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数控机床铣削切削力的模拟与实测方法摘要：数控机床在现代制造业中发挥着重要作用，铣削切削力的模拟与实测是数控机床加工研究的关键问题之一。
本文将介绍数控机床铣削切削力的模拟与实测方法，包括力学模型的建立、数值仿真和实验测试等方面的内容，以期为相关研究提供参考。
一、引言数控机床作为现代制造业的重要工具，其高精度、高效率的特点受到广泛关注。
而铣削切削力在数控铣床加工过程中起着决定性作用，对加工质量和机床性能具有重要影响。
因此，模拟和实测数控机床铣削切削力成为加工研究的重要内容之一。
二、模拟方法1. 力学模型的建立铣削切削力的模拟首先要建立合适的力学模型。
常用的力学模型包括切削力系数模型和有限元模型两种。
切削力系数模型是通过实验获得相关参数后，根据经验公式计算切削力。
有限元模型则是将加工过程建模为一系列有限元素，通过数值分析计算切削力的分布和大小。
2. 数值仿真数值仿真是利用计算机软件模拟数控机床加工过程和切削力的计算。
常用的仿真软件有Deform、ABAQUS等。
数值仿真可以通过调整刀具几何参数、切削条件和材料性质等因素，预测不同情况下的切削力大小和分布情况，为工艺优化提供指导。
三、实测方法1. 切削力测量设备实测切削力是了解加工过程中切削力的真实情况的重要手段。
常用的切削力测量设备包括力传感器、力加载装置和数据采集系统。
力传感器可以精确测量切削力大小，力加载装置则提供切削力测量所需的切削环境。
数据采集系统可以记录和分析切削力的变化规律。
2. 实验测试方法实验测试是通过具体的切削加工试验获取切削力的实际数值。
实验测试中需要准确控制切削条件，包括切削速度、进给速度和切削深度等。
通过实验测试可以获得不同切削条件下的切削力数值，用于验证模拟结果的准确性。
四、研究进展与展望随着数控机床技术的不断发展，数控机床铣削切削力的模拟与实测方法也在不断改进和完善。
当前的研究重点主要集中在提高模拟精度和实验测试的准确性，并进一步优化数控机床的切削性能。
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。
而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。
本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。
首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。
切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。
它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。
切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。
在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。
首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。
刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。
其次是被切削材料的性质。
材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。
此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。
因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。
为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。
仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。
其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。
有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。
在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。
通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。
此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。
这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。
金属切削仿真分析的关键技术研究摘要金属切削仿真过程涉及到了很多的物理过程，包括在大应变、大变形条件下的材料模型，切屑分离准则、网格划分、接触摩擦模型磨损模型和边界条件等。
本文以2Cr13材料的有限元仿真分析为例，介绍了分析过程中需确定的各项参数设置方法，并总结了各参数对仿真结果的影响程度。
关键词切削过程仿真；材料模型；磨损模型；边界条件0 引言随着计算机技术的发展，数值模拟方法尤其是有限元分析的方法在切削加工仿真中的应用越来越多。
通过进行切屑成形仿真分析，可以得到切削过程中的相应参数，如切削力的大小，切削应力、应变、应变率的分布，工件的表面质量、残余应力等。
