小直径钻头钻削加工的有限元仿真分析

冯朝辉，张学忱

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

小直径钻头钻削加工的有限元仿真分析

冯朝辉，张学忱

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

针对小直径钻头在钻削过程中出现的弯曲、折断问题，利用PRO/E软件建立了小直径麻花钻头的三维模型，基于ANSYS Workbench软件分析了钻头钻削时的固有频率、变形、应力应变的变化规律，分析了钻头夹持长度、螺旋槽长、材料等因素对钻头强度和刚度的影响，提出了相应的措施来增强钻头的性能。

三维模型;小直径麻花钻头;有限元分析;刚度;强度

0 引言

近些年来，航空航天、电子、医疗器械、仪表仪器等机械系统中的零件对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还是机械钻孔［2］，小孔直径一般为φ1-φ3mm。因钻头的直径小、易在钻孔中出现弯曲、折断等现象。本文选高速钢的φ1mm钻头，钻削45钢，基于ANSYS workbench软件进行小直径钻头的静力学分析和模态分析，系统研究麻花钻头的夹持长度、螺旋槽槽长、材料特性对麻花钻头强度、刚度的影响规律，为提高钻头的钻削性能和使用寿命提供理论基础。

1 麻花钻头钻削力和钻削扭矩

小直径钻削过程中，进给量一般取钻头直径的2%-3%［3］。钻头轴向力F主要分布在钻头两条主切削刃和横刃上，一般横刃占57%，两条主切削刃占43%，钻头钻削扭矩M主要分布在两条主切削刃上［4］:

其中:d——钻头直径，mm;f——每转进给量，mm/r;zF、yF、zM、yM——影响系数;CF、CM——与工件材料有关的系数;KF、KM——钻孔条件变化后的修正系数。

2 基于ANSYS workbench小直径钻头静力学分析

本文的小直径钻头钻削加工分析参数为:钻头直径d=1mm，锋角2φ=118°，螺旋角β=14.7°，槽长l1=12mm，总长l0=34mm，利用PRO/E软件对麻花钻头进行建模。工件材料45钢，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)求的轴向力 F=46.4N，钻削扭矩M=0.012N·m。将三维模型导入ANSYS workbench软件中，添加高速钢的材料特性，进行网格划分得单元数目为80179个，节点数为162752个。设置约束条件，并将轴向力F均布在横刃和两条主切削刃上，将扭矩M均布在两条主切削刃上，求解的结果如图1所示等效应力主要分布在钻头两条主切削刃、横刃、刃带和螺旋槽处，即图1中1点处，最大值为3978.34-4475.7MPa。图1中4、5、6点处的等效应力分别是 3158.1MPa、716.68MPa、121.23MPa，表明沿着钻头Y向等效应力逐渐变小。由图2所示，钻头在轴向(Y向)上最大变形0.009mm，Z向靠近外缘转点处最大变形为0.079mm，大于 X向0.064mm和Y向0.009mm变形量，可见钻头在Z向上弯曲变形最大，易导致钻头折断，而且X、Z向的变形会影响钻孔的孔径公差。

图1 φ1mm直柄麻花钻等效应力图

图2 φ1mm直柄麻花钻变形图

在上述分析基础上，针对钻头通过改变不同的夹持长度、螺旋槽长、材料来研究钻头强度、刚度的影响规律。表1说明钻头材料和螺旋槽长相同时，改变钻头夹持长度大小不影响钻头等效应力应变最大值，但对X、Y、Z三个方向的变形量都有影响，其中对Y方向影响最大，达到31%，而X、Z方向上的影响分别为18.9%和9.8%。发现随着夹持长度值变大，钻头的变形量逐渐变小。表2说明夹持长度、螺旋槽长不变时，材料对钻头的变形、等效应变影响最大。

表1 不同夹持长度静力学分析结果

表2 不同材料静力学分析结果

在同等条件下硬质合金类钻头的总变形和等效应变最大值基本上是高速钢类钻头的30%左右。表3说明高速钢钻头在相同夹持长度基础上改变螺旋槽长对钻头和等效应力应变钻头Y方向上的变形影响较小，但对钻头的X和Z方向变形量有很大影响，且对钻头X方向变形影响最大。随着螺旋槽长度由10mm增长到16mm，X、Z方向变形量最大值在0.0536mm和0.0667mm基础上增长了46.6%和37.6%，说明了增加螺旋槽的长度，会使得钻头的扭转刚度下降。所以在小直径孔加工中，选用钻头应以螺旋槽长最短为原则，装夹过程应尽量使得钻头夹持量最大，在钻削难加工材料时，应选硬质合金材料钻头，以增加钻头强度和刚度。

表3 不同槽长的静力学分析结果

3 小直径钻头的模态分析

在小直径钻头钻削过程中，主轴转速基本不超过6000r/min，钻头的刚度不足会导致钻头在钻削过程出现钻头偏移，钻头弯曲等现象，直接影响小孔的加工质量。通过改变夹持长度、螺旋槽长和材料研究了对小直径钻头固有频率影响规律。

表4 不同夹持长的固有频率(Hz)

表5 不同槽长的固有频率(Hz)

表6 不同材料的固有频率(Hz)

表4说明钻头材料和螺旋槽长相同时，改变夹持长会对钻头固有频率产生很大的影响，夹持长度的增加，钻头各阶固有频率会明显增大，说明夹持长度增加可以增强钻头的刚度。表5则说明高速钢材料钻头在相同夹持长度基础上，改变螺旋槽长对各阶固有频率的影响较小，但随着槽长增大，固有频率不呈单一增大或缩小趋势，其变化比较复杂。表6说明在夹持长度、螺旋槽长不变时，钻头材料对钻头各阶固有频率的影响显著，硬质合金钻头的固有频率远大于高速钢钻头，说明在相同的几何参数下，硬质合金钻头的刚度大。

4 结语

本文建立了小直径麻花钻头的三维模型和有限元模型，通过静力学分析和模态分析，系统研究了钻头材料、夹持长度、螺旋槽长对钻头变形、等效应力、应变及固有频率的影响规律，研究表明当被钻孔材料不变时，增加钻头夹持长度、减小螺旋槽长可有效的提高钻头强度和刚度，而硬质合金钻头的强度和刚度明显高于高速钢钻头，对长径比大的微小孔加工最好采用硬质合金钻头。

［1］张平宽，王慧霖.微小深孔的超低频振动切削机理研究［J］.农业机械学报，2002，33(2):102-104.

［2］朱晓翠，赵云飞，韩雪冰，等.振动钻削的国内外研究现状和发展趋势［J］.机械工程师，2005，10:28-29.

［3］曾忠.微孔的超声振动钻削技术与工艺效果［J］.机械工程师，2001(1):36-39.

［4］陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具［M］.北京:机械工业出版社，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

冯朝辉(1987-)，男，河南鹤壁人，硕士研究生，主要从事机械精密加工技术研究。

张学忱(1963-)，女，吉林长春人，教授，博士，主要从事工程图学，机械精密加工技术研究。

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责任编辑:

吴旭云