BTA深孔钻的结构优化及切削仿真分析

吴雪峰　马路　苑忠亮　杨树财

摘 要：BTA 深孔钻是一种典型的深孔加工内排屑钻头，刀具结构与刀具角度是影响加工质量与加工效率的重要因素。深孔加工过程中封闭，通过实验的方法优化刀具结构与角度难度较大。采用有限元的方法，用ANSYS软件建立了BTA深孔钻静力及模态三维分析模型，得到了BTA深孔钻变形特点及六阶振型图，为BTA深孔钻钻头结构优化提供参考；采用AdvantEdge软件建立了BTA深孔钻各刀齿钻削过程模型，研究了切屑形成过程及刀具角度对切削力、扭矩的影响规律，进而为刀具角度优化提供理论参考。

关键词：BTA深孔钻；有限元仿真；模态分析；钻削仿真；结构优化

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.004

中图分类号： TG501.1

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）04-0018-07

Abstract：BAT deephole drill is a typical innerchip removal drill. Structures and angles of tools are the main factors that influence the machining quality and machining efficiency. Because the processing of deephole drilling is not visible， it is very difficult to optimize structure and angles of tool through the experiment method. In this paper， finite element method is used as follows： static analysis and modal analysis of BAT deephole drill are built by ANSYS， and then the deformation and sixset vibration mode diagram of BAT deephole drill are carried out as a reference for structural optimization of BAT deephole drilling； Drilling process model of each tool tooth is built by AdvantEdge， and the effect of chip formation process and tool angles on cutting force and torque are studied as reference for tool angle optimization.

Keywords：BAT deephole drilling； finite element simulation； modal analysis； drilling simulation ； structural optimization

深孔加工在机械行业中有着举足轻重的地位，当钻头孔深与孔径之比大于 10时，称之為深孔加工[1]。深孔加工中，BTA深孔加工因其加工范围广，同时具有良好的加工质量和稳定的加工性能，已成为深孔加工中普遍采用的一种深孔加工技术[2-4]。深孔加工切削条件异常恶劣，断屑及排屑困难，不易进行散热及冷却，因此深孔钻的刀片磨损、破损严重，刀片的使用寿命相对于工件的加工非常短；钻削时因钻杆较长，系统的刚性又较差，容易引起振动，使加工孔的轴线发生偏斜，影响工件加工的精度，最终影响了工件的加工效率[5-6]。

由于深孔加工过程封闭，切屑的形成、刀具与工件摩擦及切削生热等过程无法直接检测，因此BTA深孔钻的设计及优化主要采用理论分析为主，实验方法为辅。德国学者研制出了带有测量力功能的BTA钻头，但是由于其复杂的设计导致成本过高，因此该技术只应用于研发和设计阶段。国内外一些科研机构及院校的科研人员也对深孔加工技术做了一些研究。李波等为减小BTA深孔钻加工过程中钻杆振动对刀具寿命和工件加工精度的影响，开发了一种钻杆振动主动控制系统，并通过试验验证了其对钻杆振动抑制的有效性[7]。Weinert 等在研究过程中得到了BTA 深孔加工的动力学响应，获得了切削参数与被加工孔表面质量的影响规律，并总结出在钻头的扭转刚度与弯曲刚度较低时，易发生振动现象[8]。Raabe 等得到钻削过程中再生振动的影响规律，认为切削力和摩擦力是引起孔加工误差的原因之一[9]。Edhi 研究了深孔加工中的颤振是在不断加强的[10]。D.Biermann等分析了导向块的形状和涂层在深孔加工中的重要作用，研究了导向块的涂层和磨损机制[11]。T.Aized等探讨和改进了深孔钻削的加工工艺，得出切削速度和进给速度对钻孔质量有较大影响[12]。邵振宇根据BTA系统刀具的受力特性及钻杆的振动特性，分析了影响钻杆组件振动的因素，得出具有径向附加力的钻杆减振器减振效果明显[13]。冯斌等利用Fluent软件对BTA深孔钻复杂的内部流场进行了数值模拟仿真，得出了BTA深孔钻在压力损失、局部阻力、大漩涡与中小漩涡分布等综合分布规律，并提出了局部阻力系数值，为BTA深孔钻内流道排屑问题提供了新方法[14]。徐福强针对深孔加工中出现的入钻时钻头钻削受力不均和钻削稳定性问题，研究了错齿BTA深孔钻的钻削技术，并设计改进出了一种新结构错齿BTA钻头，在一定程度上提高了力学性能和稳定性[15]。董振等针对BTA深孔钻的磨损特征及耐用度展开了研究，并利用神经网络实现了对BTA钻耐用度的理论预测[16]。