使用有限元分析的方法，可以降低切削实验成本，为刀具选择以及工艺参数的确定提供可靠依据，对提高企业生产效益具有重要意义。
1 有限元建模方法切屑成形的有限元仿真目前有三种方法：Lagrange方法、Euler方法和ALE 方法。
在Lagrange分析方法中，网格固定在材料上并随材料的变形而移动，因此使用拉格朗日方法，可以随材料的变形而自动形成切屑，特别适用于模拟切屑的初始形成状态，同时也可用于仿真切削的稳定状态。
在Euler分析方法中，网格固定于空间而材料以一定速度流过网格。
使用这种方法可以最小化工件材料的网格数，缩短计算时间，非常适合对稳定状态的切削过程进行分析。
但是欧拉方法不能模拟切屑由初始状态达到稳定状态的过程。
ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法结合了纯拉格朗日方法和纯欧拉方法的特点，通过网格独立于材料的移动，在大变形和材料去除等分析的整个过程中保证高质量的网格。
2 工件材料模型在切削过程中，工件处于高温、大应变和大应变率的条件下发生弹塑性变形，考虑到以上各种因素对工件材料特性的影响，采用Johnson-Cook热粘塑性模型做为工件材料的本构模型，该模型将工件材料的流变应力看成是应变、应变率和温度的函数：其中：为流动应力，为等效塑性应变，n为应变硬化指数，为等效塑性应变率，为室温，为金属熔点温度，m为应变率灵敏指数，T为工件表面温度。
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究一、概述钻削过程是金属加工中常见的加工工艺之一，其切削过程中切屑的形成和受力情况对加工质量和工件表面粗糙度有着重要影响。
本文将针对钻削过程中切屑受力建模及有限元仿真研究展开深入探讨，从宏观和微观两个角度分析切屑的形成机理和受力情况，旨在为钻削工艺提供更深入的理论基础和实用指导。
二、切屑形成机理分析1. 切屑形成的基本过程在钻削过程中，切屑的形成是由刀具对工件进行切削，其中金属材料在刀具作用下形成的薄层即为切屑。
切屑形成的基本过程可以简要概括为切屑的起始、发展和脱离三个阶段。
切屑的形成机理主要包括切削热、切削变形、切削厚度和切屑形状等因素的综合作用。
2. 切屑形成的影响因素切屑形成受到诸多因素的影响，包括工件材料性能、刀具的材料和几何形状、切削参数、冷却液的使用等。
不同的工件材料、刀具材料和切削参数组合会导致切屑的形态、厚度和温度等特性的差异，从而影响切屑的排屑能力、切屑的排屑性能和对切屑的进一步加工。
三、切屑受力情况分析1. 切屑的受力特点切屑在形成过程中会承受来自刀具的切削力、切削热和切屑自身的重力等多种力的作用。
其中，切削力是切屑受力的主要载荷，其大小和方向直接影响切屑的形状和质量。
切屑受力还与刀具的几何形状、切削参数和切削状态等因素相关。
2. 切屑的受力模型有限元分析是研究切屑受力的有效方法之一，通过建立钻削加工的切屑受力模型，可以分析切屑在加工过程中的受力情况。
通过有限元仿真可以得到切屑的应变、应力分布以及切屑的变形情况，从而为钻削工艺的优化提供理论支持。
四、有限元仿真研究1. 切屑受力的有限元模型建立在进行有限元仿真时，首先需要建立钻削过程中切屑受力的有限元模型。
该模型需要考虑刀具、工件、切屑和切削液等多个物理对象及其之间的相互作用，同时要考虑切屑受力的非线性、瞬态和热传导等特性。
通过对切屑受力的有限元模型建立，可以准确地模拟切屑在切削过程中的受力情况。
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究【文章】钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究一、引言钻削作为金属加工中的一种重要工艺，其切屑受力情况一直备受关注。
本文旨在通过建模及有限元仿真研究，探讨钻削过程中切屑受力的特点及影响因素，从而提供深度的理论指导和实践应用价值。
二、切屑受力特点1. 切屑形成与受力关系在钻削过程中，切屑形成与受力密切相关。
切屑的形成主要受到切削力、切削温度和材料力学性能等因素的影响。
其中，切削力是切屑形成的主要驱动因素，在切削过程中产生的切削力将直接影响切屑的形态和受力情况。
2. 切屑受力影响因素切屑的受力情况受到多种因素的影响，包括钻具结构、切削参数、工件材料等。
钻具结构的合理设计和切削参数的选择对于降低切屑受力具有重要意义。
工件材料的硬度、塑性等力学性能也会对切屑受力产生影响。
3. 切屑受力模型建立针对切屑受力情况的复杂性，需要建立合理的数学模型来描述其受力特点。
基于切屑形成机理和材料力学性能，可以建立切屑受力模型，从而深入分析切屑在钻削过程中的受力情况。
三、有限元仿真研究1. 有限元建模通过有限元方法，可以对钻削过程中切屑受力进行深入研究。
在建立切屑受力模型的基础上，采用有限元方法进行建模和仿真，可以模拟实际的钻削过程，并获取切屑受力的详细信息。
2. 仿真结果分析通过有限元仿真，可以获取切屑受力的分布情况、受力大小和变化规律。
还可以对不同工艺参数和材料性能对切屑受力的影响进行系统分析，为钻削过程的优化提供理论依据。
四、个人观点与总结在钻削过程中，切屑受力的研究对于提高钻削效率和延长工具寿命具有重要意义。
通过深入分析切屑受力的特点和影响因素，可以为钻削工艺的优化提供理论依据。
有限元仿真作为一种重要的研究手段，为切屑受力的深入研究提供了新的途径和方法。
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究具有重要的理论和应用价值，值得深入探讨和研究。
