小直徑鉆頭鉆削加工的有限元仿真分析

馮朝輝，張學忱

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

小直徑鉆頭鉆削加工的有限元仿真分析

馮朝輝，張學忱

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

針對小直徑鉆頭在鉆削過程中出現的彎曲、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的固有頻率、變形、應力應變的變化規律，分析了鉆頭夾持長度、螺旋槽長、材料等因素對鉆頭強度和剛度的影響，提出了相應的措施來增強鉆頭的性能。

三維模型;小直徑麻花鉆頭;有限元分析;剛度;強度

0 引言

近些年來，航空航天、電子、醫療器械、儀表儀器等機械系統中的零件對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、易在鉆孔中出現彎曲、折斷等現象。本文選高速鋼的φ1mm鉆頭，鉆削45鋼，基于ANSYS workbench軟件進行小直徑鉆頭的靜力學分析和模態分析，系統研究麻花鉆頭的夾持長度、螺旋槽槽長、材料特性對麻花鉆頭強度、剛度的影響規律，為提高鉆頭的鉆削性能和使用壽命提供理論基礎。

1 麻花鉆頭鉆削力和鉆削扭矩

小直徑鉆削過程中，進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——每轉進給量，mm/r;zF、yF、zM、yM——影響系數;CF、CM——與工件材料有關的系數;KF、KM——鉆孔條件變化后的修正系數。

2 基于ANSYS workbench小直徑鉆頭靜力學分析

本文的小直徑鉆頭鉆削加工分析參數為:鉆頭直徑d=1mm，鋒角2φ=118°，螺旋角β=14.7°，槽長l1=12mm，總長l0=34mm，利用PRO/E軟件對麻花鉆頭進行建模。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。將三維模型導入ANSYS workbench軟件中，添加高速鋼的材料特性，進行網格劃分得單元數目為80179個，節點數為162752個。設置約束條件，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，求解的結果如圖1所示等效應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點處，最大值為3978.34-4475.7MPa。圖1中4、5、6點處的等效應力分別是 3158.1MPa、716.68MPa、121.23MPa，表明沿著鉆頭Y向等效應力逐漸變小。由圖2所示，鉆頭在軸向(Y向)上最大變形0.009mm，Z向靠近外緣轉點處最大變形為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，易導致鉆頭折斷，而且X、Z向的變形會影響鉆孔的孔徑公差。

圖1 φ1mm直柄麻花鉆等效應力圖

圖2 φ1mm直柄麻花鉆變形圖

在上述分析基礎上，針對鉆頭通過改變不同的夾持長度、螺旋槽長、材料來研究鉆頭強度、剛度的影響規律。表1說明鉆頭材料和螺旋槽長相同時，改變鉆頭夾持長度大小不影響鉆頭等效應力應變最大值，但對X、Y、Z三個方向的變形量都有影響，其中對Y方向影響最大，達到31%，而X、Z方向上的影響分別為18.9%和9.8%。發現隨著夾持長度值變大，鉆頭的變形量逐漸變小。表2說明夾持長度、螺旋槽長不變時，材料對鉆頭的變形、等效應變影響最大。

表1 不同夾持長度靜力學分析結果

表2 不同材料靜力學分析結果

在同等條件下硬質合金類鉆頭的總變形和等效應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度基礎上改變螺旋槽長對鉆頭和等效應力應變鉆頭Y方向上的變形影響較小，但對鉆頭的X和Z方向變形量有很大影響，且對鉆頭X方向變形影響最大。隨著螺旋槽長度由10mm增長到16mm，X、Z方向變形量最大值在0.0536mm和0.0667mm基礎上增長了46.6%和37.6%，說明了增加螺旋槽的長度，會使得鉆頭的扭轉剛度下降。所以在小直徑孔加工中，選用鉆頭應以螺旋槽長最短為原則，裝夾過程應盡量使得鉆頭夾持量最大，在鉆削難加工材料時，應選硬質合金材料鉆頭，以增加鉆頭強度和剛度。

表3 不同槽長的靜力學分析結果

3 小直徑鉆頭的模態分析

在小直徑鉆頭鉆削過程中，主軸轉速基本不超過6000r/min，鉆頭的剛度不足會導致鉆頭在鉆削過程出現鉆頭偏移，鉆頭彎曲等現象，直接影響小孔的加工質量。通過改變夾持長度、螺旋槽長和材料研究了對小直徑鉆頭固有頻率影響規律。

表4 不同夾持長的固有頻率(Hz)

表5 不同槽長的固有頻率(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相同時，改變夾持長會對鉆頭固有頻率產生很大的影響，夾持長度的增加，鉆頭各階固有頻率會明顯增大，說明夾持長度增加可以增強鉆頭的剛度。表5則說明高速鋼材料鉆頭在相同夾持長度基礎上，改變螺旋槽長對各階固有頻率的影響較小，但隨著槽長增大，固有頻率不呈單一增大或縮小趨勢，其變化比較復雜。表6說明在夾持長度、螺旋槽長不變時，鉆頭材料對鉆頭各階固有頻率的影響顯著，硬質合金鉆頭的固有頻率遠大于高速鋼鉆頭，說明在相同的幾何參數下，硬質合金鉆頭的剛度大。

4 結語

本文建立了小直徑麻花鉆頭的三維模型和有限元模型，通過靜力學分析和模態分析，系統研究了鉆頭材料、夾持長度、螺旋槽長對鉆頭變形、等效應力、應變及固有頻率的影響規律，研究表明當被鉆孔材料不變時，增加鉆頭夾持長度、減小螺旋槽長可有效的提高鉆頭強度和剛度，而硬質合金鉆頭的強度和剛度明顯高于高速鋼鉆頭，對長徑比大的微小孔加工最好采用硬質合金鉆頭。

［1］張平寬，王慧霖.微小深孔的超低頻振動切削機理研究［J］.農業機械學報，2002，33(2):102-104.

［2］朱曉翠，趙云飛，韓雪冰，等.振動鉆削的國內外研究現狀和發展趨勢［J］.機械工程師，2005，10:28-29.

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

［4］陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機械工業出版社，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，主要從事機械精密加工技術研究。

張學忱(1963-)，女，吉林長春人，教授，博士，主要從事工程圖學，機械精密加工技術研究。

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責任編輯:

吳旭云