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1、毕业设计开题报告课题名称钻削过程的数值模拟仿真分析课题来源教学科研专 业机械设计制造及其自动化班 级 KT813-2 学号 24学生姓名李斌指导教师张光国完成日期2012年3月11日一、课题来源、目的、意义1课题的来源本课题源于教学科研，对麻花钻钻削加工过程进行科学整理、归纳和完善，以期最 终形成最佳的加工工艺。2本课题研究目的随着机械行业的发展，对加工精度要求越来越高，精密加工技术越发重要。孔的精 密加工作为精密加工技术的重要内容，在机械加工中具有重要的地位。为了达到精密孔 加工的要求，需要对孔加工工艺及其参数进行分析优化。有限元数值模拟技术为解决这 一问题提供了有效地技术手段，应用有限元数
2、值模拟技术，可以对孔的钻削过程的物理 -力学特征进行详尽的分析。在钻削加工中，使用最广泛的工具是麻花钻。本课题主要 通过对麻花钻钻孔过程的有限元动态模拟来分析各个参数对钻孔加工效果的影响。基于 有限元分析软件 DEFORM-3D 对钻削加工进行仿真研究通过实例分析了钻削加工中过程 中，工件的切削温度、应力、应变的分布情况及刀具所受的扭矩等。通过该研究，可以 用来指导钻削加工生产实践，达到提高孔加工精度，获得最佳的加工工艺的目标。3本课题研究的意义有限元数值模拟技术是一项综合应用技术，它对教学、科研、设计、生产等部门都 有很大的应用价值。一方面，该项技术的运用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂
3、 问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，有限元数值模拟使大量繁杂的 工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的 工作，使工程分析更快、更准确，在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重 要作用。在钻削加工过程中，由于条件的限制，刀具的速度、温度、所受的扭矩及工件的应 力、应变等都会对孔加工精度产生一定的影响，从而使加工结果出现误差。基于上述原因，对钻削过程的数值模拟仿真分析已势在必行。该仿真结果对钻削加 工过程中工艺效果的预测和优化具有现实的指导意义。通过对该结果的分析及完善，不 但能够缩短生产周期，降低制造成本，提高加工精度，延长刀具寿命，而
4、且依据该结果， 可以制定出更佳的加工工艺，以获取更大的经济效益。二、国内外概况、预测和文献综述1. 课题的国内外研究概况有限元分析方法最早被应用在切削工艺的模拟是在70年代，与其他传统方法相比， 它大大提高了分析的精度。将有限元模拟应用于研究和优化成形加工已经证明了是一种 很有效的方法，而用有限元方法模拟切削过程进而改进工具设计，选择合理的工作条件 也是很有效的。在金属切削的有限元模拟分析方面，许多学者已经作了大量的研究工作， 建立了许多简化的有限元模型。Lajkzok M.R.应用有限元方法研究切削中的主要问题， 初步分析了切削工艺。Usui等人首次将低碳钢流动应力设为应变，应变速率和温度的
5、函 数，他们用有限元方法模拟了连续切削中产生的切屑瘤，而且在刀具和切屑接触面上采 用库伦摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削工艺。Shih.A.J.和Yang,H.T.Y研究了切削中的残余应力问题。Obikawa和El.Hossainy以及 Warnecke等人用有限元模拟研究了切屑的形成。近几年来，国际上对金属切削工艺的有 限元模拟更加深入。美国Ohio州立大学净成形制造工程研究中心的T.Alton教授与意 大利Brescia大学机械工程系的Ceretti.E合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟 研究。Lianchi ZHANG,Huang和Black J.T对有限
