Tóm tắt: Gia công lỗ sâu được chồng lên nhau ở trạng thái ngưỡng đóng và không thể quan sát trực tiếp tình trạng cắt của dụng cụ.Phần mềm mô phỏng tạo hình nhựa kim loại DEFORM-3D được sử dụng để mô phỏng động quá trình khoan lỗ sâu với phương pháp phần tử hữu hạn, dự đoán sự thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình gia công, so sánh sự thay đổi của nhiệt độ và ứng suất tương đương dưới các thông số khoan khác nhau, và thu được các đường cong thay đổi của nhiệt độ cắt và lực bên trái tương đương dưới các tốc độ cắt khác nhau.Kết quả cho thấy nhiệt độ cắt tăng khi chiều sâu cắt tăng, và có xu hướng ổn định dần;Nhiệt độ cắt tỷ lệ thuận với tốc độ cắt, trong khi lực tác dụng không thay đổi nhiều với sự thay đổi của các thông số cắt.
Từ khóa: hố sâu Rugong;D eform -3D;Khoan
Gia công lỗ sâu là một trong những quá trình khó nhất trong gia công lỗ, và công nghệ khoan đặc lỗ sâu được công nhận là công nghệ then chốt của công nghệ gia công lỗ sâu.Phương pháp gia công truyền thống tốn nhiều thời gian và công sức, độ chính xác của gia công lỗ sâu không cao, thường xuyên phải thay dao và nguy cơ gãy dao [1].Khoan bằng súng là một phương pháp xử lý lý tưởng hiện nay.Trong quá trình gia công lỗ sâu, ống khoan mỏng và dài, dễ bị xô lệch, sinh ra rung động, nhiệt lượng sinh ra và vai cắt không thoát ra được dễ dàng.Không thể quan sát trực tiếp tình trạng cắt của dụng cụ.Hiện tại, không có cách lý tưởng nào để theo dõi sự thay đổi và phân bố nhiệt độ trong khu vực cắt theo thời gian thực [w].Chỉ có thể dùng kinh nghiệm để đánh giá quá trình cắt có bình thường hay không bằng cách nghe âm thanh cắt, xem phoi, sờ vào có độ rung và các hiện tượng ngoại hình khác hay không.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ phần cứng máy tính và mô phỏng số, công nghệ mô phỏng cung cấp một phương pháp khoa học và công nghệ hiệu quả để giải quyết vấn đề này [4].Khoan mô phỏng có ý nghĩa to lớn đối với việc nâng cao độ chính xác, độ ổn định và hiệu quả gia công của lỗ sâu.Hiện nay, một số học giả có thể đánh giá gián tiếp hoặc dự đoán trước quá trình xử lý thông qua một số phương pháp đo lường tiên tiến và phân tích phần mềm.Ví dụ, Ding Zhenglong của Đại học Giao thông Tây An và các học giả khác đã thiết lập một nền tảng đo lường trực tuyến để đo đường kính bên trong của các lỗ sâu [5], nhưng quá trình xử lý không thể được theo dõi trực tuyến;một số kỹ sư đã cải tiến công nghệ xử lý lỗ sâu bằng cách thay đổi cấu trúc truyền thống của máy công cụ.Ví dụ, để tránh vai cắt làm xước thành lỗ sau khi gia công, trục quay của máy công cụ được sử dụng theo cấu trúc đảo ngược, và trọng lượng bản thân của chất lỏng cắt và vai cắt được sử dụng để làm cho phoi được xả trơn tru hơn từ rãnh hình chữ V của ống khoan [6] và các biện pháp khác, Cải thiện hiệu quả chất lượng khoan.
Trong bài báo này, phần mềm mô phỏng tạo hình nhựa kim loại Def 〇 rm-3D được sử dụng để mô phỏng động quá trình khoan;Nhiệt độ và ứng suất thay đổi theo các tốc độ cắt khác nhau, và hiệu quả xử lý của lỗ sâu được dự đoán trước, điều này tạo cơ sở cho việc thiết kế và thực hiện chất làm mát gia công lỗ sâu.