目前BTA深孔钻已经商品化，但是产品结构差异小、产品种类单一，为了进一步优化刀具结构，从而适应不同深孔加工机床与工件材料，提高加工质量与加工效率。本文采用有限元方法建立了静力学、模态分析与切削过程分析模型。采用以上模型分析切削刃处的变形状态，计算BTA深孔钻结构的振动特性，模拟切屑形成过程，分析了刀具角度对切削力、扭矩的影响规律。分析得到的结果可为深孔钻的设计与优化提供理论依据。

1 BTA深孔钻结构设计

BTA深孔钻由刀体、刀片、支撑块组成，建立模型的主要特征参数包括直径、出屑口锥面、外刃偏角、内刃偏角、切削刃的前角和后角、排屑槽等。本文以直径16.1mm的深孔钻作为研究对象，排屑孔直径取值为10.4～10.8，出屑口设计为20°～30°喇叭口锥面，钻头体外径取（0.9～0.92）D，钻杆外径与其相同。

3个刀齿交替切削组成错齿，中心刀片高出中间刀片δ（δ取值为进给量的3倍或0.5mm），在中心刀片切入后，中间刀片就会切削中心刀片加工后的表面，同时中间刀片还在切削周边刀片即将加工的工件表面。之后周边刀片也会切削中心刀片即将加工的工件表面，三齿交替切削可以避免刀尖受到力的瞬间冲击，同时保持切削刃的锋利程度。

3个刀齿中中心刀片的切削环境最差、切削速度最慢、受到的阻力最大，中心齿宽度的覆盖必须超过中心点1mm左右，为避免加工过程中出现“零切速”的状况。为了减小阻力和改善切削环境，可取负前角和负刀尖角，通常前角取（-5°～0°），刀尖角取（-5°～-3°），同时通过增大后角的方式来减小轴向阻力，后角取12°以上，为确保不崩刃，主偏角取（18°～20°）。

周边刀片切削环境最好，但受到的扭矩最大，主偏角取值应小一点，可取（13°～15°），同时周边刀片起着保证孔的表面精度的作用。为了便于加工，常取0°前角，后角根据加工材料来确定，通常难加工塑变性大的取值12°以上，其他材料取值在12°以下。

中间刀片的切削状态在两齿之间，尺寸趋向于周边刀片的设计，中间刀片单独排屑，因此主偏角可取较大值（18°～20°），为了便于加工可取0°前角，后角可以偏大（10°～15°）。

建立的BTA深孔钻模型如图1所示。

2 BTA深孔钻的结构仿真分析

2.1 静力分析

通过静力分析可以得到静载荷作用下应力分布、变形情况（刚度分析）、失稳可能性及极限载荷，为钻头结构刚度的优化提供参考。将建立的BTA深孔钻三维模型简化，去掉螺纹导入有限元分析软件ANSYS后，进行网格划分得到模型如图2所示。

假设3个刀齿所受轴向力与切削力分别相同。进给量为0.12mm、转速为2000r/min时，Fy=3000N，Fz=5000N，施加载荷求解，最终得到位移变形结果。分别对两个导向块夹角为110°、115°以及120°的钻头结构进行静力分析，结果如图3所示，刀片的尖端部分变形最大，当夹角为115°时位移变形量最小，位移量为0.143mm。