6、元分析正交切削工艺中的切屑分离准 则做了深入的研究，对不同的分离准则都做了考察。Yen.Y.C和Li.K等人用有限元方法 模拟研究了工具的磨损。J.S.Strenkowski.C.C.Hsieh和A.J.Shih用有限元方法分析了 钻削过程麻花钻钻削力和扭矩。Shiva Kalidas， Shiv G.Kapoor和Richard E.DeVor 建立了有限元模型，获得了钻削过程中工件的瞬间热量。Matt hew Bono,Jun Ni用有限 元模型计算了刀具和工件的热扭曲变形，这个模型可以用来计算孔钻削直径和深度的关 系。国内也有很多学者进行了这方面的研究，清华大学的方刚对切削进行了深入的研
7、究， 研究了切削后工件的残余应力、切削过程中切屑断裂准则等。综上所述，尽管国外关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年， 但以往的研究仿真时仅考虑了加工过程中的某个或某几个因素。编写相应的有限元子程 序，编写一个专用的有限元程序是一项繁重的工作，而且往往会出现一个问题：个性成 果很多，各种有限元程序也很多，但并没有形成对于切削加工过程模拟的专用程序。受 编程水平的限制，仿真结果与实验结果往往相差很大。同时我们还注意到，以往的研究 主要侧重于普通金属切削领域，个性成果很多，综合考虑机床、刀具和工件材料等制造 环境因素对超精密切削过程影响的研究却不多见，并且国内关于金属切削过程的三维有
8、 限元仿真方面的研究更是鲜有文献报道。这表明，到目前为止，我国对金属切削过程三 维有限元仿真方面的研究尚处于探索阶段，对仿真中出现的问题并没有明确地认识。因 此，采用DEF0RM-3D软件对金属切削过程进行三维有限元仿真及实验研究，可以对金属 切削机理有更深入的了解与认识，这对提高我国精密、超精密产品的制造水平意义重大。2. 课题的研究趋势预测1. 金属切削工艺是制造业中的关键技术，随着电子、光学、微细产品的不断发展，在生 产率和加工精度方面对切削工艺提出了更高的要求，虚拟制造将是解决这一系列问题的 重要手段。目前，这项技术已经在学术研究上取得了一些进展，但与其他加工技术相比， 切削模拟还没有
9、大量应用到生产实际中，还需要对实际生产中影响切削加工的各个因素 作进一步研究。2以前大部分模拟都是二维的，忽略了在Z方向的力，虽然在分析正交切削时精度是足 够了，但在分析斜角切削时就不在适用了。实际切削加工中的大多数情况属于斜角切削 方式，因此对切削加工进行三维模拟是很有必要的。随着计算机硬件性能的提高，切削 的三维模拟将是今后发展的主要方向。3. 相对于切屑的形成，对于成形工件加工质量的研究较少，今后将会成为重点的研究方 向。其中包括：与工件几何尺寸和精度密切相关的残余应力和残余应变的模拟、与工件 表面粗糙度有关的毛刺形成的模拟、考虑工件加工中夹具的模拟等。4. 切削加工是使工件不断分离出切
10、屑的过程，目前关于切屑断裂和分离准则还不太成 熟，每种分离准则都有不足的地方形成后的切屑断裂准则也需要进一步研究，目前的模 拟结果与实际情况还是有一定的差距。今后需要加深这方面的研究，找出一种相对完善的断裂准则。三、本课题的研究内容1. 采用有限元分析软件DEF0RM-3D,建立麻花钻钻削的三维有限元模型，用有限元方法 动态模拟钻削加工过程，获得麻花钻加工过程中的连续切屑，验证钻削过程动态有限元 模拟的可行性。2. 分析预测加工过程中工件的应力、应变、应变速率、温度分布以及刀具所受的扭矩， 分析比较不同钻削速度下工件的温度变化以及应变和应变率的变化情况。3. 计算预测钻削过程中麻花钻的应力和变
