毕业设计我帮你

基于CAE仿真的深孔加工参数优化

一、选题的目的和意义

目的：随着我国制造业的不断发展，在航空航天、轨道交通等，高端装备制造领域，深孔加工的需求越来越多，特别是针对难加工材料的深孔加工。社会在发展进步，高端装备制造领域对深孔加工需求越来越多深孔加工在难加工材料上的需求与精度要求大

幅提高，现有研究难以满足加工精度与加工工艺评价需求。本文基于CAE对深孔加工工艺参数进行优化分析，以枪钻加工为例，得到钻削刀具参数对钻削力、钻削温度的影响规律，然后对深孔加工模拟的数据进行对比分析，得到各类参数之间的关系。对提高深孔加工的效率、降低加工温度、延长刀具使用寿命、提高加工质量、降低生产成本提供了宝贵的理论依据，对今后的研究具有一定的借鉴意义。目前，深孔数控加工正逐步朝着精密化、可靠化、高效化、模块化、智能化的方向发展，刀具、钻床、导轨等技术紧跟深孔加工需求变化趋势，而机床元器件的发展，就能够促进生产效率的提升，从而带来质量、效率方面的发展进步。

意义：随着经济社会的发展，日益增长的能源需求和不断上涨的能源价格以及日趋严重的环境问题迫使制造业寻求高能效和低成本的解决方案。壳体类零件是很多燃油控制系统中典型的结构件和关键件，高端壳体零件的显著特点是结构复杂、孔系众多，其内部具有数量众多纵横交错的各种深孔，孔径小、深径比大、直径从几毫米到几十毫米不等。其加工难度大、能耗高、效率低、易断刀。在实际工作中深孔加工占孔加工总量的40%左右，深孔加工的钻削效率相对较低，且深孔加工工艺在半封闭或完全封闭的作业状况中进行，所以影响效率和加工质量的因素复杂多样。深孔钻削技术工艺难度较大，加工精度和加工质量要求高，因此，对深孔钻削进行深入系统的研究显得尤为重要。目前我国制造业中复杂壳体深孔加工普遍存在加工周期长、生产效率低以及加工能耗高等问题，而造成上述问题的根本原因在于针对壳体零件的加工能耗特性研究不够深入，导致不能准确预测与控制机械加工系统的能量消耗，进一步造成机床能耗偏高和能效偏

低。依据深孔加工理论，基于有限元建模及仿真，研究枪钻钻削过程中的工艺参数优化问题，并对钻削力进行实验验证，结合实验分析切削参数对加工精度的影响。研究结果在提高枪钻钻削加工效率和加工精度控制方面具有一定的参考意义。

二、相关文献综述

董亮亮在2021年《机械设计与研究》期刊《基于CAE仿真的深孔加工参数优化》一文中提出基于CAE仿真的深孔加工工艺优化方法，建立累积偏移量积分模型作为直线度评定仿真方法，并通过实验数据验证模型计算结果的准确性以φ38mm、深1050mm的枪钻加工为例，建立钻削计算模型，得到钻削参数和刀具参数对钻削力、钻削温度的影响规律，进一步通过累积偏移量积分模型，得到不同钻削方案下的直线度。通过多目标优化模型得到较优的加工工艺参数:转速720r/min、进给量0.03mm/r、分三段钻削、4个支撑环均布、外角27°、内角20°。文中的研究工作为深孔加工工艺参数优化提供方法，对提高深孔加工质量具有重要意义。

钱清在2021年《组合机床与自动化加工技术》期刊《基于最大稳定度的深孔加工枪钻结构参数优化》一文中提到深孔加工中刀具易发生偏斜，影响孔直线精度。针对某型发动机轴齿件上一小直径深孔加工，首先，建立枪钻导向条的稳定度方程;其次，以稳定度最大为目标，借助遗传算法,对枪钻的结构参数进行优化;最后，借助有限元方法和轴线偏斜预测模型验证优化效果。结果表明，优化后的枪钻，稳定度较优化前提高9.01%,变形量减小5.78%,预测轴线偏斜量0.0085mm,满足孔直线精度要求。

