李興凱　傅瑞琴

摘 要：通過(guò)應(yīng)用有限元ANSYS軟件對(duì)锪鉆擴(kuò)孔時(shí)，由扭矩產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行仿真分析，從而得到鉆頭振動(dòng)的幅度的理論值，為鍃鉆擴(kuò)孔的精度提供理論數(shù)據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性。為了提高加工中孔的精度，本文提出了許多相關(guān)的措施，為在實(shí)踐中提高孔的精度提供了思路。本文所建立的模型完全符合鉆削加工的實(shí)際情況，對(duì)其它類(lèi)型的切削也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：有限元 模型 仿真

隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的精度要求越來(lái)越高。在金屬產(chǎn)品的加工中，機(jī)床，刀具和被加工工件的非線(xiàn)形耦合，使得刀具可能發(fā)生顫振，在工件的表面產(chǎn)生振動(dòng)波紋。這種顫振不僅會(huì)損壞刀具，而且還會(huì)影響工件的精度和光潔度。超精密機(jī)床的工作臺(tái)、溜板等移動(dòng)部件，在作微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于綜合剛度、阻尼的存在，以及動(dòng)靜摩擦因數(shù)相差較大的原因，通常導(dǎo)致跳躍式進(jìn)給并引起閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩[1]。如果能夠發(fā)現(xiàn)顫振的機(jī)理和控制，就會(huì)給加工精度的提高帶來(lái)很大的幫助。

隨著工業(yè)的提高機(jī)床也得到相應(yīng)發(fā)展，同時(shí)人們也意識(shí)到機(jī)械部件更高的精度的重要性[2]。于是人們對(duì)精加工進(jìn)行了大量的研究。如在超精密切削硬質(zhì)鋼加工中， Norikazu SUZUKI1, Shinsuke MASUDA1 提出了一種切削硬質(zhì)鋼的方法，叫做橢圓振動(dòng)切削[3]，可以達(dá)到極高的精度。同時(shí)，也提出了很多方法，來(lái)提高加工中的表面精度。如物質(zhì)阻尼和慣性驅(qū)動(dòng)經(jīng)常用來(lái)作為機(jī)械的振動(dòng)控制[4]。盡量消除振動(dòng)對(duì)精度的影響。

本文利用有限元方法，基于锪鉆的擴(kuò)孔，對(duì)其由于扭矩引起的振動(dòng)進(jìn)行分析，求出振動(dòng)幅度的大小，并確定加工中振動(dòng)對(duì)精度產(chǎn)生影響。同時(shí)對(duì)減少振動(dòng)提出相應(yīng)的辦法。

1.有限元的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、順態(tài)動(dòng)力學(xué)分析及譜分析等。模態(tài)分析主要包括以下4個(gè)步驟：

（1）建立模型

（2）加載并求解

（3）擴(kuò)展模態(tài)

（4）觀(guān)察結(jié)果

2. 锪鉆的模型及參數(shù)

頸部直徑：24mm

彈性模量：200 GPa

泊松比： 0.3

材質(zhì)：45鋼

锪鉆在擴(kuò)孔的時(shí)候，在刀刃上必然產(chǎn)生切削力，從而使刀具產(chǎn)生扭矩。由于扭矩的存在，在擴(kuò)孔的時(shí)候產(chǎn)生振動(dòng)，在孔的表面產(chǎn)生振動(dòng)波紋從而影響孔的精度。

3.有限元模型的簡(jiǎn)化

(1) 把鉆頭的頸部看作剛體，鉆頭的扭矩看作是集中物質(zhì)的慣性距。

(2) 鉆頭擴(kuò)孔的時(shí)候有扭矩振動(dòng)、軸向振動(dòng)、側(cè)向振動(dòng)。它們之間共同的耦合作用產(chǎn)生的振動(dòng)。由于擴(kuò)孔的時(shí)候，扭矩振動(dòng)占主要作用，我們僅考慮扭矩產(chǎn)生的振動(dòng)。

(3) 裝夾鉆頭的上部必然隨著整個(gè)部件一起振動(dòng)，我們把裝夾部分看作是完全約束。僅考慮锪鉆自身的振動(dòng)。

4.锪鉆力學(xué)的計(jì)算

锪鉆擴(kuò)孔的時(shí)候切削力通常不作計(jì)算，因?yàn)樗茹@孔小得多。近似地計(jì)算切削力時(shí)，可將锪鉆每一個(gè)齒的當(dāng)作一個(gè)鏜刀看待。利用車(chē)刀公式，可計(jì)算锪鉆每齒的切向力pz1和走刀力（軸向力）px1?？偳邢髁z= pz1z和px= px1z 在此，我們不考慮軸向的力[5]。

扭矩： M=pz*D/2

5.锪鉆的靜態(tài)有限元分析

把锪鉆的鉆頭看作是具有扭轉(zhuǎn)慣性距的集中質(zhì)量MASS21單元，鉆的頸部看作是PIPE16的管單元。把管單元分成十五份，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后施加扭矩和約束， 進(jìn)行有限元分析。

建立模型和求解結(jié)果如圖1所示:

6.結(jié)果分析

（1）從圖可知，發(fā)生的振動(dòng)是在x方向上的。這是我們分析時(shí)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在x方向。由此推知，在切削的平面內(nèi)，必然發(fā)生振動(dòng)。所以，我們?cè)跀U(kuò)孔中，加工孔也必然會(huì)對(duì)整個(gè)孔壁產(chǎn)生破壞，孔的精度必然受到影響。

（2）從圖中可知，在x方向上節(jié)點(diǎn)2的振動(dòng)最大位移是0.10442mm?？紤]到擴(kuò)孔的時(shí)候，必然會(huì)對(duì)孔留下一定的加工空隙。所以，振動(dòng)對(duì)加工孔的破壞作用并沒(méi)有那么大,與加工孔的經(jīng)驗(yàn)精度基本是相符的。

(3)從圖中我們可以知道，振動(dòng)是無(wú)序的，對(duì)孔壁的破壞也一定是無(wú)規(guī)律可言的。由建立的有限元的幾何模型和力學(xué)模型的有限元分析結(jié)果，基本符合生產(chǎn)實(shí)踐。

7.改進(jìn)措施和結(jié)論

（1）锪鉆擴(kuò)孔的振動(dòng)是無(wú)法避免的，為了提高擴(kuò)孔的精度，我們可以增加锪鉆頸部直徑，即提高剛度。也可以在锪鉆上安裝阻尼器來(lái)減少振動(dòng)的幅度，同時(shí)，將電動(dòng)機(jī)安裝基礎(chǔ)與鉆床基礎(chǔ)隔離，使其分別安裝在兩個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)上，由三角膠帶傳遞動(dòng)力，減少由于電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)給鉆床本身精度帶來(lái)的影響。從而提高精度。

(2) 锪鉆本身由于是軸對(duì)稱(chēng)零件，在擴(kuò)孔的時(shí)候，可以先對(duì)其進(jìn)行平衡校驗(yàn)，從而減少由于自身旋轉(zhuǎn)引起的的振動(dòng)。

(3) 簡(jiǎn)化的幾何模型和力學(xué)模型基本符合生產(chǎn)實(shí)際，幾何和力學(xué)簡(jiǎn)化模型的建立為以后的鉆頭類(lèi)刀具的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)改造提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡旭曉.機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)摩擦特性分析及改善措施研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005 41(8):185-189

[2] [蘇聯(lián)]B·M 柯萬(wàn)主編.機(jī)械制造工藝師手冊(cè).中國(guó)工業(yè)出版社.1964.322-323