导　　师： 叶邦彦

学科专业： H0201

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 随着新材料和高科技产品层出不穷，孔加工作为机械制造的主要工艺，广泛应用于航空、航天、汽车、装备制造、军事、医疗等众多领域。非传统的孔加工方法如电火花加工（EDM）、离子束加工（HBM）、激光加工（LBM）等，它们在加工机理上虽然有不同的创新，但要受到工件材料、精度要求、生产率、生产费用等的限制，目前国内外应用最广泛、生产实用性最强的孔加工方法仍然是采用麻花钻的钻削加工。非传统的钻削新工艺以其特有的加工机理，越来越显出其优势。导电加热切削技术是一种典型的复合加工工艺，它通过电流的热效应提高切削区的温度，使切削区材料受热软化，切削变得顺利。长期以来，导电加热切削一直被视为对付难加工材料的有效方法之一。
　　 不锈钢具有耐磨性好、阻尼性及耐热性强，热膨胀系数小等优异性能，被广泛应用于航空、航天和军事领域及汽车和电子信息等民用领域。高锰钢具有较高的强度、延伸率和冲击韧性，较强的耐磨性，广泛应用于高速铁路道又及各种工程机械中。但由于它们具有强度大、导热性差等特点，属于典型的难加工材料。本文采用有限元模拟与试验研究相结合的方法，对导电加热钻削不锈钢及高锰钢材料小孔的钻削过程开展了深入的研究，为小孔钻削拓展出一条新的思路。
　　 本学位论文共分七部分，各部分内容简述如下。
　　 第一章阐述了论文的研究背景和意义，总结了小孔钻削、难加工材料的切削和导电加热切削的国内外研究概况，提出了本文的研究内容和主体框架。
　　 第二章回顾了金属切削加工的相关理论，对有限元模拟的关键技术进行了深入研究，综合钻削加工自身的特殊性，建立了钻削加工的三维有限元模型，用有限元方法动态模拟了钻削加工过程，获得了麻花钻加工过程中的连续切屑，分析预测了钻削过程中工件的钻削力及温度分布，并通过试验验证了钻削有限元模型的正确性。
　　 第三章首先分析了麻花钻钻削时存在的问题，由于麻花钻主切削刃上各点的切削速度、前角、后角和刃倾角都不同，导致变形复杂，增加了钻头磨损和排屑难度。其次分析了导电加热钻削难加工材料的特点，并对导电切削微区的电传导机理及其影响因素进行了探讨。在此基础上确定导电加热钻削的实施方案和实验装置的设计，特别是对导电加热电源、上下电极进行了独特设计，为后面的实验研究奠定了坚实的基础。
　　 第四章通过对麻花钻的力学分析，建立了三维钻削有限元力学模型，进行了导电加热钻削有限元数值模拟合实验验证，获得了钻削加工中的轴向力和扭矩等物理量的变化规律，分析了导电电流、钻头直径、切削速度和进给量等参数对轴向力和扭矩的影响，数值仿真和实验研究结果吻合，并从宏观和微观两方面分析了导电加热钻削得到的切屑形貌特征。最后对试验数据进行拟合，获得导电加热钻削力的经验公式。
　　 第五章对导电加热钻削中的温度场展开了分析，建立了非稳态热传导钻削温度场的有限元模型，通过钻削温度有限元模拟，预测了钻削温度场的分布及其变化趋势，并进行相关的实验验证，定性分析了导电电流、钻头直径、切削速度和进给量对钻削温度的影响，验证了仿真模型。最后对试验数据进行拟合，获得导电加热钻削温度的经验公式。
　　 第六章对导电加热钻削的表面形貌及刀具的磨损特性进行了分析。导电钻削获得的表面粗糙度比普通钻削获得的表面粗糙度要小，无表面硬化层，钻头的初期磨损阶段较短，正常磨损阶段明显延长。进一步用SEM对钻头磨损区域的观察表明，横刃区主要由于强烈的挤压作用使基体产生塑性变形，是轴向力的主要来源，主切削刃部分一般为机械磨损和粘结磨损。并对钻头的耐用度进行了量化研究。
　　 最后对全文工作进行了概括总结，并对进一步研究的内容进行了展望。

关 键 词： 难加工材料 导电加热钻削 有限元法 加工表面形态 孔加工 小孔钻削 冲击韧性

分 类 号： [TG52]

领　　域： [金属学及工艺]