潘曉毅,謝德龍,林峰,羅文來,王帥

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;

3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004;4.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林541004)

基于Solid Works仿真模擬基礎(chǔ)上的深孔鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計研究(下)

潘曉毅1,2,3,謝德龍1,2,3,林峰1,2,3,羅文來1,3,王帥4

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004;

3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西桂林541004;4.桂林理工大學材料科學與工程學院,廣西桂林541004)

根據(jù)激光焊接工藝的獨特性,利用SolidWorks對深孔鉆頭鉆齒結(jié)構(gòu)進行初始建模,并根據(jù)Solid-Works自帶的nSimulationXpress仿真模塊加載失效模擬的應力分布情況分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,令其能在既定工況負載下保證不發(fā)生斷齒失效的同時最大化的提升所設(shè)計深孔鉆頭的理論使用壽命。通過加載實驗及力學推算完成了模擬優(yōu)化結(jié)果的驗證,證明了計算機模擬優(yōu)化輔助設(shè)計在鉆頭設(shè)計中的可行性。進一步通過SolidWorks的nSimulation Xpress仿真模塊完成對鉆頭的胎體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

金剛石鉆頭;激光焊接;力學性能;SolidWorks;結(jié)構(gòu)設(shè)計;鉆頭胎體

1.3 垂直軸向載荷模擬的實驗驗證

通過前面的nSimulation Xpress模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),垂直軸向載荷更易造成鉆頭斷裂失效,本實驗主要從軸向失效的方向?qū)υ撃M結(jié)果進行驗證。按齒內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的參數(shù)進行樣品制備,鉆齒唇面參數(shù)見圖2(參本刊2004-6期)。若要完成實驗驗證需推導出該唇面形貌下的鉆齒抗彎強度計算公式。

1.3.1 公式推導

根據(jù)材料力學,對于彎折過程有:

δMax為最大彎曲正應力,Wz為抗彎截面參數(shù), M為彎矩。當M達到斷裂時的彎矩時,可由公式(1 -1)中的δMax計算出鉆齒的彎曲斷裂強度。

而:

IZ為截面相對于Z軸的慣性矩,yc為截面形心在形心軸上的坐標,A為對應截面面積,yMax為面內(nèi)點到形心的軸線距離,F為壓力,L為載荷至斷裂部位距離,y為點在形心軸上的坐標[5]。

由圖2,鉆齒唇面形貌為延長線過圓心的扇形,設(shè)軸心為截面分析形心,橫軸為x軸,縱軸為y軸,內(nèi)外徑弧度為α,外徑為R,內(nèi)徑為r,則有:

在扇形唇面上以y上的每一微段dy進行劃分,可近似地得出:

則由公式(1-4)、(1-5)、(1-6)、(1-7),進行換算可以推導計算出在該模型下:

根據(jù)慣性矩平行軸定理[5]有:IZ=IZ0+ A b2?Iz0=Iz-Ab2(1-8),Iz0為形心慣性矩、b為形心沿y軸平行移動距離,由圖2分析可知b=yc,將A、I z、yc的值代入式(1-8)可得Iz0≈461.58 mm4。

根據(jù)圖4(參本刊2004-6期)分析,鉆齒沿端面中心線最外側(cè)在垂直軸向力的作用下最先發(fā)生斷裂,該點可選作鉆齒抗彎強度的表征點,此時ymax=5. 16mm,代入(1-2)計算可得抗彎截面系數(shù)W z≈89. 45mm3,只需通過實驗測出F及L即可結(jié)合公式(1 -1)、(1-3)計算出鉆齒的彎曲斷裂強度。

1.3.2 垂直軸向加載驗證實驗

Φ36.5/Φ21.5測試樣品鉆齒同基體通過激光焊接焊接成一體。圖5為Φ36.5/Φ21.5鉆頭試樣在加載壓力測試后的斷裂實物圖,其斷裂部位同圖4中的軟件模擬結(jié)果里的最大應力分布部位基本一致,主要集中在鉆齒底端以上2～3mm附近。將鉆頭用SANS4504型微機控制電子萬能材料試驗機進行加載抗彎測試,為使鉆齒更易發(fā)生斷裂失效,力加載于鉆齒最頂端。結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

通過表3可以看出,加載抗彎試驗測試結(jié)果垂直軸向載荷F均超過了軟件模擬中的5k N軸向可承載最大載荷,最高達6.01k N軸向載荷力,斷裂部位在鉆齒底端以上約3.11～4.03mm之間,基本在軟件模擬結(jié)果的最大應力分布范圍內(nèi)。