2.2 BTA钻的模态分析

实际钻削加工中，前几阶的频率易与其他频率发生耦合，而且阶数越高，加工误差越大，对加工影响也越大。任意一个固有频率都对应一个节点的振幅值，其基本振型就是最小特征值对应振型[17]。在ANSYS13.0软件中模态分析的分析方法包括：Power Dynamics法、分块兰索斯法、非对称、缩减法、子空间法和QR阻尼法等[18-19]。采用分块兰索斯法进行模态分析，得到六阶振型图如图4所示，对应的固有频率如表1所示。

钻头在加工工件时若发生共振，会导致钻头与工件之间产生相对位移，影响加工质量和效率，因此，在结构设计时要考虑共振频率的影响。当固有频率小于工作频率时，不会产生共振现象，加工质量也较好。通过特征频率图可知，该钻头在切削时，发生共振的概率很小，同时可知，在钻削过程中主要产生的是轴向颤动，且切削刃处的变形最大。

3 BTA钻头切削仿真研究

3.1 BTA深孔钻切削过程的分析

深孔钻削过程中刀具磨损对切削力产生影响，同时也影响被加工孔的精度与表面粗糙度等，严重的情况会引起切削时发生大的振动，甚至是损坏钻杆与加工系统等[20-21]。

切削力的大小对钻头磨损和刀具寿命影响较大，另外各个刀齿的布置位置不同，因此每个齿的切削状态也不同。中心齿的切削条件最差，它的切削力最大，受到的挤压较严重，不易断屑，易断齿。中间齿相对于中心齿，它的切削条件略好，且切削速度介于另外两齿之间。周边齿的切削条件相对其它两齿是最好的，但它的转矩和切削速度也是最大的，这直接决定着孔壁质量的好坏，为保护周边齿，就要让径向合力压向支撑块，使其紧贴孔壁，确保稳定钻削，从而加强导向作用。

BTA 深孔钻在刚开始钻削时，是通过工件的引导孔或导向套引导钻削，而钻头绕其中心线作回转运动，且同时相对工件作进给运动。由于钻头结构复杂及工作条件恶劣，在实际加工中有以下特点：

1）钻头上的各个切削刃同时受到了挤压和剪切的作用，承担的扭矩和钻削力很大。

2）钻头上有排屑槽，且3个刀齿分别在排屑槽两侧，钻头的内部中空作排屑通道，因此壁厚不同，加工成形后其内部会有较大的应力。

3）在实际钻削过程中，周边齿的钻削速度最大，但会由于有冷却液的冷却和润滑，从而降低了磨损。钻头中心的钻削速度较低，因此中心齿切削工件的速度会较慢，刀齿磨损较小，但其承担的挤压力会较大，易崩刃。

3.2 BTA深孔钻切削过程仿真

将深孔钻模型简化，只保留刀刃部分，建立切削过程有限元模型。仿真得到切屑形成过程、温度场分布及切削过程中的切削力的变化规律如图5所示。

虽然整体钻头仿真可以模拟所有刀齿切屑形成并分析各刀齿之间的影響，但网格数量过多导致切削仿真时间过长，不利于分析工艺参数及刀具角度对加工的影响规律， 所以本文分别对三个刀齿的钻削过程进行仿真，根据每个刀齿实际的切削状态及磨损情况，分别建立工件模型，如图6所示。钻头直径为16.1mm，工件材料为SA516，刀片材料选用材料库中自带的硬质合金。

在钻削加工中，最重要的一点是能否获得满意的断屑即钻头切削刃的排屑方法。通常是采用断屑槽来实现断屑效果。在加工中，工件静止，钻头旋转，切削刃强行切掉金属层。钻削过程就是被加工表面的金属受到剪切挤压，从而被撕裂的过程。切屑被强行给予一个附加变形，使其产生卷曲折断。

