魏 平，韓 江

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基于ANSYS的深孔多孔件鉆削加工刀具壽命分析

*魏 平1,2，韓 江2

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽，蕪湖 241000，2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽，合肥 230009 )

本文介紹了通過(guò)對(duì)典型產(chǎn)品的研究分析，不斷地實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐獲得了一些處理關(guān)鍵問(wèn)題的方法。對(duì)于深、小、多孔件的現(xiàn)場(chǎng)加工效率低，通過(guò)試驗(yàn)手段比較浪費(fèi)材料和時(shí)間。本文主要是利用Ansys10軟件，來(lái)分析普通麻花鉆的模態(tài)，熱應(yīng)力，靜態(tài)結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)模型等，解決加工前切削參數(shù)的優(yōu)化，提高加工效率，節(jié)約成本。

深孔加工；有限元分析；鉆削加工；切削參數(shù)優(yōu)化

0 引言

在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些剛性差、精度高的深、多、小孔零件，其中多數(shù)為產(chǎn)品的關(guān)鍵零件。如，航空航天產(chǎn)品中一般要求結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、精度高，因而此類零件也應(yīng)用更多些。一般認(rèn)為，在殼體件、套筒件、環(huán)形件、盤(pán)形件、平板件、軸類和特形件中，當(dāng)深徑比大于5時(shí)，稱為深孔件[1]。深孔、多孔零件在加工中對(duì)各種影響因素十分敏感[2]，很難滿足精度要求，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，因而成為機(jī)械加工中的一大難題。

一般情況下使用普通麻花鉆來(lái)加工，在利用數(shù)控銑床加工多孔時(shí)換刀是主要的輔助時(shí)間之一，主要涉及到裝卸刀、對(duì)刀等工作過(guò)程。對(duì)于研究刀具使用壽命來(lái)減少換刀次數(shù)，是降低加工深孔多孔工件輔助時(shí)間一項(xiàng)非常重要的研究。

1 鉆頭有限元分析模型

鉆頭模態(tài)分析選用分塊蘭索斯法，使求解結(jié)果既保證求解的精度又能具有較快的求解速度[3]。其分析的具體步驟如下：1）UG軟件繪制麻花鉆三維實(shí)體圖；2）導(dǎo)入Ansys10軟件中；3）更改工作名；4）創(chuàng)建單元類型；5）定義材料特性；6）劃分單元，即將模型進(jìn)行網(wǎng)格面劃分，以便分析求解；7）施加約束；8）指定分析類型；9）指定分析選項(xiàng)；10）指定要擴(kuò)展的模態(tài)數(shù)；11）求解；12）列表固有頻率；13）從結(jié)果文件讀結(jié)果；14）觀察其余各階模態(tài)；15）獲取數(shù)據(jù)。

由于鉆頭的結(jié)構(gòu)特征上有空間的螺旋線，為了保證分析的精度和模型幾何特征的完整性，對(duì)鉆頭采用自由網(wǎng)格劃分，對(duì)其整體網(wǎng)格尺寸設(shè)定為網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為1mm，劃分的網(wǎng)格比較均勻。施加的邊界條件是：對(duì)夾持部分的一段圓柱面上的節(jié)點(diǎn)施加位移約束，即在鉆頭的刀柄的夾持部分的圓柱面上施加全位移約束。

施加載荷：與材料特性的定義相似，不同的分析內(nèi)容需要定義不同的載荷。

圖1 鉆頭模態(tài)分析

圖2 位移等價(jià)圖

由圖1與圖2對(duì)比分析的結(jié)果可以看出，選用總長(zhǎng)為25 mm，刃長(zhǎng)為20 mm，柄部為5 mm，同一類型的鉆頭，其最大變形為482E-04,主要集中在靠近切削刃處，平均變形為291E-04。如果改變刀柄長(zhǎng)度其固有頻率及其振型都會(huì)發(fā)生變化。刀柄越長(zhǎng)其固有頻率也越小，這與實(shí)踐是相符，因?yàn)殂@頭的刀柄長(zhǎng)度越長(zhǎng)其結(jié)構(gòu)靜剛度也就越差。因此，在加工中需要將麻花鉆的懸伸盡可能地短，以提高系統(tǒng)剛性。本產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，特別注重刀具的選擇。主要以選用普通麻花鉆，以降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，也選用柄部長(zhǎng)度為6.5 mm，刃長(zhǎng)為13 mm的普通標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆。

2 鉆頭進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 鉆頭深孔鉆削的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)有限元分析

通過(guò)對(duì)鉆頭分析，選用完全法分析鉆頭在深入鉆削時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，既保證了求解的精度又具有較快的求解速度。

2.2 鉆頭瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的前處理

為保持動(dòng)態(tài)分析的一致性，在對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，單元類型的選擇、施加位移約束條件以及對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過(guò)程和前面的模態(tài)分析相同；設(shè)定鉆頭材料參數(shù)，這里主要是設(shè)定其彈性模量、泊松比、密度、整體重力加速度。

2.3 選擇有限元分析類型為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

分析的方法采用Full(完全法)如圖所示；施加受力載荷：進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，對(duì)鉆頭施加的是與時(shí)閫成正弦規(guī)律變化的動(dòng)態(tài)切削力。具體方法是：1）指定分析類型；2）確定數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中包含的內(nèi)容；

2.4 動(dòng)態(tài)分析[3]

