmian i rozkładu temperatury w obszarze skrawania w czasie rzeczywistym [w].Tylko doświadczenie może być wykorzystane do oceny, czy proces cięcia jest normalny, słuchając dźwięku cięcia, obserwując wióry, dotykając wibracji i innych zjawisk związanych z wyglądem.
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem technologii sprzętu komputerowego i symulacji numerycznych, technologia symulacyjna zapewnia skuteczny naukowy i technologiczny sposób rozwiązania tego problemu [4].Wiercenie symulacyjne ma ogromne znaczenie dla poprawy dokładności obróbki, stabilności i wydajności głębokich otworów.Obecnie niektórzy uczeni mogą pośrednio oceniać lub przewidywać proces przetwarzania z wyprzedzeniem za pomocą zaawansowanych metod pomiarowych i analizy oprogramowania.Na przykład Ding Zhenglong z Xi'an Jiaotong University i inni badacze stworzyli internetową platformę pomiarową do pomiaru wewnętrznej średnicy głębokich otworów [5], ale procesu przetwarzania nie można było monitorować online;niektórzy inżynierowie udoskonalili technologię obróbki głębokich otworów, zmieniając tradycyjną konstrukcję obrabiarki.Na przykład, aby zapobiec zarysowaniu ścianki otworu przez ramię skrawające po obróbce, zastosowano wrzeciono obrabiarki w konstrukcji odwróconej, a ciężar własny cieczy obróbkowej i ramienia skrawającego został wykorzystany do bardziej płynnego odprowadzania wiórów z rowka w kształcie litery V rury wiertniczej [6] i innych środków, Skutecznie poprawia jakość wiercenia.
W niniejszym artykule do dynamicznej symulacji procesu wiercenia wykorzystano oprogramowanie do symulacji formowania plastycznego metalu Def 〇 rm-3D;Uzyskuje się zmiany temperatury i naprężeń przy różnych prędkościach skrawania, a efekt obróbki głębokiego otworu jest z góry przewidywany, co stanowi podstawę do projektowania i stosowania chłodziwa do obróbki głębokich otworów.
1. Zasada działania i technologia wiercenia wiertarki pistoletowej
1.1 Zasada działania wiertarki pistoletowej
Wiertarka lufowa jest głównym narzędziem do obróbki głębokich otworów.Charakteryzuje się dobrą dokładnością i małą chropowatością powierzchni po jednym wierceniu [7].Podstawową konstrukcję wiertła lufowego pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1 Podstawowa struktura wiertła pistoletowego
Wiertarka składa się z głowicy, rury wiertniczej i uchwytu.Głowica jest kluczową częścią całej wiertarki lufowej, która jest zwykle wykonana z węglika spiekanego.Istnieją dwa typy: integralny i spawany, które są zwykle spawane z rurą wiertniczą.Rura wiertnicza wiertła pistoletowego jest zwykle wykonana ze specjalnej stali stopowej i poddana obróbce cieplnej, aby miała dobrą wytrzymałość i sztywność oraz musi mieć wystarczającą wytrzymałość i wytrzymałość;Uchwyt wiertarki lufowej służy do łączenia narzędzia z wrzecionem obrabiarki i jest zaprojektowany i wykonany zgodnie z określonymi normami.
1.2 Proces wiercenia pistoletu
Podczas pracy uchwyt wiertła lufowego jest zaciśnięty na wrzecionie obrabiarki, a wiertło wchodzi do przedmiotu obrabianego przez otwór prowadzący lub tuleję prowadzącą w celu wiercenia.Unikalna konstrukcja ostrza wiertła pełni rolę samonaprowadzania, zapewniając dokładność cięcia.Najpierw przetworzyć otwór pilotażowy, a następnie osiągnąć 2 ~ 5 mm na otworze pilotażowym przy określonej prędkości posuwu, to znaczy w punkcie na rysunku 2. W tym samym czasie otwórz chłodziwo przez chłodzenie międzystopniowe;Rozpocznij obróbkę z normalną prędkością po osiągnięciu otworu pilotowego.Podczas procesu obróbki stosuj przerywane podawanie i podawaj za każdym razem!2 głębokości, realizując głęboką dziurę i krótkie ramię;Po zakończeniu obróbki i opuszczeniu obiektu, najpierw wycofaj narzędzie z dużą prędkością na określoną odległość od dna otworu, następnie wyjdź z otworu pilotowego z małą prędkością, a na koniec szybko opuść obrabiany przedmiot i wyłącz chłodziwo.Cały proces pokazano na rysunku 2. Linia przerywana na rysunku oznacza szybki posuw, a ciągła oznacza powolny posuw.
