福州大学朱兆聚副教授和山东大学孙杰教授团队:钻削温度研究的最新进展|CJME论文推荐

引用论文

Zhu, Z., Sun, X., Guo, K. et al. Recent Advances in Drilling Tool Temperature: A State-of-the-Art Review. Chin. J. Mech. Eng. 35, 148 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00818-w

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研究背景及目的

钻削被经常作为材料切削加工的最后一道工序，广泛应用于汽车、航空航天及其他行业，约占整个材料去除过程的40%。在钻削加工工艺过程中，金属切削所产生的大部分能量以热量的形式传递到切屑、工件和刀具中，由于钻削温度的升高，可导致材料软化等问题进而影响制孔的质量。因此，加强对钻削温度的研究，进一步了解温度与钻削过程中各个参量互相影响的机制，对降低钻削温度、延长刀具使用寿命、改善孔的加工质量以及提高工件的机械性能都有着极其重要的意义。当前已有众多学者研究钻削温度与钻孔质量之间的影响机制，但较少对钻削温度的研究进行系统整理与分析。因此，本综述概述了钻削温度理论建模的主要方法以及各类测温装置的技术特点，阐明了工艺参数、刀具结构以及制孔方式对钻削的温度的影响以及各类冷却方式的特点及其降温机制，并对存在的问题以及今后研究方向进行分析和探讨。

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试验方法

在本篇综述中，首先以钻削温度的理论分析为切入点总结了各类温度建模的方法，有助于从本质上理解钻削温度对钻孔质量之间的关联；接着概述了钻削温度的测量方法并总结了各类测温方法的优缺点；然后分析不同工件材料在不同工艺参数以及刀具结构下的温度变化趋势，阐明不同工艺参数以及不同刀具结构对钻削温度的影响机理；随后介绍不同制孔方式的原理及其特点，将不同制孔方式对钻削温度的影响机制进行系统分析；更进一步地，我们概述了不同的绿色冷却技术的发展与应用，并阐明不同冷却技术的降温机制；最后，本文指出了钻削温度研究的不足、挑战和进一步发展的方向。

Figure 1The flow and structure of this paper

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结果

（1）接触式测量由于精度高且操作简单等优点得到了广泛的应用，主要包括自然热电偶法、嵌入式热电偶法以及drill-foil热电偶系统测温等。非接触测量的方法包括光学高温计法、红外热成像法以及双色光纤高温计法等。该类测量方法可以简单、直观、远距离对工件表面温度进行非接触测量，但在测量前需要进行校准，并且除非特别定位，否则当钻头在工件内部时难以测量到钻头的温度。

（2）在钻削过程中，工艺参数以及钻头结构与温度的关系较为复杂，其中所选的刀具材料、工件材料、冷却工艺等都是影响工艺参数与钻削温度关联机制的重要因素。因此工艺参数的合理选用以及刀具结构的合理设计对降低切削热十分重要。

（3）不同的制孔方式对钻削温度的影响原理是不同的：低频振动与超声振动制孔排屑断屑效果较好，且刀具与工件在加工过程中周期性接触和分离，因此能够有效降低钻削温度；螺旋铣孔因其特殊的加工形式，不会像钻孔一样产生连续性切屑，且刀具直径小于孔径，有利于热量散失，因此与传统的钻削相比，螺旋铣孔的温度一般是更低的。

Figure 2The development of different techniques for temperature measurement

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结论

（1）在钻削温度理论研究方面，现有的研究关于切削热在钻削过程中的热分配局限性较大。为能正确表达切削热在刀具、工件、切屑中的热分配机制，有必要从热力耦合的角度来进一步研究切削热理论模型以便研究者们在钻削温度进行更深入的研究。

（2）在温度测量方法方面的运用相对成熟，但各种方法都有一定的缺陷，比如热电偶法，由于预埋入工件或者钻头中，因此并不能准确测量钻削温度；而对于无接触的测量方法来说，无法测量钻头在工件中时的温度。因此，在实际的实验中，更提倡将不同测量方法相结合，以此取长补短，更真实的反映钻削时的温度。