1. Nguyên lý làm việc và công nghệ khoan của máy khoan súng
1.1 Nguyên lý làm việc của máy khoan súng
Máy khoan súng là công cụ chính để gia công các lỗ sâu.Nó có đặc điểm là độ chính xác tốt và độ nhám bề mặt thấp sau một lần khoan [7].Cấu tạo cơ bản của máy khoan súng được thể hiện trên hình 1.
Hình 1 Cấu trúc cơ bản của Máy khoan súng
Máy khoan súng gồm có đầu, ống khoan và tay cầm.Đầu là bộ phận quan trọng của toàn bộ máy khoan súng, thường được làm bằng cacbua xi măng.Có hai loại: loại tích hợp và loại hàn, thường được hàn với ống khoan.Ống khoan của máy khoan súng thường được làm bằng thép hợp kim đặc biệt và được xử lý nhiệt để làm cho nó có độ bền và độ cứng tốt, đồng thời phải có đủ độ bền và độ dẻo dai;Tay cầm của máy khoan súng dùng để kết nối dụng cụ với trục xoay của máy công cụ, được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn nhất định.
1.2 Quy trình khoan súng
Trong quá trình hoạt động, tay cầm của máy khoan súng được kẹp vào trục quay của máy công cụ và mũi khoan đi vào phôi qua lỗ dẫn hướng hoặc ống dẫn hướng để khoan.Cấu trúc độc đáo của lưỡi khoan đóng vai trò tự dẫn hướng, đảm bảo độ chính xác khi cắt.Đầu tiên xử lý lỗ hoa tiêu, và sau đó đạt 2 ~ 5 mm trên lỗ hoa tiêu ở một tốc độ cấp liệu nhất định, nghĩa là, điểm trong Hình 2. Đồng thời, mở chất làm mát bằng cách làm lạnh liên tục;Bắt đầu gia công ở tốc độ bình thường sau khi đạt đến lỗ hoa tiêu.Trong quá trình gia công, áp dụng cấp liệu gián đoạn và nạp liệu mọi lúc!2 chiều sâu, nhận ra lỗ sâu và vai ngắn;Khi quá trình gia công kết thúc và rời khỏi thực thể, đầu tiên rút dao ở tốc độ nhanh đến một khoảng nhất định từ đáy lỗ, sau đó thoát ra khỏi lỗ thí điểm với tốc độ thấp, và cuối cùng nhanh chóng rời khỏi phôi gia công và tắt dung dịch làm mát.Toàn bộ quy trình được thể hiện trong Hình 2. Đường chấm trong hình biểu thị thức ăn nhanh và đường liền nét biểu thị thức ăn chậm.
2. Phân tích lực khoan lỗ sâu
So với các phương pháp cắt kim loại khác, sự khác biệt đáng kể nhất giữa khoan lỗ sâu và các phương pháp cắt kim loại khác là việc khoan lỗ sâu sử dụng sự định vị và hỗ trợ của khối dẫn hướng để khoan trong khoang kín.Tiếp xúc giữa dao và phôi không phải là tiếp xúc đơn lẻ của lưỡi cắt + 91, mà còn là tiếp xúc giữa khối dẫn hướng bổ sung trên dao và phôi.
Như hình 3. Máy khoan lỗ sâu có cấu tạo gồm ba phần: thân dụng cụ cắt, răng cắt và khối dẫn hướng.Thân máy cắt rỗng.Vai cắt đi vào từ đầu trước và xả qua khoang ống khoan.Phần ren phía sau dùng để kết nối với ống khoan.Lưỡi cắt chính trên răng máy cắt được chia thành hai, đó là mép ngoài và mép trong.