以上是本次文章的初稿，具体的细节和论证可以进一步完善。
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2020, 9(4), 343-350Published Online August 2020 in Hans. /journal/methttps:///10.12677/met.2020.94036Simulation and Experimental Study onCutting Force of Drilling High Strength SteelMaoxia Zhu1*, Chengzhe Jin2#, Yingying Zhang21Linyi Zhihui New Energy Technology Co., Ltd., Linyi Shandong2School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang LiaoningReceived: Aug. 5th, 2020; accepted: Aug. 20th, 2020; published: Aug. 27th, 2020AbstractPurpose: Through the simulation and test analysis of drilling high strength steel, cutting regimes are studied quantitatively for the influence law of cutting force and torque, to improve the quality of the workpiece life and processing efficiency to provide a theoretical basis. Means: Finite element analy-sis software is used for simulation analysis; a 3D drilling model is established; single factor control variable method is adopted. Then, the change rules of axial force and torque of drilling under dif-ferent cutting regimes are obtained by calculation and analysis. The orthogonal experiment design is used in the experimental study. Relevant data of axial force and torque are obtained by means of Kistler three-way dynamic piezoelectric plate dynamometer and DynoWare software. Then, the change rules of axial force and torque of drilling under different cutting regimes are obtained by calculation and analysis. Conclusion: The simulation results of drilling are consistent with the cut-ting experimental results; the cutting force increases with the increase of the cutting speed; torque decreases with the increase of cutting speed; both cutting force and torque increase with the in-crease of feed; the cutting force and torque increase with the increase of bit diameter.KeywordsDrilling, Cutting Force, Simulation, Orthogonal Experiment Design钻削高强度钢的切削力仿真及试验研究朱茂霞1*，金成哲2#，张莹莹21临沂智慧新能源科技有限公司，山东临沂2沈阳理工大学，机械工程学院，辽宁沈阳*第一作者。
#通讯作者。
朱茂霞 等收稿日期：2020年8月5日；录用日期：2020年8月20日；发布日期：2020年8月27日摘要目的：通过钻削高强度钢的仿真和试验分析，研究钻削加工参数对切削力及扭矩的影响规律，为提高钻削工件质量及效率提供理论研究基础。
方法：利用有限元分析软件，建立了3D 钻削模型，采用单因素控制变量法，计算分析得到不同工艺参数下钻削轴向力和转矩的变化规律。
采用正交试验设计法，应用Kistler 三向动态压电式平板测力仪和动态信号采集系统，以及DynoWare 软件进行分析和处理，得到不同工艺参数下钻削轴向力和转矩的变化规律。
结论：钻削加工仿真分析和试验结果一致表明，切削力随切削速度的增大而增大，扭矩随切削速度的增大而减小；切削力和扭矩都随进给量的增大而增大；切削力和扭矩都随钻头直径的增大而增大。