徐晓栋在2022年的《喷油器深孔圆度加工工艺参数优化研究》中提到针对喷油器深孔圆度加工过程中易断刀、加工能耗高、加工时间长的问题，根据钻削过程中的切削功耗与排屑力功耗构建了钻削工功耗模型，并以最小功耗和最大材料去除率为目标，基于NSGA-II的方法对钻削主轴转速和进给进行了优化，通过实验验证，达到了降低加工功耗、提高加工效率的目的。

张宪坤在2019年完成的硕士论文《深孔枪钻加工工艺参数优化及质量控制》中提到通过UG8.0和Deform-3D分别建立枪钻钻头与零件的三维实体模型和有限元分析模型，利用Deform-3D有限元软件探索钻削过程及切屑形成机理，揭示钻头的钻入过程和切屑的形成过程及其变形规律，并分析钻削力的变化规律、切削温度分布、钻头磨损情况。其次，通过对不同切削参数进行仿真，分别得到其对轴向力、钻削温度和钻头等效应力的影响曲线，分析不同切削参数对枪钻加工的影响规律。将钻削温度、轴向力和钻头等效应力作为衡量标准，综合考虑刀具寿命和切削加工效率，对枪钻钻削过程的工艺参数进行优化。然后，通过钻削45号销棒料实验，测量钻削力的大小，与仿真值进行对比与分析，验证数值模报仿真钻削过程的可行性与合理性。最后，通过单因素法，结合钻刚实验，分析切削参数对圆度、粗糙度及孔径偏差影响规律，同时分析切削参数与切屑形态的关系及钻头磨损情况，对工件加工精度进行控制，并结合实际生产，从工艺、机床及刀具三方面初步给出提高钻孔质量的措施。

众多前辈对深孔加工参数优化各方面进行了深入研究，使我的课题有了很多可以参考的内容，但还没有针对具体生产中出现的加工参数问题做出深入研究，因此本文具有研究价值和一定的现实意义。

三、研究内容

1引论

1.1课题研究背景及应用价值1.2深孔加工系统的发展1.3国内外研究现状1.4本论文拟研究的主要内容

2深孔加工仿真模型的建立

2.1建立钻削损伤模型2.2CAE仿真数据传输2.3深孔钻削仿真模型2.4钻削垂直度计算仿真模型2.5结果校验

3钻削的仿真分析

3.1钻削过程分析3.2钻削扭矩与轴向力分析3.3切削温度分布机理分析3.4切削形态分析3.5磨损分析

4工艺参数对深孔垂直度的分析

4.1切削速度对深孔垂直度的影响4.2进给速度对深孔垂直度的影响4.3切削液压力对深孔垂直度的影响

5钻削工艺参数的影响规律

5.1钻削参数对钻削力的影响5.2刀具参数对钻削力的影响5.3工艺参数对钻削温度的影响5.4分段钻削对垂直度的影响5.5临界钻削力的影响

6深孔加工工艺参数优化

6.1设计钻削力仿真模型6.2目标函数

7结语

7.1结论7.2展望

参考文献

致谢

四、研究方法、步骤及措施等

研究方法：

理论与实践法：通过深孔加工相关知识，理论上分析出现问题的可能原因，并在数控钻床上实践操作及CAE软件上进行仿真，最后进行结果分析考察。

案例对比分析法：通过硬质合金面钻、铰刀、枪钻等道具的仿真加工数据对比分析对加工深孔的影响，得出初步结论。

实验法：通过CAE仿真软件进行模拟操作，对得出的工艺参数进行影响分析，在数控钻床枪钻参数调整试验试加工深孔，来验证得出的结果的正确性。

文献研究法：阅读和参考相关的深孔加工文献，来合理设计本研究的基本框架、研究内容和基本方法。

研究步骤：

（1）前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，学习贯通CAE仿真软件的各类应用，实地考察数控钻床钻头进行深孔加工时的状态，了解深孔加工的工作方式和不同材质的深孔加工工艺。议定论文提纲。

（2）撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，根据所选题目及任务书，向指导老师咨询相关意见。

（3）论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合老师以及前人的研究成果进行论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。完成以下内容：针对深孔加工问题的工艺分析、验证工艺分析结果的正确性、提出解决方案、验证解决方案的可行性，对深孔加工工艺参数优化进行详细研究。