11、形。4. 对仿真结果进行分析并修正有限元模型，以得到最佳的结果。1. 课题研究整体构架示意图整体构架图如下图所示：有限元模型的建立1可行性分析仿真及结果分析钻削过程的仿真*切削温度的仿真实验结果及分析建立几何模型 切削力分析 应力应变分析温度分布分析网格重划分图 1 整体构架图2. 钻削过程有限元分析具体路线图图 2 有限元分析路线图3. 可行性分析1) 本课题是基于有限元方法的仿真分析，有一定的理论基础，可以得到预期的结果。2) DEFORM-3D 软件为本课题提供了实现的途径，依靠其强大的功能，可以快速的得 到所需要的结果。3) 由于计算机强大的运算能力，可以通过修改参数的大小，分析模拟的
12、变化程度和模 拟结果，从而分析这些参数对加工过程的影响。五、达到的要求及预计的关键技术1.预计需达到的要求、技术指标实现在分析钻削加工过程的研究现状的基础上，对钻削加工过程的受力分析和仿真 方法进行了深入研究，主要研究总结如下：用 DEFORM-3D 建立切削模型，生成有限元网格，结合工程实际问题生成相应数据库 得到有限元模型，通过有限元模型的分析可以精确的得到工件内的切削力、应力应变及 温度分布等情况。将所得到的仿真数据结果和经验公式计算的理论值进行对比，并修正 有限元模型，得到最终的有效模型。通过本课题的研究，对于钻削加工过程的改进具有参考价值，有利于更好地理解切 削加工机理，完善和优化切
13、削加工过程。2. 预计的关键技术1）有限元分析方法的理论基础2）DEFORM-3D 软件的应用3）钻削加工过程的有限元仿真分析六、研究进展计划毕业设计具体进度安排见表1表 1 毕业设计具体进度安排表序号设计（论文）各阶段名称日期1收集相关资料，明确设计任务，完成开题报告12.26-2.202完成英文资料翻译，熟悉DEF0RM-3D软件，建立几何模型2.20-3.263完成网格划分，完成仿真过程3.27-4.244评价仿真结果，改进模型及分析步骤4.25-5.85完善设计，撰写设计论文5.9-5.276交资料、准备并进行毕业答辩5.28-6.7七、现有的条件及设备PC机一台、DEF0RM-3D分
14、析软件、以及相关参考书籍。八、参考文献【1】张 彦敏，张 学宾，龚红英.有限元在金属塑性成形中的应用.化学工业 出版社，2010.7【2】胡建军，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程北京大学出版社, 2010.10【3】李传民等编著.DEFORM5.O3金属成形有限元分析实例指导教程.机械工 业出 版社， 2007【4】 李儒荀编著.刀具设计原理与计算.江苏科学技术出版社， 1981.【5】 孙恒， 陈作模， 葛文杰主编.机械原理（第7版）.高等教育出版社， 2006.【6】 成大先主编.机械设计手册（最新第五版）.化学工业出版社， 2008【7】 方刚， 曾攀.切削加工过程数值模
15、拟的研究进展.力学进展， 2001.【8】方刚，曾攀.金属正交切削工艺的有限元模拟.机械科学与技术，2003.湖北汽车工业学院毕业设计开题报告【5】袁哲俊， 2008.刘华明 主编.金属切削刀具设计 手册. 机械工业出版社,开题报告要求1、开题报告必须在收集和阅读有关资料，考查生产现场，参考类似产 品，进行分析、对比、论证的基础上进行撰写。2、开题报告的内容一般包括：课题的来源、目的、意义、国内外的现 状及发展；进行可行性分析及系统设计方案；系统达到的功能要求 技术指标；所应用的新技术、新工艺、新装置等及关键技术；系统 研究的重点和难点；预测课题的经济效益和社会效益以及可能取得 的成果等。3、开题报告不得少于3000 汉字，并附有毕业设计计划安排。4、开题报告要求在毕业设计前四周内完成。导师评语（应根据“开题报告要求” 组织所指导的学生进行交流，对学生开题报告的内容、设计方案、应用技术以及预测成果等进行综合评价。）导师签名：200 年 月 日