关键词钻削，切削力，仿真，正交试验设计Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). /licenses/by/4.0/1. 引言高强度钢广泛应用于航空航天特别是军事工业等领域，属于难加工材料。
在传统切削加工工艺中，切削加工总量的1/3约是孔加工，钻削是孔加工工艺中最经济和高效的方法，可以提高加工效率降低加工成本，对机械制造业的发展和国民经济稳定增长有着十分重要的意义[1]。
钻削加工中关键的问题是如何合理的选择钻削工艺参数，通过控制切削力来保证钻削工件的质量寿命及加工效率。
因此，对于钻削加工的切削力的研究成为国内外学者的研究热点。
王凯旋[2]等人利用DEFORM 软件对钛合金微孔加工的钻削力建立了一种能够精确预测钻头所受钻削力的切削力模型。
马未未[3]等人利用DEFORM 软件对于高速钢钻削进行了仿真分析，得到不同进给量下的轴向力、转矩及温度的仿真结果。
许明三[4]等人从切削参数和刀具角度方面对难加工材料的切削性能进行研究。
于凤云[5]等人通过对高强度钢的切削加工试验得出群钻可以使切削力和扭矩减小。
冯光[6]利用ABAQUS 对碳纤维复合材料进行钻削建模，并通过试验验证，钻削速度、进给速度、钻头直径对钻削力的影响。
D. Mai [7]利用3D CAD 建立了一种钻削力模型，可以应用于CFRP 的加工。
Xiaoye Yan [8]提出一种CFRP 钻削加工的力学模型，总结出了切削深度、刀具角度、纤维趋向等因素之间的关系。
Stephenson 和Agapiou [9]研究了钻削灰铸铁时，通过参数化方法结合切削试验的经验切削力模型，得到扭矩和轴向力的计算结果。
Hiroyuki Kodama [10]等人通过改变进给量、转速和进给速度，测量推力和切削温度，研究了切削条件对不锈钢小直径深孔钻进性能的影响，得到每刃进给量和进给速度相结合可以降低钻削过程中的轴向力和钻削时间。
尽管国内外的学者对不同种材料的钻削切削力进行了多方面的研究和分析，取得了一些研究成果。
但对于高强度钢钻削加工的切削力研究还相对较少。
为此，本文以钻削加工高强度钢的仿真分析和试验验证为基础，研究切削速度、进给量以及钻头直径这三个工艺参数对切削力及扭矩的影响规律，为提高工件的质量寿命及加工效率提供理论基础。
朱茂霞 等2. 钻削切削力仿真2.1. 有限元仿真模型的建立金属切削过程是刀具与工件相互运动，相互作用的过程，其中刀具和切削层会产生推挤，剪切及摩擦等作用，两者发生热-弹-塑性变形，伴随大应变和高温状态下的大塑性变形而发生断裂达到去除的效果。
有限元法不但能计算塑性加工过程中的力能消耗，还能计算变形的应力和应变分布，客观地反映出切削区域切屑形态，刀具磨损等问题。
有效地节约了试验时间，降低试验耗费。
本文基于AdvantEdge 有限元软件建立了钻削加工仿真模型，工件材料选用34CrNi3MoV 高强度钢，刀具为硬质合金麻花钻头。
由于材料的高温变形反应不明显，同时又存在高应变断裂，变形的情况，所以根据材料的应力曲线[11]定义该材料本构模型为P-L 模型，刀具及工件的网格划分选择四面体网格，建立麻花钻头模型，进而仿真钻削加工的切削过程。
2.2. 单因素仿真试验本试验选择单因素控制变量法，在保证其它两个切削参数不变的情况下，准确分析当前工艺参数对切削力和扭矩的影响，钻削仿真工艺参数及刀具几何参数如表1所示。
Table 1. Drilling simulation process parameter and tool geometry parameter table 表1. 钻削仿真工艺参数及刀具几何参数表切削速度v (m/min)进给量f (mm/r) 刀具直径D (mm)顶角φ (˚) 螺旋角β (˚) 刃磨后横刃宽度W 2(mm)20 0.10 4 140 30 0.3 40 0.15 10 55 0.2 16 70 0.25 800.30钻削仿真的三向切削力和扭矩的后处理结果，如图1所示。
钻削加工中，三个方向的切削分力中轴向力最能反映钻削加工过程的实质，因此对仿真模型进行计算分析后，得出不同工艺参数下的轴向力和转矩。
Figure 1. Three-dimensional cutting force and torque simulation results 图1. 三向切削力和扭矩仿真结果朱茂霞等当D = 10 mm，f = 0.2 mm/r时，得出不同切削速度下的轴向力和扭矩；当D = 10 mm，v = 55 m/min 时得出不同进给量下的轴向力和扭矩；当v = 55 m/min，f = 0.2 mm/r时，得出不同刀具直径下的轴向力和扭矩，具体数据如表2所示。
Table 2. Single factor test data table表2.单因素试验数据表切削速度v (m/min) 轴向力Fz(KN)转矩T(N∙m)进给量f(mm/r)轴向力Fz(KN)转矩T(N∙m)刀具直径D(mm)轴向力Fz(KN)转矩T(N∙m)20 1.38 14.8 0.10 1.62 9.3 4 1.18 3.6940 1.95 13.2 0.15 1.98 10.4 10 2.36 11.755 2.36 11.7 0.2 2.36 11.7 16 4.32 16.870 2.24 11.1 0.25 2.88 12.680 2.19 10.6 0.30 3.65 13.73. 钻削切削力试验3.1. 正交试验钻削加工切削力和扭矩试验选用的机床设备为VMC850E立式加工中心，试验工件材料为高强高硬34CrNi3MoV合金钢，其尺寸规格为：长180 mm，宽120 mm，高70 mm。