（4）论文评审及答辩

将论文定稿提交指导老师、评阅教师评审，并准备答辩。

研究措施：

（1）依靠实验室的有利环境，和机械设计、数控钻床钻头刀具数据分析、深孔加工、CAE仿真软件等相关资料。

（2）选用华中数控钻床，对仿真中的这种结果进行操作试验。

（3）探索钻削过程及切屑形成机理。

五、进度安排

1 查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告

2 独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文

3 中期检查

4 设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿

5 设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在30%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩

6 毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩

7 论文档案材料整理存档

 

摘要

本论文以基于CAE仿真的深孔加工为研究内容，优化加工参数。本次设计以枪钻加工工艺为例，对深孔加工模拟数据进行对比分析，得到各类参数之间的关系，对今后进行深孔加工研究具备一定的借鉴意义。

首先，利用ANSYS有限元软件探索钻削过程及切屑形成机理，演示钻头的切屑形成过程和钻入过程以及影响变形规律，分析钻头钻削时的磨损情况、切削时钻头的温度分布、钻削力随钻削深度的变化规律。其次，通过对不同切削参数进行仿真，分别得到其对轴向力、钻削温度和钻头等效应力的影响曲线，分析不同切削参数对枪钻加工的影响规律。将钻削温度、轴向力和钻头等效应力作为衡量标准，综合考虑刀具寿命和切削加工效率，对枪钻钻削过程的工艺参数进行优化。

本设计要得到切削仿真中钻削力、钻削温度分布、钻屑和钻削刀具磨损等的变化规律，据此设计了基于径向力扭矩等仿真实验。在钻削加工效率相同的情况下，低切削速度、高进给断屑效果往往比高切削速度、低进给的断屑效果要好；枪钻加工45号钢棒料时，采用切削速度60～70m/min，进给量0.035～0.045mm/r对排屑比较好；当v>0.80m/min、f=0.065mm/r时，枪钻后刀面、外圆尖角处磨损较为严重；通过优化后的枪钻加工工艺，可以提升工件加工质量。

关键词：深孔加工；枪钻；仿真；优化

 

目录

1引论 1

1.1课题研究背景及应用价值 1

1.2深孔加工系统的发展 2

1.3国内外研究现状 2

1.4本论文拟研究的主要内容 3

2深孔加工仿真模型的建立 4

2.1建立钻削损伤模型 4

2.2CAE仿真数据传输 4

2.3深孔钻削仿真模型 5

2.4钻削垂直度计算仿真模型 6

2.5结果校验 8

3钻削的仿真分析 9

3.1钻削过程分析 9

3.2钻削扭矩与轴向力分析 10

3.3切削温度分布机理分析 12

3.4切削形态分析 14

3.5磨损分析 18

4工艺参数对深孔垂直度的分析 20

4.1切削速度对深孔垂直度的影响 20

4.2进给速度对深孔垂直度的影响 21

4.3切削液压力对深孔垂直度的影响 22

5钻削工艺参数的影响规律 24

5.1钻削参数对钻削力的影响 24

5.2刀具参数对钻削力的影响 25

5.3工艺参数对钻削温度的影响 26

5.4分段钻削对垂直度的影响 27

5.5临界钻削力的影响 27

6深孔加工工艺参数优化 29

6.1设计钻削力仿真模型 29

6.2目标函数 29

7结语 31

7.1结论 31

7.2展望 32

参考文献 33

致谢 34

 

1引论

1.1课题研究背景及应用价值

随着2021世界制造业大会在我国成功召开，中国将持续增强在制造业领域的综合竞争力，通过数字经济和实体经济的融合汇通，为制造业高质量的发展提供了新动力。其中，中国在高精度高端装备制造领域，一直在深入研究探索，如轨道交通、航空航天等高精密零件中，高精度深孔加工的应用越来越广泛，特别对高难度加工材料的精细深孔加工，需要量更是愈来愈高。社会在发展进步，深孔加工的技术也在发展，但是由于目前的深孔加工技术水平与对产品高精度的要求之间的不均衡发展，还无法满足对难以加工材料上的精度要求，所以进一步提高深孔工艺精度和对加工工艺要求的提高已经成为必然趋势。

