馮朝輝，張學(xué)忱

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

小直徑鉆頭鉆削加工的有限元仿真分析

馮朝輝，張學(xué)忱

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

針對(duì)小直徑鉆頭在鉆削過程中出現(xiàn)的彎曲、折斷問題，利用PRO/E軟件建立了小直徑麻花鉆頭的三維模型，基于ANSYS Workbench軟件分析了鉆頭鉆削時(shí)的固有頻率、變形、應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，分析了鉆頭夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)、材料等因素對(duì)鉆頭強(qiáng)度和剛度的影響，提出了相應(yīng)的措施來增強(qiáng)鉆頭的性能。

三維模型;小直徑麻花鉆頭;有限元分析;剛度;強(qiáng)度

0 引言

近些年來，航空航天、電子、醫(yī)療器械、儀表儀器等機(jī)械系統(tǒng)中的零件對(duì)小孔加工提出了高精度的要求［1］，目前小孔加工方法常用的還是機(jī)械鉆孔［2］，小孔直徑一般為φ1-φ3mm。因鉆頭的直徑小、易在鉆孔中出現(xiàn)彎曲、折斷等現(xiàn)象。本文選高速鋼的φ1mm鉆頭，鉆削45鋼，基于ANSYS workbench軟件進(jìn)行小直徑鉆頭的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，系統(tǒng)研究麻花鉆頭的夾持長(zhǎng)度、螺旋槽槽長(zhǎng)、材料特性對(duì)麻花鉆頭強(qiáng)度、剛度的影響規(guī)律，為提高鉆頭的鉆削性能和使用壽命提供理論基礎(chǔ)。

1 麻花鉆頭鉆削力和鉆削扭矩

小直徑鉆削過程中，進(jìn)給量一般取鉆頭直徑的2%-3%［3］。鉆頭軸向力F主要分布在鉆頭兩條主切削刃和橫刃上，一般橫刃占57%，兩條主切削刃占43%，鉆頭鉆削扭矩M主要分布在兩條主切削刃上［4］:

其中:d——鉆頭直徑，mm;f——每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，mm/r;zF、yF、zM、yM——影響系數(shù);CF、CM——與工件材料有關(guān)的系數(shù);KF、KM——鉆孔條件變化后的修正系數(shù)。

2 基于ANSYS workbench小直徑鉆頭靜力學(xué)分析

本文的小直徑鉆頭鉆削加工分析參數(shù)為:鉆頭直徑d=1mm，鋒角2φ=118°，螺旋角β=14.7°，槽長(zhǎng)l1=12mm，總長(zhǎng)l0=34mm，利用PRO/E軟件對(duì)麻花鉆頭進(jìn)行建模。工件材料45鋼，f=0.02mm/r，KF=1.197、KM=0.87、CF=600、CM=0.305、zF=1、yF=0.7、zM=2.0、yM=0.8，由式(1)、(2)求的軸向力 F=46.4N，鉆削扭矩M=0.012N·m。將三維模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中，添加高速鋼的材料特性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分得單元數(shù)目為80179個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為162752個(gè)。設(shè)置約束條件，并將軸向力F均布在橫刃和兩條主切削刃上，將扭矩M均布在兩條主切削刃上，求解的結(jié)果如圖1所示等效應(yīng)力主要分布在鉆頭兩條主切削刃、橫刃、刃帶和螺旋槽處，即圖1中1點(diǎn)處，最大值為3978.34-4475.7MPa。圖1中4、5、6點(diǎn)處的等效應(yīng)力分別是 3158.1MPa、716.68MPa、121.23MPa，表明沿著鉆頭Y向等效應(yīng)力逐漸變小。由圖2所示，鉆頭在軸向(Y向)上最大變形0.009mm，Z向靠近外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)處最大變形為0.079mm，大于 X向0.064mm和Y向0.009mm變形量，可見鉆頭在Z向上彎曲變形最大，易導(dǎo)致鉆頭折斷，而且X、Z向的變形會(huì)影響鉆孔的孔徑公差。

圖1 φ1mm直柄麻花鉆等效應(yīng)力圖

圖2 φ1mm直柄麻花鉆變形圖

在上述分析基礎(chǔ)上，針對(duì)鉆頭通過改變不同的夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)、材料來研究鉆頭強(qiáng)度、剛度的影響規(guī)律。表1說明鉆頭材料和螺旋槽長(zhǎng)相同時(shí)，改變鉆頭夾持長(zhǎng)度大小不影響鉆頭等效應(yīng)力應(yīng)變最大值，但對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的變形量都有影響，其中對(duì)Y方向影響最大，達(dá)到31%，而X、Z方向上的影響分別為18.9%和9.8%。發(fā)現(xiàn)隨著夾持長(zhǎng)度值變大，鉆頭的變形量逐漸變小。表2說明夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)不變時(shí)，材料對(duì)鉆頭的變形、等效應(yīng)變影響最大。