Lấy coban trong lỗ sâu của vai trong nhiều lưỡi làm ví dụ, lưỡi phụ và hai khối dẫn hướng có cùng chu vi, và vòng tròn cố định ba điểm tự dẫn hướng.Lực tác dụng lên nó được phân tích.Mô hình cơ học đơn giản được hiển thị trong Hình
4. (1) Lực cắt F. Lực cắt trên dụng cụ lỗ sâu có thể bị phân hủy thành lực tiếp tuyến vuông góc lẫn nhau F,, và lực hướng tâm F, Và lực hướng trục sẽ trực tiếp dẫn đến biến dạng uốn dao, lực dọc làm tăng công cụ mòn, trong khi lực tiếp tuyến trên lưỡi cắt chủ yếu tạo ra mô-men xoắn.Trong quá trình gia công, người ta luôn hy vọng giảm lực và momen dọc trục càng nhiều càng tốt trên cơ sở đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia công.Nói chung, tuổi thọ của dụng cụ được liên kết trực tiếp với lực dọc trục và mômen xoắn.Lực dọc trục quá mức làm cho mũi khoan dễ bị gãy hơn, và mô-men xoắn quá mức cũng sẽ làm tăng tốc độ mòn và gãy của dụng cụ cho đến khi nó bị mài mòn [1 °].
(2) Ma sát F /.Ma sát / và / 2 được tạo ra khi khối dẫn hướng quay so với thành lỗ;Ma sát dọc trục giữa khối dẫn hướng và thành lỗ khi nó chuyển động dọc theo trục là / lu và 7L;
(3) Lực đùn Lực đùn sinh ra do biến dạng đàn hồi của thành lỗ.Lực đùn giữa khối dẫn hướng và thành lỗ là M và ^ 2. Theo nguyên lý cân bằng hệ lực, có thể biết rằng:
Trong đó: là kết quả của lực cắt dọc;F,.Là kết quả của lực cắt hướng tâm;F là kết quả của lực cắt theo chu vi.Giả sử chỉ xét hệ số ma sát Coulomb thì ma sát dọc trục và ma sát chu vi trên khối dẫn hướng bằng nhau.Nó có thể được trực tiếp thông qua thử nghiệm
Nối mômen M và F a đo được trong quá trình gia công lỗ sâu.
Đối với một mũi khoan đã cho, đường kính danh nghĩa của nó là và góc vị trí của khối dẫn hướng được xác định.Ngoài ra, lực dọc trục thực nghiệm của lực cắt bằng một nửa lực cắt chính.Bằng cách tổng hợp công thức trên, có thể tính được các thành phần lực cắt và lực tác dụng lên khối dẫn hướng.
3. Mô phỏng khoan của máy khoan súng
Việc khoan lỗ sâu của vai trong được thực hiện trong điều kiện kín hoặc nửa kín.Nhiệt cắt không dễ phân tán, khó bố trí và độ cứng của hệ thống quá trình kém.Khi chất làm mát sinh ra trong quá trình khoan không thể đi vào vùng cắt, dẫn đến khả năng làm mát và bôi trơn kém, nhiệt độ dụng cụ sẽ tăng mạnh, làm tăng nhanh mài mòn dụng cụ;Với việc tăng chiều sâu khoan, độ nhô của dụng cụ tăng lên, và độ cứng của hệ thống quá trình khoan giảm.Tất cả những điều này đặt ra một số yêu cầu đặc biệt cho quá trình khoan lỗ sâu với việc loại bỏ phoi bên trong.Bài báo này dự đoán nhiệt và lực cắt sinh ra trong quá trình cắt thông qua mô phỏng tái tạo các điều kiện gia công thực tế, từ đó tạo cơ sở để tối ưu hóa quá trình khoan lỗ sâu.3.1 Định nghĩa các thông số khoan và đặc tính vật liệu DEFORM là một tập hợp các hệ thống mô phỏng quá trình dựa trên phần tử hữu hạn để phân tích quá trình tạo hình kim loại.Bằng cách mô phỏng toàn bộ quá trình xử lý trên máy tính, các kỹ sư và nhà thiết kế có thể dự đoán trước các yếu tố bất lợi trong các điều kiện làm việc khác nhau và cải thiện hiệu quả quy trình xử lý nM2].Trong bài báo này, phần mềm mô hình 3D Pm / E được sử dụng để vẽ mô hình công cụ mô phỏng và mô hình được lưu dưới dạng Định dạng STL được nhập vào Defo rm - 3 D. Các thông số và điều kiện cắt được thiết lập được trình bày trong Bảng 1.