由于在进行深孔加工时，钻削的排屑相较铣削等加工方式的排屑是比较困难的，也更加容易导致排屑堵孔，切屑产生的热量很难散出，想要随时监测枪钻钻头的加工状态以及加工工件的深孔精密程度是很难的，而且深孔加工与一般车削加工相较，切削过程中产生的切削热比一般车削产生的切削热更高。所以，深孔加工排屑难、温度高等问题如果得不到较好的处理，对产品利润、生产效益，或者加工生产过程的效率都会形成影响。而工艺参数则是影响深孔钻削加工工艺品质的关键因素，对成本、效果、被加工孔的精度和品质等都有着密切的联系。所以，选用科学合理的工艺参数，既可以提高工艺品质，也可以增加经济效益和制造效益。目前，在枪钻加工过程中怎样选用合适的工艺参数，以提升深孔钻削加工效率和机械加工品质已成为人们重点关心的问题。而且在深孔加工过程中，很多因素都能够导致钻削精度质量和效率等出现问题，想要在现有的深孔加工技术基础上得出非常高效的优化方法有些难度。

本文以CAE仿真为基础，利用ANSYS对深孔加工的工艺参数进行优化分析，以枪钻加工为例，分析得到钻头钻削时的磨损情况、切削时钻头的温度分布、钻削力随钻削深度的变化规律。然后对深孔加工模拟的数据进行对比分析，得到各类参数之间的关系。可以在现有深孔加工技术的基础上对加工参数进行优化，得到优化数据，提高加工效率及质量，缩短加工时间，为以后的深孔研究增添一份力量。

1.2深孔加工系统的发展

深孔钻削经过了几百年的发展，价格技术已经逐渐趋于稳定，从最开始还只是扁钻，发展到了后来的麻花钻，再到枪钻，这些钻削方式的演变见证了深孔钻削加工技术的变迁。在20世纪，枪钻技术还不是那么的完善，这种自导式单刃工具在当时只能加工小孔零件，而且钻削效率很低，容易对产品精度产生不可逆的影响。直到后来，由于内排屑钻孔法的发明，深孔加工技术才步入高速发展时代。

在我国，最初深孔钻削加工技术主要应用在军工制造业，钻削加工技术落后于别的国家几十年，当初用得最多的是采用高速钢枪钻来进行深孔加工作业。直到后来，祖国改革开放，迎来腾飞，各行各业加速前行，深孔加工技术也在高速发展，我国开始建造专门的硬质合金枪钻，在当时，由于技术和生产方式的落后，在深孔钻削加工质量及种类都无法与国际标准平齐，引进的BTA刀具也因各种因素没有在我国普及，包括DF系统、双管喷吸钻，在当时都有很多局限性，只有少部分企业使用，未能普及。

在改革开放初期，各类重机械制造行业等以深孔加工制造为主的产业深刻认识到目前国内深孔钻削技术的落后，于是发奋图强，大力发展制造业，其中深孔加工技术这种常用于高精密零件加工的技术更是成为研究重点。正是那一代人的孜孜不倦，和对深孔加工技术的研究坚持不懈，才使得中国制造业具有腾飞的底蕴，现在中国已经成为制造业第一大国，其深孔加工技术也远超曾经水平，走在国际前端。

1.3国内外研究现状

1.3.1国内研究现状

近日，西安石油大学深入研究了难加工材料ITA15钛合金的深孔加工，优化加工参数，并优化了难加工材料的表面排屑问题，利用正交方法设计实验，在加工普通工件材料深孔钻头排屑的基础上，深入研究深孔钻削加工过程。证明了在钻削过程中，影响切屑形状的的主要因素是钻头排屑槽的弧度大小，其余影响因素可忽略不计。最终优化工艺参数得到选取排屑槽弧度半径为0.8mm，钻头进给量为0.45mm/r，机床主轴转速为255r/mm时，此时难加工材料的深孔加工钻削过程的排屑是最合适的。

中北大学的深孔加工技术研发中心，在深孔加工技术方面的研究一直走在国内前列。

其研究中心科研实力雄厚，长时间的探索为深孔加工技术的研究和应用奠定的深厚的基础。在深孔加工技术方面累积了实操经验，取得了多项具有自主知识产权的科研成果。盛况加工研究中心在精密高效深孔加工装备技术方面的研究水平处于国内领先水平，其中独立研发设计的ZWKA-2108高效深孔钻镗床，在颤振抑制技术、高效排屑技术、精确导向技术、高速切削技术、精确导向技术、实时监控技术等方面拥有自主的知识产权。近年来，研究中心承担相关工程技术研究项目100余项，已完成国家级课题3项，获省部级奖励4项，获国家发明专利43项，出版专著6部。