2. Analiza siły wiercenia głębokich otworów
W porównaniu z innymi metodami cięcia metalu, najważniejszą różnicą między wierceniem głębokich otworów a innymi metodami cięcia metalu jest to, że wiercenie głębokich otworów wykorzystuje pozycjonowanie i podparcie bloku prowadzącego do wiercenia w zamkniętej wnęce.Kontakt pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym nie jest pojedynczym kontaktem ostrza+91, ale również kontaktem pomiędzy dodatkowym klockiem prowadzącym na narzędziu a obrabianym przedmiotem.
Jak pokazano na rysunku 3. Wiertło do głębokich otworów składa się z trzech części: korpusu narzędzia skrawającego, zęba frezu i bloku prowadzącego.Korpus noża jest pusty.Odsadzenie skrawające wchodzi z przodu i wyprowadza przez wnękę rury wiertniczej.Tylny gwint służy do łączenia z rurą wiertniczą.Główna krawędź tnąca na zębach tnących jest podzielona na dwie, a mianowicie krawędź zewnętrzną i krawędź wewnętrzną.
Biorąc jako przykład kobalt w głębokim otworze wewnętrznego ramienia wieloostrzowego, ostrze pomocnicze i dwa klocki prowadzące znajdują się na tym samym obwodzie, a trzypunktowy stały okrąg jest samonaprowadzany.Siła na nim jest analizowana.Uproszczony model mechaniczny pokazano na rysunku
4. (1) Siła skrawania F. Siłę skrawania na narzędziach do głębokich otworów można rozłożyć na wzajemnie prostopadłe siły styczne F i siły promieniowe F, a siła osiowa siła promieniowa będzie bezpośrednio prowadzić do odkształcenia gięcia narzędzia, siła osiowa zwiększa narzędzie zużycie, podczas gdy siła styczna na krawędzi skrawającej wytwarza głównie moment obrotowy.W procesie przetwarzania zawsze liczy się na maksymalne zmniejszenie siły osiowej i momentu obrotowego, mając na uwadze zapewnienie jakości i wydajności przetwarzania.Ogólnie żywotność narzędzia jest bezpośrednio związana z siłą osiową i momentem obrotowym.Nadmierna siła osiowa sprawia, że wiertło łatwiej się łamie, a nadmierny moment obrotowy przyspieszy również zużycie i pękanie narzędzia aż do jego złomowania [1°].
(2) Tarcie F/.Tarcie/i/2 są generowane, gdy klocek prowadzący obraca się względem ścianki otworu;Tarcie osiowe pomiędzy klockiem prowadzącym a ścianą otworu, gdy porusza się on wzdłuż osi wynosi/lu i 7L;
(3) Siła wyciskania Siła wyciskania jest powodowana przez sprężyste odkształcenie ścianki otworu.Siła wyciskania pomiędzy klockiem prowadzącym a ścianką otworu wynosi M i^2. Zgodnie z zasadą równowagi układu sił można wiedzieć, że:
gdzie: jest wypadkową siłą pionowej siły cięcia;F ,.jest wypadkową promieniowej siły skrawania;F jest wypadkową obwodowej siły skrawania.Zakładając, że uwzględniany jest tylko współczynnik tarcia Coulomba, tarcie osiowe i tarcie obwodowe na klocku prowadzącym są równe.To może być proste w eksperymencie
Połącz moment obrotowy M i F a zmierzony podczas obróbki głębokich otworów.
Dla danego wiertła określa się jego nominalną średnicę oraz kąt położenia klocka prowadzącego.Ponadto empiryczna siła osiowa siły skrawania stanowi połowę głównej siły skrawania.Syntetyzując powyższy wzór, można obliczyć składowe siły skrawania oraz siłę na klocku prowadzącym.
