基于热-力多物理场耦合理论的钻削仿真研究

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孔表面创成过程与质量与下列因素有关：切削用量(主轴高速旋转速度、进给速度)；刀具(几何形状、刀具材料)；32艺过程(切削力、切削温度、刀具磨损、排屑断屑)；工件材料。在局部高温和高压条件下，钻削印刷电路板过程中存在着机械、物理和化学作用，在孔形成过程中表面创成会呈现出特殊规律。国际上对金属切削工艺的有限元模拟应用十分广泛，-些科研人员对钻、车、铣的三维金属切削过程的模拟进行了深入研究，应用Robust自适应重划算法，避免了计算过程中产生的不收敛问题 ；-些科研人员分析了难加工材料切削中，回转刀具的圆周速度和刀具表面温度的关系 ；科研人员建立了-个干切削条件下钻孔的温度场模型，该模型可以用于各种几何形状的钻头 ；科研人员对钻孔过程中的轴向力和扭矩进行了仿真，分析了主轴转速、轴向进给和钻头直径对切削力的影响 ；有限元方法在切削工艺中的应用表明，对材料变形和传热等行为的考虑因素可以更多且更接近于实际隋况，而且可以对切屑形态、切削力、切削温度、以及切削变形详细状况等进行分析研究 。-些科研人员研究了在钻削骨头的过程中，钻削力和钻削温度受进给速度和钻削速度的影响。设计了带三个切削刃的新型医疗钻头Ⅱq。对于PCB的钻削加工，尚无加工过程等的仿真研究报道。

2钻削有限元模型项目选择采用 AdvantEdgetm FEM对钻削加工过程进行模拟，仿真流程，如图 1所示。

图 1 AdvantEdge仿真流程Fig.1 AdvantEdgetm FEM钻头模型的结构参数，如表1所示。转速与实际加工参数-致。工件材料设置为为铜C37700brass，厚度0.4mm，垫板为铸铁厚度 1.6mm，加垫板的目的是增加z向约束，铜与铸铁均设置为塑性体。如图2所示。

来稿日期：2012-05-21基金项目：上海市宝山区科学技术委员会的资助(cxv-2012-18)作者简介：黄立新，(1963-)，女，江苏海门人，副教授，工学博士，主要研究方向：先进制造，高速加工166 黄立新等：基于热-力多物理愁合理论的钻削仿真研究 第3期上图2钻削有限元模型Fig.2 Model of Driling FEM2.1钻削印刷电路板铜箔过程的钻削力模型仿真模型采用 Sandstrom的大应力应变和高温下的材料性能lq，以及 Marusich的本构模型1。热力学耦合模型包括热软化的塑性、摩擦接触的网格及全耦合热传导和破裂。流动法则规定了工件材料塑性应变增量的分量和应力分量以及应力增量分量之间的关系如下㈣。 式中：确 效Mises应力；g-流动应力；- 累积塑性应变；- 相对塑性应变率；m广应变率敏感性指数；g-热软化，采用幂指型硬化模型。

仿真参数输入如下：(1)单层：铜的钻孔仿真工件材料：C37700brass(化学成分：铜Cu 57-61%铅Pb 1.0-3.O%铁Fe锡Sn<1.O%铁Fe99.8%。工件参数，如表 1所示。

(2)双层：铜、铸铁的钻孑L仿真钻头参数，如表2所示。钻削用量，如表4所示。为了增加z向约束。在工件材料铜的下面。增加硬度较高的铸铁作垫板，促使切屑向上排出。工件材料，如表 4所示。

表 1工件参数Tab.1 Workpiece Parameter名称工件宽度工件厚度63501xm工件长度 6直径刃带公差螺旋角横刃宽度螺旋槽半径螺旋槽长度刀尖半径顶角顶角公差横刃斜角表3钻削用量选择Tab.3 Cuting Conditions名称主轴转速进给量初始温度20k/r/rainO.29125表4工件材料选择Tab.4 Selection of Workpiece2-2钻削印刷电路板铜箔过程的温度仿真钻削热主要来源于工件材料的塑性变形和钻头与工件的摩擦。仿真中采用的钻头与工件的摩擦模型采用库伦摩擦方程，它在钻削仿真中是-种较可行的模型，摩擦系数设为0.3。与热量生成有关的温度增量为：l△ 芷 (2)pL式中：△ 温度增量；。

- 工件对流换热因子；换效率因子；效应力；pl- 相对塑性应变；料的密度；料的比热容。

2.3钻削印刷电路板铜箔过程的力热耦合利用交叉迭代差分有限元解法对铜箔钻削过程进行了力热耦合，第-、第二变形区的塑性变形获得极大的应变率，而工件的已加工表面的应变却很校这种模拟过程是-种典型的高梯度问题，需要有自适应的网格重划技术。忽略钻头的变形，即钻头为刚体，热由工件传递给钻头，多物理场分析工具可以分析出整个钻削过程上热量的转移、应力变化以及由于温度的上升导致的变形。

3仿真结果和讨论3.1钻削 PCB板的铜屑铜具有韧性好和导热性强的特点，钻屑卷曲是金属钻削过程的-种基本现象，当钻屑沿前刀面流动时，钻屑底层的流动速度较钻屑的其他部分缓慢得多，产生了滞留现象，并发生了二次塑性变形，于是钻屑以曲面形状弯曲。钻削Pc田板实验所产生的钻屑的宏观形貌，如图3所示。共有三类：长带状铜屑、短带状铜屑和 C型屑。

切屑形貌 切屑形成仿真(a) 250mm/min-m、 -丽.加 瞄：