进给量为0.12mm/r、切削速度为110m/min 时，各刀齿切屑的形成过程与变形规律如图7所示。随着切削进行，工件材料与刀刃接触处应力不断增大，在第1.0ms 左右开始发生塑性屈服，当屈服应力达到切屑分离准则时，工件材料经过剧烈剪切滑移后从工件机体分离形成切屑。随着切削继续，刀具前刀面与切屑接触面积不断增大，在第3.8ms 左右切屑与前刀面分离，切屑开始发生弯曲。从钻头外径位置到中心，切削环境存在很大差异，形成切屑各有不同。

将仿真得到的切屑与加工现场实验收集的切屑进行对比，如图8所示。周边齿切削速度与工件曲率半径最大，刀齿切削条件较好，切屑形成容易，变形相对较小，切屑与刀具前刀面接触面积最大。随着切削速度与工件曲率半径的逐渐减小，刀齿切削条件逐渐变差，切屑变形加剧，切屑形成困难，挤压变形愈加严重。因此，在设计钻头时，需区别对待各个刀齿的角度和材料性能，使 BTA 钻头各刀齿实现最优工作性能。

周边刀片、中心刀片和中间刀片的切削力扭矩曲线图如图9所示，结果表明中间刀片轴向力最大，周边刀片扭矩最大，周边刀片的切削力和扭矩变化最平稳，中间刀片次之，由此可见仿真过程和实际切削过程吻合。中间刀片的切削条件相对其他两齿是最差的，受到的挤压较严重，不易断屑，易断齿，中间齿相对较好，周边齿的切削条件相对是最好的。

通过仿真可以分析刀具角度对切削力、扭矩的影响规律，进而优化刀具角度参数。

1）周边刀片。

不同角度周边刀片切削力与扭矩的仿真结果如图10所示。轴向力与扭矩随前角度数增加而减小，正前角有利于切削，0°前角和正前角对扭矩的影响区别不大，考虑到周边刀片控制孔的表面加工质量，建议选择0°前角。后角对切削力的影响较小，在6°～8°时扭矩逐渐减小，大于8°后扭矩增加，切削力Fz随角度增加而减小，这是因为切削力合力变大的缘故，因此后角取8°。切削力在主偏角16°之前逐渐变大，16°之后减小，扭矩随着主偏角的增大而减小，18°以后扭矩变化不大，究其原因是切削刃与工件的有效接触面积减小了，虽然主偏角较小有利于切削，但不宜过小，外刃偏角可取13°～15°之间。

2）中心刀片。

不同角度中心刀片切削力与扭矩的仿真结果如图11所示。中心刀片切削环境最差，在3个刀齿中切削速度最低切削力最大，切削力Fz与扭矩随前角减小而降低，前角越小越有利于切削，前角取值可在-5°～-10°之间，考虑中心刀片大部分切削刃都在工作，不宜取值过小。后角对扭矩的影响较小，切削力Fz在15°之前呈下降趋势，之后切削力急剧变大，切屑增多，排屑困难所致，在10°～15°之间，增大后角有利于切削。切削力Fz随主偏角增加而降低，扭矩呈平缓上升趋势且幅度不大，主偏角增大，切削量增大，导致整体受力加大所致。考虑中心齿切削量大，主偏角可取较大值18°～20°范围内。

3）中间刀片。

不同角度中间刀片切削力与扭矩的仿真结果如图12所示。中间刀片的切削状态处于两者之间，和周边刀片情况相似。切削力随前角增大而减小，对比理论取值范围，取5°即可。不同后角角度下的切削力和扭矩数据曲线如图12（b）所示，后角较大时明显有利于切削，可取15°以上。切削力随主偏角的增大而减小，扭矩随之而增加，主偏角取18°时切削力与扭矩处于较理想状态。

通过以上仿真结果，得到3个刀齿角度的优化结果，如表2所示。

4 结 论

1）分析了BTA深孔钻的工作原理，给出了BTA深孔钻刀体、钻柄、导向块和断屑台的关键参数，并在此基础上建立了BTA深孔钻的三维模型。

2）对BTA深孔钻的结构进行静力学分析，获得了切削过程中位移变形规律；对优化的结构进行模态分析，得到钻头的前六阶振型图及其对应的频率值，得出所设计的钻头结构发生共振的概率很小的结论，且其振动形式主要是轴向振动，而变形主要包括弯曲和扭转变形。