3. Symulacja wiercenia wiertła pistoletowego
Wiercenie głębokich otworów w występie wewnętrznym odbywa się w stanie zamkniętym lub półzamkniętym.Ciepło skrawania nie jest łatwe do rozproszenia, ramię jest trudne do ułożenia, a sztywność systemu technologicznego jest słaba.Gdy chłodziwo wytwarzane podczas wiercenia nie może dostać się do obszaru skrawania, co powoduje słabe chłodzenie i smarowanie, temperatura narzędzia gwałtownie wzrośnie, przyspieszając jego zużycie;Wraz ze wzrostem głębokości wiercenia zwiększa się wysięg narzędzia, a sztywność układu procesu wiercenia maleje.Wszystkie te stawiają pewne specjalne wymagania dotyczące procesu wiercenia głębokich otworów z wewnętrznym usuwaniem wiórów.W pracy prognozuje się ciepło i siłę skrawania powstałą w procesie skrawania poprzez symulację odwzorowania rzeczywistych warunków obróbki, co stanowi podstawę do optymalizacji procesu wiercenia głębokich otworów.3.1 Definicja parametrów wiercenia i właściwości materiału DEFORM to zestaw systemu symulacji procesu opartego na elementach skończonych do analizy procesu formowania metalu.Symulując cały proces przetwarzania na komputerze, inżynierowie i projektanci mogą z wyprzedzeniem przewidzieć niekorzystne czynniki w różnych warunkach pracy i skutecznie usprawnić proces przetwarzania nM2].W niniejszym artykule do rysowania modelu narzędzia symulacyjnego wykorzystano oprogramowanie do modelowania 3D Pm/E, a model został zapisany jako Format STL jest importowany do programu Defform - 3 D. Ustawione parametry i warunki skrawania przedstawiono w tabeli 1.
(1) Ustawienie warunków pracy: wybierz wiercenie jako rodzaj obróbki, standardem jednostki jest SI, wprowadź prędkość skrawania i prędkość posuwu, temperatura otoczenia wynosi 20 t: współczynnik tarcia powierzchni styku przedmiotu obrabianego wynosi 0,6, przenoszenie ciepła współczynnik wynosi 45 W/m2.0°C, a topnienie termiczne wynosi 15 N/mm2/X.
(2) Ustawienie narzędzia i przedmiotu obrabianego: narzędzie jest sztywne, materiał to stal 45, przedmiot obrabiany jest z tworzywa sztucznego, a materiałem jest węglik WC.
(3) Ustaw relację między obiektami: Relacja typu master-slave w D e form polega na tym, że korpus sztywny jest główną częścią, a korpus z tworzywa sztucznego jest elementem podrzędnym, więc narzędzie jest aktywne, a przedmiot obrabiany jest napędzany.
Tabela 1 Główne parametry przedmiotu obrabianego i narzędzia
W celu porównania wpływu różnych parametrów procesu na zmiany temperatury, naprężeń i odkształceń w procesie skrawania przeprowadza się symulację przy różnych parametrach wiercenia przedstawionych w tabeli 2 i obserwuje się wyniki.
Tabela 2 Parametry wiercenia pistoletem
3.2 Symulacja wiercenia i analiza wyników
(1) Temperatura
Większość energii zużywanej przy cięciu metali jest zamieniana na energię cieplną.Ciepło to powoduje wzrost temperatury strefy skrawania. Ma to bezpośredni wpływ na zużycie narzędzia, dokładność obróbki i jakość powierzchni przedmiotu obrabianego.Podczas szybkiego skrawania metali silne tarcie i pękanie powodują, że lokalna temperatura wzrasta do bardzo wysokiej temperatury w krótkim czasie.W wierceniu lufowym ciepło pochodzi głównie z odkształcenia występu skrawającego metalu, tarcia pomiędzy stopką podporową wiertła a stopką otworu przedmiotu obrabianego oraz tarcia występu skrawającego o powierzchnię natarcia narzędzia [13].Całe to ciepło musi być schładzane płynem obróbkowym.Symulując proces wiercenia uzyskuje się zmiany temperatury w obszarze styku przedmiotu obrabianego przy różnych prędkościach i posuwach.Dane te stanowią podstawę projektową do optymalizacji systemu chłodzenia podczas obróbki głębokich otworów.Ze względu na wysokie wymagania wydajnościowe komputera do symulacji procesu wiercenia, symulacja całego procesu obróbki otworu zajmuje dużo czasu.Poprzez ustawienie wielkości kroku symulacji wiercenia, głębokość symulacji jest kontrolowana w celu uzyskania stabilnego przetwarzania.