1.3.2国外研究现状

德国今年最新推出的SD602刀具可以用于深孔加工，其是改进型大直径模块化深孔钻，可以钻至长径比6-7xD的深孔，直径最大可以达到160mm。和以前的老产品相比，

这款钻头上增加了一些新特性使其性能得到了进一步的增强。极大节省了切削油的使用量，但该系统仅适用于枪钻系统，一般适用于小孔深钻，使用局限性较大，很难推广应用。日本钻石公司的微细加工钻头，可实现直径0.03毫米，甚至0.01毫米的微细加工。而发明出这项技术的公司，其实是日本的一家小作坊，名叫技术钻石（Tecdia）。日本技术钻石公司擅长小直径且深孔的“钻孔加工”。与放电加工和激光加工相比，钻孔加工不会给工件带来负担，可以实现高精度、内表面整洁的开孔。不仅是0.03毫米的钻孔加工，技术钻石甚至完成过0.01mm的超微孔加工，纵横比为1：10。技术钻石公司主要采取的是SUS材质，纵横比随孔径而变化。通过“尖端超长喷嘴”，可以让工件达到至今都没有达到的细节。长径喷嘴主要用于电力行业高压或高温高压场合，主蒸汽、主给水或减温水均采用此典型设计。近期，技术钻石突破分嘴的加工界限成功开发出了“配器喷尖端超级长喷嘴”，实现了比以往更精确和更高级的分配。

1.4本论文拟研究的主要内容

利用CAE仿真软件探索钻削过程及切屑形成机理，通过演示钻削时钻头的切屑形成过程，以及钻入过程和探索工艺参数影响深孔加工变化规律，分析钻头钻削时的磨损情况、切削时钻头的温度分布、钻削力随钻削深度的变化规律，从而能够对实际生产起到指导作用。

 

参考文献

[1]董亮亮，谢绪涛，李湉，郝帅．基于CAE仿真的深孔加工参数优化[J]．机械设计与研究，2021（03）：109-114.

[2]何玲，杨观赐，章杰，何康佳.CAD/CAE技术应用[M]．南京：南京大学出版社，2019：183-185.
[3]李红梅，刘红华．机械加工工艺与技术研究[M]．昆明：云南大学出版社，2019：45-50.

[4]刘静，朱花，常军然，杨华明，谢文涓，伍胜男.机械设计综合实践[M].重庆：重庆大学出版社，2020：294-297.

[5]毛明清.机械加工的深孔加工技术[J]．设备管理与维修，2019（20）：109-111.

[6]钱清，程寓，郑立辉．基于最大稳定度的深孔加工枪钻结构参数优化[J].组合机床与自动化加工技术，2021（06）：155-158.

[7]齐威．ABAQUS6.14超级学习手册[M]．北京：人民邮电出版社，2019：173-175.

[8]田春雷．42CrMo合金钢深孔滚压加工工艺参数优化[D]．西安：西安工业大学，2021.

[9]徐晓栋．喷油器深孔圆度加工工艺参数优化研究[J]．机床与液压，2022（01）：82-86.
[10]张宪坤．深孔枪钻加工工艺参数优化及质量控制[D]．西安：西安工业大学，2019.

[11]赵延超，武美萍，王全龙，吴克中.喷油器体深孔直线度加工工艺参数优化[J]．工程设计学报，2018（03）：102-104.

[12]朱双霞.机械设计[M].重庆：重庆大学出版社，2019：151-156.

[13]ArzhangAngoshtari.FiniteElementMethodsinCivilandMechanicalEngineering：AMathematicalIntroduction[J].GeorgeWashingtonUniversity.USA,2021(06):58-59.

[14]LiuBin,YanYingjie,ZhaoJie,WangWenjun,LiaoKai.Researchonholedepthinfemtosecondlaserdeepmicroporeprocessingtechnologybasedonfilamenteffect[J].Optik,2021(09):27.

[15]WuZhao,ChaoFanSun,ZhanQiHu.ConflictResolutionStrategyonParametersOptimizationinBTADeep-HoleProcessing[J].AdvancedMaterialsResearch,2019(01):14.