微鉆頭有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言：應(yīng)用有限元分析軟件（ANSYS/LS-DYNA3D）對(duì)建立的微孔鉆頭模型進(jìn)行了有限元分析，觀察鉆頭的受力及變形過程。通過對(duì)微鉆頭強(qiáng)度、剛度分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得出了微鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆削過程的影響。為進(jìn)一步改善刀具內(nèi)部受力狀態(tài)，提高刀具使用壽命提供理論依據(jù)。

隨著高新科技及其產(chǎn)品的發(fā)展，微小孔鉆削加工技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域，特別是在精密制造業(yè)及電子產(chǎn)品工業(yè)中占據(jù)著越來越重要的地位。

微鉆頭的剛度和切削部分的強(qiáng)度顯著地影響到鉆頭的耐用度和切削性能。但由于微鉆頭是復(fù)雜的雙槽螺旋體，力學(xué)特性復(fù)雜，理論分析較困難，故更應(yīng)重視把理論分析與試驗(yàn)研究結(jié)合起來，使之不斷完善及精確化。通過對(duì)刀具強(qiáng)度、剛度的理論分析，了解微鉆頭內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，不僅可優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，而且還可進(jìn)一步為改善刀具內(nèi)部受力狀態(tài)，提高刀具使用壽命提供理論依據(jù)。

一、有限元和ANSYS

有限元法是用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法。

ANSYS目前是世界計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）行業(yè)中最強(qiáng)大的軟件。它將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，是解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。

LS—DYNA 是世界上最著名的通用顯示動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及留固耦合問題。從理論和算法而言，LS—DYNA源程序是目前所有的顯式求解程序的鼻祖和理論基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用如汽車安全性設(shè)計(jì)、武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、金屬成型、跌落仿真等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。

利用ANSYS/ LS—DYNA進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析時(shí)，通過對(duì)所施加的載荷進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察分析應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)，再通過改變微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別進(jìn)行觀察對(duì)比，從而達(dá)到強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

二、微鉆頭實(shí)體模型的建立

由于ANSYS在CAD方面不算很強(qiáng)大，要用ANSYS建立鉆頭實(shí)體模型有一定的難度，因此選擇Pro/Engineer軟件系統(tǒng)建立鉆頭實(shí)體模型，然后將其倒入ANSYS之中。

為增強(qiáng)微小鉆頭的剛性，防止切削部分?jǐn)[動(dòng)，且便于制造和裝夾，所以把鉆頭設(shè)計(jì)為階梯型，基本幾何參數(shù)如圖1所示：分別改變鉆頭的各種參數(shù)（如螺旋角，鉆芯厚度，螺旋槽長(zhǎng)度等），建立鉆頭的三維實(shí)體模型，再分別進(jìn)行有限元分析，并觀察結(jié)果，可以明顯看見微鉆頭在鉆削過程中受軸向壓力變短變粗，同時(shí)螺旋槽受壓變形導(dǎo)致螺旋角增大，而橫刃處的應(yīng)力較大，且鉆尖刀刃外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)和尾根轉(zhuǎn)點(diǎn)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于鉆頭材料的屈服強(qiáng)度。

最終通過對(duì)比觀察，可得出以下結(jié)論：

（1）必須合理選擇鉆芯厚度t0。因?yàn)檫m當(dāng)增大鉆芯厚度可增強(qiáng)鉆頭剛度，但如鉆芯厚度過大，則橫刃變寬，使鉆尖在工件表面滑移，造成定位不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致鉆頭折斷；同時(shí)鉆芯厚度過大則螺旋槽過淺，將導(dǎo)致容屑能力變差，切屑易堵塞且排屑困難，從而影響鉆削孔的表面質(zhì)量；又由于切削液難以流入切削區(qū)，使冷卻潤(rùn)滑效果極差，使鉆頭的磨損加大。所以要選擇合適的鉆芯厚度，以提高鉆頭的綜合性能。因此微鉆頭2t0/ d0一般為0.3—0.4甚至更大，而對(duì)與硬質(zhì)合金鉆頭一般選0.25—0.35為最優(yōu)。

（2）合理選擇鉆頭螺旋槽長(zhǎng)度。在保證加工孔長(zhǎng)的情況下要盡量選擇較短螺旋槽長(zhǎng)度的鉆頭，以提高剛度，保證加工孔的質(zhì)量。

（3）合理選擇鉆頭螺旋角。鉆頭螺旋角越大，則前角越大，能使切削輕快，降低軸向力和轉(zhuǎn)矩，有利于排屑，但螺旋角過大，將降低切削刃的強(qiáng)度，使散熱條件變差，容易崩刀，同時(shí)增大了排屑路程和排屑阻力。一般螺旋角選擇20°—30°時(shí)的綜合性能較好。

四、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是利用ANSYS對(duì)微鉆頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從獲取的應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)微鉆頭有關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)鉆頭的強(qiáng)度、剛度和排屑產(chǎn)生影響；同時(shí)從應(yīng)力應(yīng)變分布圖上可了解微鉆頭內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，從而能較精確地掌握鉆頭鉆尖各處的受力情況，以便找出微鉆上的危險(xiǎn)點(diǎn)。通過人機(jī)對(duì)話方式可尋找到適于具體加工對(duì)象和切削條件的最優(yōu)鉆頭結(jié)構(gòu)，使得鉆削時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變極值最小且能按最合理的形式分布，以保證鉆頭強(qiáng)度、剛度最大且排屑最好，使微鉆頭的切削效果達(dá)到最佳工作狀態(tài)。這對(duì)于設(shè)計(jì)和使用微鉆頭都具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]梁潔萍.微小孔加工與微細(xì)鉆頭[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)2004，26（4）：56-58.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程.清華大學(xué)出版社，2004.10.

[3]時(shí)黨勇、李欲春、張盛民等.基于ANSYS/LS-DYN3D 8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力分析.清華大學(xué)出版社，2004.

[4]王慶五，左肪，胡仁喜.ANSYS 10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例（第二版）.2006.1.

[5]曾忠.微型鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù)，1996年04期.

[6]言蘭.微鉆頭CAD與仿真系統(tǒng)的開發(fā)及基于有限元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué).2006.

[7]周志雄，袁建軍，林丞.微鉆頭螺旋槽的數(shù)學(xué)模型及其CAD方法.中國(guó)機(jī)械工程，2000.11（10）：1284～1288.

[8]孫銓.高精度微孔加工刀具的研究[D].東華大學(xué).2013.

[9]黎正科深孔麻花鉆三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[D].湖南大學(xué).2012.

[10]湯宏群.印刷電路板微孔鉆削加工過程的動(dòng)態(tài)特性研究[D].廣東工業(yè)大學(xué).2012.

[11]楊兆華.國(guó)內(nèi)外微小孔鉆削加工的工藝現(xiàn)狀究[J].汽車工藝與材料.1997年12期.

[12]謝大綱，趙清亮，袁哲俊，盧政君.麻花鉆剛度的有限元分析[J].2000年04期.

（作者單位：1.湖北工業(yè)大學(xué)；2.武漢重型機(jī)床集團(tuán)）