而通過觀察實測樣品鉆齒斷面(圖5)可以發(fā)現(xiàn),斷裂部位基本處于金剛石層與過渡層的交互部位,結(jié)合表2與表3抗彎強度對比可以明顯看出,引發(fā)斷裂的可能因素為含F(xiàn)D1#層及其周邊強度較低。

圖5 Φ36.5/Φ21.5鉆頭斷裂實物圖Fig.5 The brokenΦ36.5/Φ21.5 drill bit

表3 Φ36.5/Φ21.5鉆頭抗彎試驗結(jié)果Tab.3 The bend test results ofΦ36.5/Φ21.5 drill bit

本加載試驗驗證了:(1)Solid Works軟件模擬加載分析結(jié)果同實際狀況基本接近,通過計算機輔助軟件對結(jié)構(gòu)進行相關(guān)模擬有助于為方案設(shè)計提供參考依據(jù);(2)該內(nèi)部層間參數(shù)設(shè)置只能滿足最大5k N垂直軸向載荷的作用下不失效。

2 胎體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由M=FL可知,鉆齒獨立分布的鉆頭其鉆齒焊接、過渡層部位將會承受極大的力矩,該部位附近最易發(fā)生斷裂導致鉆頭提前失效。從提升工作時鉆齒所受力的分散性能角度來考慮,對鉆頭中整個胎體部位進行結(jié)構(gòu)改良,在各鉆齒間水口部位加入低于過渡層、較鉆齒更易磨損的空白水口填充層(以下簡稱水口層),以期在不影響排屑及水路排布的基礎(chǔ)上能有效提升胎體部位的力學分散性能。

通過Solid Works軟件進行建模,選擇Φ60/Φ36 -5齒鉆頭作為研究模型,按齒內(nèi)層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案作為齒內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計基準進行建模。假設(shè)焊接部位完全焊透,借助nSimulation Xpress模塊運行仿真加載模擬,設(shè)定胎體-基體接頭部位作為固定部位,為使輸出結(jié)果顯示更清晰,分別以30k N運轉(zhuǎn)切向反向力及30KN軸向孔壁側(cè)壓力進行載荷加載模擬。兩種胎體結(jié)構(gòu)的切向力加載輸出結(jié)果如圖6、圖7。

圖6 Φ60/Φ36鉆齒30k N切向力模擬加載結(jié)果Fig.6 Simulation result of 30k N tangential load onΦ60/Φ36 drill teeth

圖7 Φ60/Φ36強化胎體30k N切向力模擬加載結(jié)果Fig.7 Simulation result of 30k N tangential load on the intensifiedΦ60/Φ36 drill bit matrix

由模擬加載結(jié)果可見在受30k N切向載荷下,改進強化胎體結(jié)構(gòu)的力學分散性能提升明顯,最大內(nèi)應力由獨立鉆齒的804.9MPa降低至強化結(jié)構(gòu)的584.9MPa,齒內(nèi)應力基本低于FD1#的抗彎強度489.7MPa,故在該切向載荷下水口強化型胎體基本不會發(fā)生斷裂失效。

兩種胎體結(jié)構(gòu)的垂直軸向力加載模擬分析結(jié)果如圖8、圖9。

圖8 Φ60/Φ36鉆齒30k N垂直軸向力模擬加載結(jié)果Fig.8 Simulation result of 30k N vertical axial load onΦ60/Φ36 drill teeth

圖9 Φ60/Φ36強化胎體30k N垂直軸向力模擬加載結(jié)果Fig.9 Simulation result of 30k N vertical axial load on the intensifiedΦ60/Φ36 drill bit matrix

由模擬加載結(jié)果可見在受30k N軸向載荷下,改進強化胎體結(jié)構(gòu)的力學分散性能也得到明顯提升,內(nèi)應力峰值由獨立鉆齒的1156.3MPa降低至強化結(jié)構(gòu)的872.1MPa,安全性能得到明顯提升。對齒內(nèi)應力而言,獨立鉆齒的齒內(nèi)最大應力分布在500～800MPa之間,強化結(jié)構(gòu)的齒內(nèi)最大應力分布在400～600MPa,略高于安全線489.7MPa,單就模擬結(jié)果而言,結(jié)構(gòu)強化效果明顯。

從仿真模擬結(jié)果對比可以看出,垂直軸向側(cè)壓力對斷齒失效的影響更高。同樣運用垂直軸向加載實驗方式對軟件模擬結(jié)果進行驗證,由于SANS4504型微機控制電子萬能材料試驗機最大可用加載力為30k N,水口強化結(jié)構(gòu)體系下,Φ60層級鉆頭試樣經(jīng)實測驗證基本很難達到斷齒失效,與軟件模擬結(jié)果基本相符。

