《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：A predictive thermomechanical model for peck drilling
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为了应对钻孔过程中因摩擦和材料变形产生的过高热量导致的刀具磨损、工件表面损伤及残余应力等问题，本研究开发了一个用于啄钻加工的综合预测框架。该研究整合了基于Oxley理论的斜切削力学模型与两种热分析方法（解析法和有限体积法FVM），实现了对切削力和温度分布的可靠预测。经过实验验证，模型在切削功率、切削力及最高温度的预测上均显示出较高精度。该框架为评估润滑策略对啄钻性能的影响奠定了基础，对优化制造工艺、提升零件质量具有重要意义。
在制造业中，钻孔是最为常见也最成熟的金属切削工艺之一。然而，在钻头与工件之间剧烈的摩擦以及切屑形成过程中的材料塑性变形，会源源不断地产生大量热量。这些热量看似微不足道，却是引发一系列制造难题的“隐形杀手”。过高的切削温度会加速钻头的磨损，缩短其使用寿命，甚至可能因刀具热硬度和强度不足而导致切削刃发生塑性变形。更棘手的是，热量还会“烫伤”工件本身，导致工件表面氧化、快速腐蚀或烧蚀，在内部形成残余拉应力与微裂纹，严重影响其尺寸精度和结构完整性。为了给这股“热流”降温，工程师们想出了“啄钻”这一巧妙策略——将原本一气呵成的钻孔过程，分解为若干次分段“啄击”，每次钻入一定深度后，便将钻头短暂退出孔外，让切屑得以排出，也为工件和刀具赢得了宝贵的冷却时间。啄钻虽然有效，但其背后的热力学机制却如“黑箱”一般难以捉摸。文献中针对啄钻工艺的力学机理及热分析研究寥寥无几，准确预测其温度分布对于提升加工性能、确保零件质量至关重要，这正是当前研究亟待填补的空白。
为此，由意大利米兰理工大学机械工程系的Mattia Pelosin、Alessandro Moramarco、Luca Bernini、Paolo Albertelli和Tommaso Lucchini组成的研究团队，在《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》上发表了一项创新研究，提出了一个用于啄钻加工的预测性热力耦合模型框架。该研究旨在开发一套能够可靠评估啄钻过程中切削力和温度分布的计算方法，从而为工艺优化提供理论工具。
研究者们采用了一套创新的集成方法。首先，他们建立了一个力学模型，将用于正交切割的Oxley预测加工理论，通过引入斜切割角和基于Johnson–Cook流变应力材料模型，成功扩展到了适用于钻削的斜切割情形。这个模型能够计算出切削力和机械功率。接着，他们设计了两种并行的热分析路径来预测工件温度：一种基于移动锥形热源假设的解析方法，对瞬态热传导问题进行高效求解；另一种则是采用有限体积法(FVM)进行三维数值模拟，以更精细地刻画传热和材料移除的动态过程。这两种热模型所需的输入热功率，均由前述力学模型计算出的切削功率，再乘以一个与切削速度和进给率相关的热分配系数得到，并且其功率输入的时间历程严格遵循啄钻的“进-退”循环策略。最后，研究团队通过设计一系列在不同切削条件和钻头参数下的钻孔实验，测量了切削力和温度，用以全面验证所提出框架的预测准确性。
研究结果揭示了模型卓越的预测能力：
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框架的整体有效性：所提出的集成框架成功地将力学模型与两种热分析方法相结合，能够对啄钻过程的切削力和温度演变进行有效预测。力学模型被证明是稳态的，这与实验中观察到的、在每次啄击的切入阶段切削力迅速达到稳态的现象相符。
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力学模型的预测精度：扩展的斜切割力学模型能够准确计算沿切削刃分布的微元切削力，并通过积分得到全局的推力和扭矩。模型预测与实验测量结果高度吻合，在广泛的切削速度和进给率参数范围内，对切削力的平均预测误差仅为7.45%，对切削功率的预测误差为4.66%。
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热分析方法的性能对比：两种热分析方法均能可靠预测工件中的温度场。其中，有限体积法(FVM)模拟显示出更高的精度，对最高温度预测的平均误差为8%；而解析方法因其固有的简化假设，平均误差略高，为11.64%。但解析方法计算效率极高，单次分析仅需约60秒，远快于FVM模拟所需的约3000秒（每处理器），使其非常适合于快速参数化研究和工艺优化。
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热分配系数的关键作用：研究基于文献实验数据，推导出了热分配系数与切削速度、进给率之间的对数经验公式。该系数决定了有多少切割产生的热量会传入工件，是连接力学模型与热分析的关键桥梁，其准确性直接影响到温度预测的可靠性。
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对工艺参数的敏感性：模型能够揭示切削参数（如转速、进给）对产热和温升的影响规律。例如，研究引用的工作表明，更高的切割速度会减少传入工件的热量比例，而更低的进给率则会增加这一比例，这为通过调整工艺参数来控制加工温度提供了理论指导。
本研究成功开发并验证了一个用于啄钻加工的综合性预测性热力耦合框架。该框架的核心创新在于，首次将基于Oxley理论并融入Johnson–Cook材料模型的斜切割力学分析，与两种互补的热分析方法（高效的解析解与高保真的有限体积法模拟）有机结合，专门用于应对啄钻这种周期性断续加工的热-力耦合挑战。
研究得出的主要结论与重要意义包括：
首先，模型具有高精度与实用性。经过广泛的实验验证，该框架在预测切削力、功率和工件温度场方面均表现出色，平均预测误差维持在较低水平，证明了其物理基础的合理性和工程应用的可靠性。
其次，提供了“高效”与“高精度”的双重选择。研究所采用的两种热分析方法各有优势：解析模型计算速度极快，适于进行大规模的参数扫掠和工艺优化；而FVM模拟则能提供更详尽的三维温度场信息，有助于深入理解热传导机制。这种“组合拳”策略为不同需求的工程分析提供了灵活的工具。
更重要的是，该研究填补了啄钻工艺建模的理论空白。此前，针对啄钻这种特定策略的力学与热分析耦合研究几乎未见报道。本工作不仅揭示了啄钻过程中的力热特性，其提出的建模方法本身也为深入探究啄钻工艺机理奠定了基础。
最后，框架具有良好的扩展前景。该模型基于OpenFOAM开源平台开发，其采用的有限体积法离散方法与计算流体动力学(CFD)同源。这使得该框架天然具备未来与流体动力学求解器耦合的潜力，可以方便地集成并研究冷却液、润滑策略（如微量润滑、低温冷却）对啄钻过程的热-力影响，为开发下一代智能、绿色的钻孔工艺铺平了道路。
综上所述，这项研究为理解和优化啄钻这一关键制造工艺提供了强大的预测工具和深刻的理论见解，对提高加工效率、延长刀具寿命、保障工件质量以及推动可持续制造具有重要意义。
