基于DEFORM—3D的螺旋錐面鉆尖的鉆削仿真分析

摘 要：本文通過將Pro/E與MATLAB生成的螺旋錐面鉆尖的三維模型導入DEFORM-3D，建立有限元模型并進行動態仿真，該方法提高了螺旋錐面鉆尖的研發效率并節省研發成本。

關鍵詞：鉆削；仿真；DEFORM-3D；有限元法

1 前言

普通錐面麻花鉆的存在定心不好、軸向力和扭矩比較大，并且時有翹尾等缺點 [1]。針對現狀，基于錐面和螺旋面鉆尖的螺旋錐面鉆尖技術的研究提上日程。本文利用Pro/E與MATLAB軟件完成了整個螺旋面鉆尖三維造型，而后導入DEFORM-3D進行數據處理。

3 模型網格劃分與邊界條件設定

3.1 模型網格劃分

鉆頭和工件網格劃分均采用絕對類型，鉆頭size radio設為2，最小單元邊長為0.4mm，工件網格size radio 設為4，最小單位邊長為0.4mm，將工件材料中欲切除部分附近的網格細分，最小單元邊長為0.1mm。刀具和工件的局部網格劃分結果如圖1所示。麻花鉆設置為剛體，鉆頭設置為Primary die，工件設置為塑性。本文中只取了麻花鉆的一部分，這樣能夠減少計算時間[3]。在仿真控制中設步數為2000步，步長0. 05，仿真模式為熱傳遞和變形，變形求解器采用Sparse解法。

3.2 邊界條件設定

工件材料選為ANSI—1045鋼（同45鋼），直徑鉆頭d=10mm，沿-Z軸進給，進給量0.25mm/rec，轉動中心為（（0，0，0）（轉動中心隨進給運動的變化而變，此為初值），轉速為800r/ min，轉向為（0，0，1） 。

邊界設置中，工件的圓周面的速度在X，Y，Z方向上為0，工具和刀具的所有面設定為與外界熱傳遞，激活工件的體積補償選項。對象間的關系設定刀具為主動，工件為從動。摩擦類型設為剪切摩擦。刀具磨損模型選用適合與金屬切削的Usui’s模型。設定環境溫度為20℃，對流系數為0.02N/sec/mm/C，熱傳導系數為45N/sec/mm/C。最后生成數據庫運行仿真。

4 鉆削軸向力與應力的模擬結果及分析

當主軸轉速為800rpm，進給量為0.18mm /r，鉆削深度位移為3mm時，得到的刀具軸向力，鉆頭應力與溫度分布。

4.1 軸向力

從圖2可以看出，螺旋錐面麻花鉆所受的軸向力上升的變化趨勢要平緩的多。這是由于螺旋錐面麻花鉆的橫刃在XZ平面上呈弧形，在剛開始接觸工件時，是有點接觸，隨著時間接觸的面積是逐漸增加的，與理論分析相符。把力的仿真數據導出到文本文件，然后導入EXCEL里面可求其的平均值。

4.2 鉆頭應力

從圖3可以看出，在設定的鉆削條件下，刀具所受鉆削應力與最大變形量均位于主切削刃處，這與理論分析結果相符。在實際的刀具開發設計過程中，可結合仿真結果，通過對主切削刃處的受力與變形情況進行定量分析而對鉆頭參數進行優化設計。

5 結論

針對螺旋錐面難以在DEFORM-3D創建三維模型缺點，本文創造性的提出利用MATLAB和PRO/E軟件建立了螺旋錐面鉆頭的三維模型，并將它們分別導入DEFORM-3D軟件的方法，并通過合理劃分網格與設置邊界條件，進行鉆削過程進行仿真模擬，得到一系列仿真計算結果。通過修改三維模型參數，即可方便快捷的對所研發的刀具性能進行仿真驗證，極大的避免了傳統實驗研究方法的成本高，耗費高等缺點，為優化刀具參數提供了科學依據。

參考文獻：

[1]倪志福，陳壁光.群鉆[M].上海：上海科學技術出版社，1999：7-8.

[2]王磊，王貴成.標準麻花鉆三維實體模型的創建[J].工具技術，2007，41（06）：75-78.

[3]崔娜，王貴和.基于DEFORM 的數控鉆削仿真研究[J].機械工程師，2013（06）：101-102.

作者簡介：關佳勤（1981-），女，天津人，本科，助理工程師，研究方向：機械設計。