(1) Cài đặt điều kiện làm việc: chọn khoan làm kiểu gia công, tiêu chuẩn đơn vị là SI, nhập tốc độ cắt và tốc độ tiến dao, nhiệt độ môi trường là 20t :, hệ số ma sát của bề mặt tiếp xúc phôi là 0,6, truyền nhiệt hệ số là 45 W / m2.0C, và nhiệt độ nóng chảy là 15 N / mm2 / X.
(2) Cài đặt dụng cụ và phôi: dụng cụ cứng, vật liệu là thép 45, phôi là nhựa và vật liệu là cacbua WC.
(3) Thiết lập mối quan hệ giữa các đối tượng: Mối quan hệ chủ tớ của D e fo rm là thân cứng là bộ phận chính và thân nhựa là nô, do đó dao hoạt động và phôi được truyền động.
Bảng 1 Các thông số chính của phôi và dụng cụ
Để so sánh ảnh hưởng của các thông số quá trình khác nhau đến sự thay đổi của nhiệt độ, ứng suất và biến dạng trong quá trình cắt, mô phỏng được thực hiện dưới các thông số khoan khác nhau như trong Bảng 2, và kết quả được quan sát.
Bảng 2 Các thông số khoan của súng
3.2 Mô phỏng khoan và phân tích kết quả
(1) Nhiệt độ
Phần lớn năng lượng tiêu thụ trong quá trình cắt kim loại được chuyển thành nhiệt năng.Nhiệt lượng này làm cho nhiệt độ vùng cắt tăng lên Ảnh hưởng trực tiếp đến độ mòn của dao, độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt của phôi.Trong quá trình cắt kim loại tốc độ cao, ma sát và đứt gãy nghiêm trọng làm cho nhiệt độ cục bộ tăng lên nhiệt độ rất cao trong thời gian ngắn.Trong khoan bằng súng, nhiệt chủ yếu sinh ra do biến dạng của vai cắt kim loại, ma sát giữa đệm đỡ mũi khoan và đệm lỗ phôi, và ma sát của vai cắt trên mặt cào dao [13].Tất cả những nhiệt này cần được làm mát bằng chất lỏng cắt.Bằng cách mô phỏng quá trình khoan, nhiệt độ thay đổi trong vùng tiếp xúc của phôi với các tốc độ và nguồn cấp dữ liệu khác nhau thu được.Những dữ liệu này cung cấp cơ sở thiết kế để tối ưu hóa hệ thống làm mát trong quá trình gia công lỗ sâu.Do yêu cầu hiệu suất cao của máy tính để mô phỏng quá trình khoan, cần một thời gian dài để mô phỏng quá trình gia công lỗ hoàn chỉnh.Bằng cách thiết lập kích thước bước của mô phỏng khoan, độ sâu của mô phỏng được kiểm soát để đạt được quá trình xử lý ổn định.
Cài đặt điều kiện mô phỏng Số bước mô phỏng được đặt là 1000, số bước trong khoảng thời gian mô phỏng được đặt là 50 và dữ liệu được tự động lưu sau mỗi 50 bước;Deform-3D áp dụng công nghệ tạo lưới thích ứng.Phôi là một thân nhựa.Hệ thống tạo lưới được sử dụng để tính toán lực cắt.Loại phần tử tuyệt đối được hiển thị trong Hình 5 và kết quả mô phỏng được hiển thị trong
Bàn số 3.
