ＡＮＳＹＳ锪鉆振動有限元分析

李興凱　傅瑞琴

摘 要：通過應(yīng)用有限元ANSYS軟件對锪鉆擴孔時，由扭矩產(chǎn)生的振動進行仿真分析，從而得到鉆頭振動的幅度的理論值，為鍃鉆擴孔的精度提供理論數(shù)據(jù)，同時驗證了經(jīng)驗值的準(zhǔn)確性。為了提高加工中孔的精度，本文提出了許多相關(guān)的措施，為在實踐中提高孔的精度提供了思路。本文所建立的模型完全符合鉆削加工的實際情況，對其它類型的切削也具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：有限元 模型 仿真

隨著時代的發(fā)展，對產(chǎn)品的精度要求越來越高。在金屬產(chǎn)品的加工中，機床，刀具和被加工工件的非線形耦合，使得刀具可能發(fā)生顫振，在工件的表面產(chǎn)生振動波紋。這種顫振不僅會損壞刀具，而且還會影響工件的精度和光潔度。超精密機床的工作臺、溜板等移動部件，在作微量進給運動時，由于綜合剛度、阻尼的存在，以及動靜摩擦因數(shù)相差較大的原因，通常導(dǎo)致跳躍式進給并引起閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩[1]。如果能夠發(fā)現(xiàn)顫振的機理和控制，就會給加工精度的提高帶來很大的幫助。

隨著工業(yè)的提高機床也得到相應(yīng)發(fā)展，同時人們也意識到機械部件更高的精度的重要性[2]。于是人們對精加工進行了大量的研究。如在超精密切削硬質(zhì)鋼加工中， Norikazu SUZUKI1, Shinsuke MASUDA1 提出了一種切削硬質(zhì)鋼的方法，叫做橢圓振動切削[3]，可以達到極高的精度。同時，也提出了很多方法，來提高加工中的表面精度。如物質(zhì)阻尼和慣性驅(qū)動經(jīng)常用來作為機械的振動控制[4]。盡量消除振動對精度的影響。

本文利用有限元方法，基于锪鉆的擴孔，對其由于扭矩引起的振動進行分析，求出振動幅度的大小，并確定加工中振動對精度產(chǎn)生影響。同時對減少振動提出相應(yīng)的辦法。

1.有限元的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性，同時也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、順態(tài)動力學(xué)分析及譜分析等。模態(tài)分析主要包括以下4個步驟：

（1）建立模型

（2）加載并求解

（3）擴展模態(tài)

（4）觀察結(jié)果

2. 锪鉆的模型及參數(shù)

頸部直徑：24mm

彈性模量：200 GPa

泊松比： 0.3

材質(zhì)：45鋼

锪鉆在擴孔的時候，在刀刃上必然產(chǎn)生切削力，從而使刀具產(chǎn)生扭矩。由于扭矩的存在，在擴孔的時候產(chǎn)生振動，在孔的表面產(chǎn)生振動波紋從而影響孔的精度。

3.有限元模型的簡化

(1) 把鉆頭的頸部看作剛體，鉆頭的扭矩看作是集中物質(zhì)的慣性距。

(2) 鉆頭擴孔的時候有扭矩振動、軸向振動、側(cè)向振動。它們之間共同的耦合作用產(chǎn)生的振動。由于擴孔的時候，扭矩振動占主要作用，我們僅考慮扭矩產(chǎn)生的振動。

(3) 裝夾鉆頭的上部必然隨著整個部件一起振動，我們把裝夾部分看作是完全約束。僅考慮锪鉆自身的振動。

4.锪鉆力學(xué)的計算

锪鉆擴孔的時候切削力通常不作計算，因為它比鉆孔小得多。近似地計算切削力時，可將锪鉆每一個齒的當(dāng)作一個鏜刀看待。利用車刀公式，可計算锪鉆每齒的切向力pz1和走刀力（軸向力）px1?？偳邢髁z= pz1z和px= px1z 在此，我們不考慮軸向的力[5]。

扭矩： M=pz*D/2

5.锪鉆的靜態(tài)有限元分析

把锪鉆的鉆頭看作是具有扭轉(zhuǎn)慣性距的集中質(zhì)量MASS21單元，鉆的頸部看作是PIPE16的管單元。把管單元分成十五份，進行網(wǎng)格劃分，然后施加扭矩和約束， 進行有限元分析。

建立模型和求解結(jié)果如圖1所示:

6.結(jié)果分析

（1）從圖可知，發(fā)生的振動是在x方向上的。這是我們分析時，設(shè)定節(jié)點振動發(fā)生在x方向。由此推知，在切削的平面內(nèi)，必然發(fā)生振動。所以，我們在擴孔中，加工孔也必然會對整個孔壁產(chǎn)生破壞，孔的精度必然受到影響。

（2）從圖中可知，在x方向上節(jié)點2的振動最大位移是0.10442mm?？紤]到擴孔的時候，必然會對孔留下一定的加工空隙。所以，振動對加工孔的破壞作用并沒有那么大,與加工孔的經(jīng)驗精度基本是相符的。

(3)從圖中我們可以知道，振動是無序的，對孔壁的破壞也一定是無規(guī)律可言的。由建立的有限元的幾何模型和力學(xué)模型的有限元分析結(jié)果，基本符合生產(chǎn)實踐。

7.改進措施和結(jié)論

（1）锪鉆擴孔的振動是無法避免的，為了提高擴孔的精度，我們可以增加锪鉆頸部直徑，即提高剛度。也可以在锪鉆上安裝阻尼器來減少振動的幅度，同時，將電動機安裝基礎(chǔ)與鉆床基礎(chǔ)隔離，使其分別安裝在兩個獨立的基礎(chǔ)上，由三角膠帶傳遞動力，減少由于電動機的振動給鉆床本身精度帶來的影響。從而提高精度。

(2) 锪鉆本身由于是軸對稱零件，在擴孔的時候，可以先對其進行平衡校驗，從而減少由于自身旋轉(zhuǎn)引起的的振動。

(3) 簡化的幾何模型和力學(xué)模型基本符合生產(chǎn)實際，幾何和力學(xué)簡化模型的建立為以后的鉆頭類刀具的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計改造提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]胡旭曉.機床進給系統(tǒng)摩擦特性分析及改善措施研究.機械工程學(xué)報,2005 41(8):185-189

[2] [蘇聯(lián)]B·M 柯萬主編.機械制造工藝師手冊.中國工業(yè)出版社.1964.322-323