表1 不同夾持長(zhǎng)度靜力學(xué)分析結(jié)果

表2 不同材料靜力學(xué)分析結(jié)果

在同等條件下硬質(zhì)合金類鉆頭的總變形和等效應(yīng)變最大值基本上是高速鋼類鉆頭的30%左右。表3說明高速鋼鉆頭在相同夾持長(zhǎng)度基礎(chǔ)上改變螺旋槽長(zhǎng)對(duì)鉆頭和等效應(yīng)力應(yīng)變鉆頭Y方向上的變形影響較小，但對(duì)鉆頭的X和Z方向變形量有很大影響，且對(duì)鉆頭X方向變形影響最大。隨著螺旋槽長(zhǎng)度由10mm增長(zhǎng)到16mm，X、Z方向變形量最大值在0.0536mm和0.0667mm基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了46.6%和37.6%，說明了增加螺旋槽的長(zhǎng)度，會(huì)使得鉆頭的扭轉(zhuǎn)剛度下降。所以在小直徑孔加工中，選用鉆頭應(yīng)以螺旋槽長(zhǎng)最短為原則，裝夾過程應(yīng)盡量使得鉆頭夾持量最大，在鉆削難加工材料時(shí)，應(yīng)選硬質(zhì)合金材料鉆頭，以增加鉆頭強(qiáng)度和剛度。

表3 不同槽長(zhǎng)的靜力學(xué)分析結(jié)果

3 小直徑鉆頭的模態(tài)分析

在小直徑鉆頭鉆削過程中，主軸轉(zhuǎn)速基本不超過6000r/min，鉆頭的剛度不足會(huì)導(dǎo)致鉆頭在鉆削過程出現(xiàn)鉆頭偏移，鉆頭彎曲等現(xiàn)象，直接影響小孔的加工質(zhì)量。通過改變夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)和材料研究了對(duì)小直徑鉆頭固有頻率影響規(guī)律。

表4 不同夾持長(zhǎng)的固有頻率(Hz)

表5 不同槽長(zhǎng)的固有頻率(Hz)

表6 不同材料的固有頻率(Hz)

表4說明鉆頭材料和螺旋槽長(zhǎng)相同時(shí)，改變夾持長(zhǎng)會(huì)對(duì)鉆頭固有頻率產(chǎn)生很大的影響，夾持長(zhǎng)度的增加，鉆頭各階固有頻率會(huì)明顯增大，說明夾持長(zhǎng)度增加可以增強(qiáng)鉆頭的剛度。表5則說明高速鋼材料鉆頭在相同夾持長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，改變螺旋槽長(zhǎng)對(duì)各階固有頻率的影響較小，但隨著槽長(zhǎng)增大，固有頻率不呈單一增大或縮小趨勢(shì)，其變化比較復(fù)雜。表6說明在夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)不變時(shí)，鉆頭材料對(duì)鉆頭各階固有頻率的影響顯著，硬質(zhì)合金鉆頭的固有頻率遠(yuǎn)大于高速鋼鉆頭，說明在相同的幾何參數(shù)下，硬質(zhì)合金鉆頭的剛度大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了小直徑麻花鉆頭的三維模型和有限元模型，通過靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，系統(tǒng)研究了鉆頭材料、夾持長(zhǎng)度、螺旋槽長(zhǎng)對(duì)鉆頭變形、等效應(yīng)力、應(yīng)變及固有頻率的影響規(guī)律，研究表明當(dāng)被鉆孔材料不變時(shí)，增加鉆頭夾持長(zhǎng)度、減小螺旋槽長(zhǎng)可有效的提高鉆頭強(qiáng)度和剛度，而硬質(zhì)合金鉆頭的強(qiáng)度和剛度明顯高于高速鋼鉆頭，對(duì)長(zhǎng)徑比大的微小孔加工最好采用硬質(zhì)合金鉆頭。

［1］張平寬，王慧霖.微小深孔的超低頻振動(dòng)切削機(jī)理研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33(2):102-104.

［2］朱曉翠，趙云飛，韓雪冰，等.振動(dòng)鉆削的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械工程師，2005，10:28-29.

［3］曾忠.微孔的超聲振動(dòng)鉆削技術(shù)與工藝效果［J］.機(jī)械工程師，2001(1):36-39.

［4］陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Finite Element Simulation Analysis on Drilling Processing of Small Diameter Drills

FENG Zhao-hui，ZHANG Xue-chen
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

In view of the bending and breaking problems of small diameter drills in the process of drilling，a 3D model of small diameter twist drills is established by using PRO/E software.Based on ANSYS Workbench software，this paper analyzes the change rules of inherent frequency，deformation，stress and strain during the process of drilling，discusses the effects of clamping length，spiral groove’s length，materials and other factors on the strength and stiffness of twist drills and presents some measures to enhance the performance of twist drills.

3D model;small diameter twist drill;finite element analysis;stiffness;strength

TG519.1

A

1009-3907(2013)12-1579-04

2013-10-11

馮朝輝(1987-)，男，河南鶴壁人，碩士研究生，主要從事機(jī)械精密加工技術(shù)研究。

張學(xué)忱(1963-)，女，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士，主要從事工程圖學(xué)，機(jī)械精密加工技術(shù)研究。

book=23,ebook=373

責(zé)任編輯:

吳旭云