Ustawienie warunków symulacji Liczba kroków symulacji jest ustawiona na 1000, liczba kroków interwału symulacji jest ustawiona na 50, a dane są automatycznie zapisywane co 50 kroków;Deform-3D przyjmuje adaptacyjną technologię generowania siatek.Przedmiotem obrabianym jest plastikowy korpus.Generowanie siatki służy do obliczania siły skrawania.Bezwzględny typ elementu pokazano na rysunku 5, a wyniki symulacji pokazano w
Tabela 3.
Rys. 5 Model elementów skończonych i proces wiercenia wiertła do głębokich otworów
Tabela 3 Zbieranie danych dotyczących prędkości cięcia i temperatury z krokami
Analizując i przetwarzając dane z tabeli 3 otrzymuje się krzywe zmian temperatury obszaru skrawania przedmiotu obrabianego wraz z liczbą kroków w trzech warunkach pracy, jak pokazano na rysunku 6.
Z rys. 6 wynika, że prędkość wiercenia ma duży wpływ na temperaturę powierzchni styku przedmiotu obrabianego.Na początku wiercenia wiertło i obrabiany przedmiot zaczynają się stykać, a posuw jest duży.Ostre uderzenie narzędzia w obrabiany przedmiot powoduje, że początkowa temperatura znacznie się zmienia i szybko rośnie.Ponieważ wiercenie wydaje się być stabilne, krzywa na ogół staje się łagodna, ale nadal ulega wahaniom, co jest normalne w przypadku obróbki głębokich otworów.Ponieważ średnica wiertła jest mała, a prędkość posuwu duża, wibracje będą się utrzymywać.
Na rys. 6 widać również, że prędkość wiercenia ma duży wpływ na temperaturę.Wraz ze wzrostem prędkości Temperatura wiercenia jest coraz wyższa.Z wyników modelu elementów skończonych wynika, że maksymalna temperatura generowana przy różnych prędkościach wiercenia występuje w obszarze lokalnego odkształcenia w pobliżu ostrza wiertła, ponieważ tam skupiają się odkształcenia plastyczne i tarcie występu narzędzia.
Rys. 6 Krzywa zmienności temperatury powierzchni styku z prędkością skrawania
(2) Równoważny rozkład naprężeń
Naprężenie von Misesa jest naprężeniem równoważnym opartym na energii odkształcenia ścinającego i kryterium plastyczności.Po wprowadzeniu naprężenia równoważnego, niezależnie od tego, jak złożony jest stan naprężenia korpusu elementu, można go sobie wyobrazić jako naprężenie przy jednokierunkowym naprężeniu na wartość liczbową.Odpowiednia zależność między naprężeniem zastępczym a odkształceniem zastępczym uzyskana z analizy odzwierciedla umocnienie zgniotowe materiału przedmiotu obrabianego spowodowane odkształceniem plastycznym poprzez analizę elementów skończonych. Uzyskano zmiany naprężeń zastępczych wiertła lufowego przy różnych prędkościach wiercenia.Interwał symulacji wynosi 50 kroków, a wyniki są automatycznie zapisywane co 50 kroków, jak pokazano w Tabeli 4.
Tabela 4 Zbieranie danych dotyczących prędkości skrawania i jednakowej siły z krokami
Analizę zależności między naprężeniem zastępczym a liczbą kroków przedstawiono na rysunku 7. Można zauważyć, że różne prędkości wrzeciona mają niewielki wpływ na naprężenie zastępcze przedmiotu obrabianego podczas obróbki i wahają się w pewnym zakresie, ale trend maksymalnej zmiany naprężenia równoważnego w trzech warunkach przetwarzania jest bardzo podobny.
Krzywa naprężeń zastępczych na rysunku 7 pokazuje, że naprężenia w początkowej fazie wiercenia są duże.Gdy głębokość wiercenia staje się stabilna, krzywa zwykle opada i staje się łagodna.Jednocześnie, dzięki analizie naprężeń i odkształceń, maksymalne naprężenie zastępcze wiertła lufowego wynosi 1550 M Pa, a całkowite maksymalne przemieszczenie wynosi 0,0823 m m.
4. Wniosek
Proces wycinania głębokich otworów jest skutecznie symulowany za pomocą oprogramowania Defform.Analizowane są zmiany temperatury i zmiany naprężeń w procesie skrawania i uzyskuje się krzywą zmian pomiędzy temperaturą skrawania a prędkością skrawania.Daje to pewną podstawę do badania mechanizmu skrawania przy obróbce głębokich otworów, doboru parametrów skrawania i projektowania układu chłodzenia w rzeczywistej obróbce.