為了更好地驗證強化效果,將鉆頭尺寸層級降至Φ36.5/Φ21.5,進行兩種結(jié)構(gòu)的加載結(jié)果對比試驗,所設(shè)計強化胎體及制備實物如圖10所示。實測強化胎體的軸向加載試驗結(jié)果見表4。

圖10 Φ36.5/Φ21.5水口強化圖樣及制備試樣實物圖Fig.10 Intensifed matrix design and the real sample

表4 Φ36.5/Φ21.5水口強化胎體抗彎試驗結(jié)果Tab.4 The bend test results of intensifiedΦ36.5/Φ21.5 drill bit matrix

對比表3、表4結(jié)果可見,水口強化型胎體鉆齒較獨立型結(jié)構(gòu)的鉆齒而言在加載荷軸向側(cè)壓力加載試驗中,造成鉆齒斷裂所需載荷明顯提高,平均值由5.62k N提升至6.98k N;斷裂部位相近,相應的抗彎強度也由522.69MPa提升至了638.44MPa。說明水口強化結(jié)構(gòu)較獨立結(jié)構(gòu)力學分散性能優(yōu)異,等效強度提升率在25%左右。

3 結(jié)論

綜上所述,可以發(fā)現(xiàn):

(1)相同鉆齒高度在同等條件下(滿足安全為鉆進前提)通過壓縮過渡層、焊接層厚度可有效提升工作壽命,激光焊接鉆頭因其獨特的工藝條件可將工作壽命最大化的提升;

(2)借助SolidWorks軟件的模擬加載分析優(yōu)化了16mm高Φ36.5/Φ21.5激光焊接鉆齒的齒內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)化后的鉆齒在5k N切向載荷/5k N垂直軸向載荷的作用下可安全鉆進,較同樣齒高的常規(guī)中頻鉆頭而言,理論工作壽命的提升在56.25%～108%之間;

(3)通過加載實驗驗證了基于Solid Works仿真模擬結(jié)果而做出的優(yōu)化設(shè)計的合理性,通過計算機輔助軟件對結(jié)構(gòu)進行相關(guān)模擬有助于為方案設(shè)計提供參考依據(jù),可有效提升設(shè)計的效率;

(4)借助Solid Works對胎體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,并通過實驗驗證了其可行性,實驗結(jié)果表明水口強化型胎體鉆齒較獨立式鉆齒力學分散性能優(yōu)異,等效強度提升率在25%左右;

[1] 呂智,劉志環(huán),等.深部找礦金剛石鉆進工具發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].超硬材料工程,2013,25(4):39-44.

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[5] 單輝祖,等.材料力學(I)[M].北京:高等教育出版社,2004.8.

Research on Structure Design of Deep Hole Drill Based on the Solid Works Simulation

PAN Xiao-yi1,2,3,XIE De-long1,2,3,LIN Feng1,2,3,LUO Wenlai1,3,WANG Shuai4
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin,China541004;
2.National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin,China541004;
3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin,China541004;
4.College of Materials Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin,China541004)

Based on the uniqueness of laser welding,the drill bit structure of deep hole drill has been initially modeled by Solidworks.Meanwhile,the structure design of deep hole drill has been optimized according to the analysis result of the stress distribution simulated by the nSimulation Xpress Simulation Module Loading Failure System which comes with Solid Works.Therefore,the theoretic service life of the deep hole drill has been extremely increased under the conditions that drill bit works normally under the given load without any damage or failure.The simulated optimization result has been tested through loading experiment and mechanical calculation,thus the feasibility of computer aided simulation optimization design in drill bit designing has been proved.The matrix structureoptimization design will be also conducted through the nSimulation Xpress Simulation Module of the Solid Works.

diamond drill bit;laser welding;mechanical property;Solid Works;structure design;dirll bit matrix

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0025-05

2014-12-26

潘曉毅(1988-),男,學士,助理工程師,四川大學材料科學與工程學院畢業(yè),2012年起就職于中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,從事超硬材料及制品的研發(fā)工作。E-mail:joky_pan@126.com

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(項目編號:2013EG115007);廣西自然科學基金面上項目(項目編號:2013GXNSFAA019320);廣西科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(項目編號:桂科攻1348008-3);中色集團科技開發(fā)項目(項目編號:2013KJJH11);桂林科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(項目編號:20140104-4)。

潘曉毅,謝德龍,林峰,等.基于Solid Works仿真模擬基礎(chǔ)上的深孔鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計研究(下)[J].超硬材料工程,2015,27(2):25-29.