Hình 5 Mô hình phần tử hữu hạn và quy trình khoan của máy khoan lỗ sâu
Bảng 3 Thu thập dữ liệu về tốc độ và nhiệt độ cắt với các bước
Bằng cách phân tích và xử lý các dữ liệu trong Bảng 3, các đường cong của sự thay đổi nhiệt độ của vùng cắt phôi với số bước trong ba điều kiện làm việc thu được như trong Hình 6.
Hình 6 cho thấy tốc độ khoan có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ của vùng tiếp xúc phôi.Khi bắt đầu khoan, mũi khoan và phôi bắt đầu tiếp xúc, tốc độ ăn dao lớn.Sự va chạm mạnh của dao vào phôi làm cho nhiệt độ ban đầu thay đổi lớn và tăng nhanh.Khi quá trình khoan có xu hướng ổn định, đường cong nhìn chung trở nên nhẹ nhàng nhưng vẫn dao động, điều này là bình thường đối với quá trình gia công lỗ sâu.Vì đường kính mũi khoan nhỏ và tốc độ tiến dao lớn nên rung động sẽ kéo dài.
Từ Hình 6 cũng có thể thấy rằng tốc độ khoan có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ.Khi tốc độ tăng nhiệt độ khoan ngày càng cao.Từ kết quả của mô hình phần tử hữu hạn, nhiệt độ lớn nhất sinh ra ở các tốc độ khoan khác nhau xảy ra ở vùng biến dạng cục bộ gần điểm khoan, vì đây là nơi tập trung biến dạng dẻo và ma sát của vai dao.
Hình 6 Đường cong biến thiên của nhiệt độ vùng tiếp xúc với tốc độ cắt
(2) Phân bố ứng suất tương đương
Ứng suất Von Mises là ứng suất tương đương dựa trên năng lượng biến dạng cắt và tiêu chí năng suất.Sau khi đưa ứng suất tương đương vào, cho dù trạng thái ứng suất của phần thân có phức tạp đến đâu, nó có thể được hình dung như ứng suất khi chịu lực căng một chiều trên trị số.Mối quan hệ tương ứng giữa ứng suất tương đương và biến dạng tương đương thu được từ phép phân tích phản ánh sự gia công cứng của vật liệu phôi do biến dạng dẻo thông qua phân tích phần tử hữu hạn thu được sự thay đổi ứng suất tương đương của máy khoan súng ở các tốc độ khoan khác nhau.Khoảng thời gian mô phỏng là 50 bước, và kết quả được lưu tự động sau mỗi 50 bước, như trong Bảng 4.
Bảng 4 Thu thập dữ liệu về tốc độ cắt và lực cắt ngang bằng với các bước
Phân tích mối quan hệ giữa ứng suất tương đương và số bước được thể hiện trong Hình 7. Có thể thấy rằng các tốc độ trục chính khác nhau có ảnh hưởng rất ít đến ứng suất tương đương của phôi trong quá trình gia công, và dao động trong một phạm vi nhất định, nhưng xu hướng thay đổi ứng suất tương đương lớn nhất trong ba điều kiện xử lý là rất giống nhau.
Đường cong trong hình 7 của ứng suất tương đương khi khoan cho thấy ứng suất trong giai đoạn đầu của quá trình khoan là lớn.Khi độ sâu khoan trở nên ổn định, đường cong thường giảm xuống và trở nên nhẹ nhàng.Đồng thời, thông qua phân tích ứng suất và biến dạng, ứng suất tương đương lớn nhất của mũi khoan súng là 1550 M Pa, và chuyển vị tối đa tổng thể là 0,0823 m m.
4. Kết luận
Quá trình cắt lỗ sâu được mô phỏng hiệu quả bằng cách sử dụng phần mềm của Defo rm.Sự thay đổi nhiệt độ và sự thay đổi ứng suất trong quá trình cắt được phân tích và thu được đường cong thay đổi giữa nhiệt độ cắt và tốc độ cắt.Điều này tạo cơ sở nhất định cho việc nghiên cứu cơ cấu cắt của gia công lỗ sâu, lựa chọn các thông số cắt và thiết kế hệ thống làm mát trong thực tế gia công.