（3）在切削速度、进给速度以及钻头结构对钻削温度的影响已有了大量的研究，但从各个研究结果来看，这些因素对钻削温度的影响并非是单纯的线性关系。因此，准确把握切削速度、进给速度、钻头结构等因素与钻削温度的关联机制还需要更加深入、系统的探索。

（4）在辅助冷却方式方面，本文较为系统的介绍了现有的较为成熟的绿色冷却方式。MQL的冷却效果与冷却液的选用以及流速有关，且相较于其他冷切方式，冷却效果不强，但MQL在改善刀具磨损上表现较为突出；空冷方式在排屑散热上表现较好；低温冷却方式冷却效果最强，更应该注重考虑材料的低温损伤。而在开发新工艺方面，虽然已开展了大量的研究，也取得了一些有益的成果，但难以做到普及和推广。开发新的冷却工艺并实现普及，不仅需要在控制钻削温度以及改善加工质量上有效果，还要控制制造成本、对环境友好，因此仍然有很长的路要走。

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前景与应用

钻削温度是影响孔的几何尺寸精度、加工表面完整性以及刀具磨损的重要因素。其中，优化钻头结构和工艺参数、使用不同制孔方法（如超声振动制空，低频振动制孔、螺旋铣孔等）以及利用不同冷却方式等方法能够降低钻削温度，有效改善钻头的钻削性能。对钻削温度的相关研究可以从以下几个方面进行进一步探讨：（1）钻削温度理论研究体系还不成熟，可从热力耦合的角度进一步研究切削热理论模型，进而优化钻头的结构以及工艺参数；（2）从已有的研究结果来看，工艺参数以及钻头结构等对钻削温度的影响并非单纯的线性关系，准确把握切削速度、进给速度以及钻头结构等因素与钻削温度的影响机制还需要进行更深入系统的探索；（3）对于不同的制孔方法，超声振动辅助钻削、低频振动钻削等方法目前主要针对特定的振动参数、特定的钻头直径以及钻削参数进行研究，理论层面的研究还相对匮乏，有必要对不同的制孔方式进行更加深入的理论研究。

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团队带头人介绍

孙杰，教授，博士生导师。泉城产业领军人才，山东大学航空构件制造技术及装备研究中心主任、国防科技工业树脂基结构复合材料技术应用创新中心理事、国家自然科学基金通讯评议专家、多个省市科研项目函评专家、多个省市科学技术奖励函评专家；《激光杂志》、《coating》等杂志编辑委员会委员。承担包括国家“863”领域重点项目、国家科技重大专项、装备发展部项目、国家自然科学基金、等项目科研项目30余项，在国内外学术期刊发表论文183篇，出版专著1部，授权发明专利32项，获山东省科技进步二等奖3项。

作者介绍

朱兆聚（本文第一作者），男，中共党员，副教授，硕士生导师，福州大学旗山学者（海外），福建省引进高层次C类人才。2019年6月博士毕业于山东大学机械工程学院，2016年9月至2018年11月于美国密西根大学安娜堡分校联合培养，兼任福建省中医药学会精准医学分会委员、美国机械工程师协会会员等。先后主持国家自然科学基金青年项目、福建省卫健委科技项目及福建省自然科学基金面上项目等各类科研项目8项，教研教改项目1项，发表SCI/EI学术论文20余篇，申请或授权专利15件，完成专利成果转化8件，获得福建省科技进步三等奖（排名第四）、福州大学机械工程及自动化学院优秀教师奖和江苏省镇江市“福地英才”人才项目等荣誉。

团队研究方向

高效复合加工、智能制造、增材制造工艺与装备及生物组织去除装备开发。

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作 者：朱兆聚

责任编辑：谢雅洁

责任校对： 向映姣

审 核：张 强

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