把一個(gè)周期內(nèi)時(shí)間和力的對(duì)應(yīng)關(guān)系以表格的形式施加到其主切削刃和橫刃上；設(shè)定瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的時(shí)間和步長(zhǎng)；經(jīng)過(guò)以上過(guò)程完成了鉆頭的物理模型到瞬態(tài)有限元分析的有限元分析模型的轉(zhuǎn)換。具體方法是：1）施加施荷拾取菜單；2）確定第一個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)；3）施加第一個(gè)載荷步的位移載荷；4）寫(xiě)第一個(gè)載荷步文件；5）確定第二個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)；6）寫(xiě)第二個(gè)載荷步文件；7）確定第三個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)；8）施加第三個(gè)載荷步的位移載荷；9）寫(xiě)第三個(gè)載荷步文件；10）確定第四個(gè)載荷步時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)；11）寫(xiě)第四個(gè)載荷步文件。

2.5 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

進(jìn)入求解器求解[4]，得到鉆頭瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果。進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器，以鉆頭鉆芯頂點(diǎn)作為觀察對(duì)象[5]，觀察鉆頭深孔鉆削時(shí)的鉆芯處徑向位移與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，其結(jié)果曲線如圖3所示。鉆芯的磨損是隨著切削時(shí)間加長(zhǎng)而磨損嚴(yán)重，其中的在兩線相交區(qū)域?yàn)榘踩?。通過(guò)分析可知每個(gè)鉆頭在35 min的切削時(shí)間內(nèi)是相對(duì)安全。此處的相對(duì)是指在毛坯材料沒(méi)和刀具較均勻，沒(méi)有加工過(guò)程意外發(fā)生等理想狀態(tài)。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證一根麻花鉆在純切削時(shí)間是一致的。

圖3 鉆頭鉆芯位移與時(shí)間函數(shù)曲線

3 鉆頭靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

進(jìn)入ANSYS求解器，通過(guò)有限元求解得到鉆頭工作過(guò)程中的應(yīng)力以及應(yīng)變情況。在ANSYS結(jié)果后處理器中，把鉆頭經(jīng)過(guò)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的總應(yīng)力應(yīng)變采用彩色云圖的形式表現(xiàn)出來(lái)。

鉆芯直徑越大，鉆頭剛性越強(qiáng)，性能越穩(wěn)定，但是定心越差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證將同規(guī)格的麻花鉆（鉆芯較大）修磨橫刃及前刀面，切削效果與穩(wěn)定性均提高。

4 基于ANSYS的鉆頭的熱應(yīng)力分析

通過(guò)施加約束、施加載荷、指定切削參考溫度、求解、查看結(jié)果，用高等顯示von mises應(yīng)力[6]。

由圖4和圖5的熱應(yīng)力圖可知，紅色區(qū)域集中在靠近麻花鉆副后刀面和后刀面處，這與實(shí)踐加工是一致的，本例中通過(guò)一些技術(shù)手段如讓麻花鉆充分冷卻、改變鉆削循環(huán)方式、改變切削液等手段如表1所示的參數(shù)等，最終獲得了較好的切削熱的降低。

圖4 應(yīng)力

圖5 等效應(yīng)力圖

5 小結(jié)

通過(guò)Ansys10對(duì)普通麻花鉆的熱應(yīng)力、振動(dòng)頻率、鉆芯位移等分析，與現(xiàn)場(chǎng)加工數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)獲取了切削用量及冷卻條件，保證在切削效率及刀具的最大使用壽命。參照機(jī)械加工工藝手冊(cè)[2]計(jì)算并定制如表1所列舉的現(xiàn)場(chǎng)加工切削用量表。

表1 實(shí)際加工中使用的切削用量

Table 1 the actual processing used in cutting

利用SKDX70100數(shù)控銑床進(jìn)行加工，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)狀況的驗(yàn)證及加工過(guò)程控制[7]，可以看出加工效果及效率，如圖6所示；產(chǎn)品加工效果如圖7所示。本文通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的孔加工工藝實(shí)施的漸進(jìn)過(guò)程，得出在加工中必須進(jìn)行加工前期的有限元分析，來(lái)調(diào)整切削用量、切削液、刀具、工裝、加工程序等，使得效率最高、成本最低。

圖7 產(chǎn)品加工

[1] 哈爾濱工業(yè)大學(xué),上海工業(yè)大學(xué).機(jī)械制造工藝學(xué)（第一分冊(cè)）[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.

[2] 李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京:北京出版社,1990.

[3] 李紅云,趙社戌,孫雁. ANSYS 10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[4] 張洪信,管殿柱.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[5] 盛和太,喻海良,范訓(xùn)益. ANSYS有限元原理與工程應(yīng)用實(shí)例大全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[6] 張朝輝. ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[7] 魏平，耿慧蓮.基于四開(kāi)數(shù)控雕銑機(jī)床深孔件的數(shù)控程序設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2010(22):36-36.

Based on the ANSYS deep hole and porous workpiece of drilling tool life analysis

*WEI Ping1,2，HAN Jiang2

（1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000, China;2.HeFei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China )

Based on the analysis of typical products, the typical product development process was studied and analyzed. In the continuous experiment and practice, some processing methods of key problems were obtained. Aiming at low processing efficiency characteristics of the deep hole, small hole and the porous member field, if through the test methods, it would be waste materials and time. Based on the ANSYS software, we analyze the general twist drill mode, thermal stress, static structure, dynamic model, the optimization of cutting parameters to solve before processing, improve processing efficiency, save cost.

deep hole drilling; finite element analysis; drilling process; optimization of cutting parameters

1674-8085(2013)02-0082-04

TG659

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.02.019

2012-04-18；

2013-01-16

*魏 平(1976-)，男，安徽蕪湖人，講師，碩士生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控工藝及多軸加工研究(E-mail: ahjdwp@126.com);

韓 江(1960-)，男，安徽合肥人，教授，博導(dǎo)，主要從事現(xiàn)代集成制造與數(shù)控裝備(CIMS)研究所所長(zhǎng)(E-mail: hanjiang626@126.com).