3）应用Third wave AdvantEdge软件模拟了BTA深孔钻钻削过程，分析了切屑形成及钻削力与扭矩的变化规律。采用不同角度的刀片模拟钻削过程，得到了刀具角度对钻削力与扭矩的影响规律，周边刀片的前角、中心刀片的内刃偏角对切削过程影响最大，最后给出了各刀齿的前角、后角和主偏角的取值。

參 考 文 献：

[1] 王世清.深孔加工技术[M].西安，西北工业大学出版社，2003.

[2] 王玲君，杨富明，邓晓晓.错齿BTA钻深孔加工刀具设计[J].机电技术，2011（2）：91-93.

[3] 关世玺，范国勇，常兴.深孔加工关键技术研究[J].新技术新工艺，2007（8）：29-31.

[4] 蒋超猛，张弓，王映品，等.深孔加工技术的研究综述及发展趋势[J].机床与液压，2015，43（11）：173-177.

[5] 尤海燕，杨树财，吴雪峰，等.BTA深孔钻设计技术[J].机械设计与研究2014，（05）：110-113.

[6] 谢阳.BTA内排屑深孔钻断屑机理及槽型设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2016.

[7] 李波，苗鸿宾，沈兴全.BTA深孔钻杆振动主动控制试验研究[J].工艺与检测，2015，（09）：98-101.

[8] WEINERT K， WEBBER O， MEHNEN J， et al. Experimental Investigations of the Dynamics of the BTA Deep Hole Drilling Process[J]. Journal of Production Engineering Research Development Germany， 2009， 45（2）： 925-935.

[9] RAABE N， ENK D， BIERMANN D， et al. Dynamic. Disturbances in BTA DeepHole Drilling： Modelling Chatter and Spiralling as Regenertive Effects[J]. Intelligence， Stuudies in the Classification， Data Analysis， and Knowledge Organization， 2010： 82-91.

[10]EDHI E， HOSHI T. A New Mechanism Explaining High Frequency Chatter Vibration Involving Tool Tip XY Looping in Fine Boring[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control， 2001， 123 （3）： 370-376.

[11]BIERMANN D，ABRAHARNS H，GOEKE S. Optimization of Guide Pads for the BTA Deep Hole Drilling of High Alloyed Steels by Microfinishing[J]. Production EngineeringResearch and Development.2014（8）：33-40.

[12]AIZED T，AMJAD M. Quality Improvement of Deephole Drilling Process of AISI D2[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2013（69）：2493-2503.

[13]邵振宇.BTA深孔鉆杆组件振动特性及减振器的设计研究[D].山西：中山大学，2016.

[14]冯斌，沈兴全，王刚.BTA深孔钻内流道排屑机理数值仿真研究[J].机械设计与制造，2014（10）：183-185.

[15]徐福强.错齿BTA深孔钻钻削技术研究[D].辽宁：辽宁工业大学，2016.

[16]董振，沈兴全，李耀明，等.基于神经网络的BTA深孔钻耐用度分析及实验研究[J].中北大学学报（自然科学版），2016，37（2）：205-210.

[17]张红丽.基于导向型组合深孔钻的深孔加工研究[D].陕西：西安科技大学， 2011.

[18]张利新.BTA 钻削系统力学特性研究及有限元分析[D].山西：中北大学， 2014.

[19]李宇萌，蔡俊.浅谈ANSYS软件中模态分析的步骤[J].科技展望，2016（33）：109.

[20]胡建国.核电管板深孔加工精度控制研究[D].上海：上海交通大学，2011.

[21]黄晓斌.EA4T车轴深孔钻削切屑形态及刀具磨损的研究[D].山西：中北大学，2015.

（编辑：关 毅）