BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及切削仿真分析

吳雪峰　馬路　苑忠亮　楊樹財

摘 要：BTA 深孔鉆是一種典型的深孔加工內(nèi)排屑鉆頭，刀具結(jié)構(gòu)與刀具角度是影響加工質(zhì)量與加工效率的重要因素。深孔加工過程中封閉，通過實驗的方法優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)與角度難度較大。采用有限元的方法，用ANSYS軟件建立了BTA深孔鉆靜力及模態(tài)三維分析模型，得到了BTA深孔鉆變形特點及六階振型圖，為BTA深孔鉆鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考；采用AdvantEdge軟件建立了BTA深孔鉆各刀齒鉆削過程模型，研究了切屑形成過程及刀具角度對切削力、扭矩的影響規(guī)律，進(jìn)而為刀具角度優(yōu)化提供理論參考。

關(guān)鍵詞：BTA深孔鉆；有限元仿真；模態(tài)分析；鉆削仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.004

中圖分類號： TG501.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 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

深孔加工在機(jī)械行業(yè)中有著舉足輕重的地位，當(dāng)鉆頭孔深與孔徑之比大于 10時，稱之為深孔加工[1]。深孔加工中，BTA深孔加工因其加工范圍廣，同時具有良好的加工質(zhì)量和穩(wěn)定的加工性能，已成為深孔加工中普遍采用的一種深孔加工技術(shù)[2-4]。深孔加工切削條件異常惡劣，斷屑及排屑困難，不易進(jìn)行散熱及冷卻，因此深孔鉆的刀片磨損、破損嚴(yán)重，刀片的使用壽命相對于工件的加工非常短；鉆削時因鉆桿較長，系統(tǒng)的剛性又較差，容易引起振動，使加工孔的軸線發(fā)生偏斜，影響工件加工的精度，最終影響了工件的加工效率[5-6]。

由于深孔加工過程封閉，切屑的形成、刀具與工件摩擦及切削生熱等過程無法直接檢測，因此BTA深孔鉆的設(shè)計及優(yōu)化主要采用理論分析為主，實驗方法為輔。德國學(xué)者研制出了帶有測量力功能的BTA鉆頭，但是由于其復(fù)雜的設(shè)計導(dǎo)致成本過高，因此該技術(shù)只應(yīng)用于研發(fā)和設(shè)計階段。國內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)及院校的科研人員也對深孔加工技術(shù)做了一些研究。李波等為減小BTA深孔鉆加工過程中鉆桿振動對刀具壽命和工件加工精度的影響，開發(fā)了一種鉆桿振動主動控制系統(tǒng)，并通過試驗驗證了其對鉆桿振動抑制的有效性[7]。Weinert 等在研究過程中得到了BTA 深孔加工的動力學(xué)響應(yīng)，獲得了切削參數(shù)與被加工孔表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并總結(jié)出在鉆頭的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度較低時，易發(fā)生振動現(xiàn)象[8]。Raabe 等得到鉆削過程中再生振動的影響規(guī)律，認(rèn)為切削力和摩擦力是引起孔加工誤差的原因之一[9]。Edhi 研究了深孔加工中的顫振是在不斷加強(qiáng)的[10]。D.Biermann等分析了導(dǎo)向塊的形狀和涂層在深孔加工中的重要作用，研究了導(dǎo)向塊的涂層和磨損機(jī)制[11]。T.Aized等探討和改進(jìn)了深孔鉆削的加工工藝，得出切削速度和進(jìn)給速度對鉆孔質(zhì)量有較大影響[12]。邵振宇根據(jù)BTA系統(tǒng)刀具的受力特性及鉆桿的振動特性，分析了影響鉆桿組件振動的因素，得出具有徑向附加力的鉆桿減振器減振效果明顯[13]。馮斌等利用Fluent軟件對BTA深孔鉆復(fù)雜的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，得出了BTA深孔鉆在壓力損失、局部阻力、大漩渦與中小漩渦分布等綜合分布規(guī)律，并提出了局部阻力系數(shù)值，為BTA深孔鉆內(nèi)流道排屑問題提供了新方法[14]。徐福強(qiáng)針對深孔加工中出現(xiàn)的入鉆時鉆頭鉆削受力不均和鉆削穩(wěn)定性問題，研究了錯齒BTA深孔鉆的鉆削技術(shù)，并設(shè)計改進(jìn)出了一種新結(jié)構(gòu)錯齒BTA鉆頭，在一定程度上提高了力學(xué)性能和穩(wěn)定性[15]。董振等針對BTA深孔鉆的磨損特征及耐用度展開了研究，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對BTA鉆耐用度的理論預(yù)測[16]。

目前BTA深孔鉆已經(jīng)商品化，但是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異小、產(chǎn)品種類單一，為了進(jìn)一步優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)不同深孔加工機(jī)床與工件材料，提高加工質(zhì)量與加工效率。本文采用有限元方法建立了靜力學(xué)、模態(tài)分析與切削過程分析模型。采用以上模型分析切削刃處的變形狀態(tài)，計算BTA深孔鉆結(jié)構(gòu)的振動特性，模擬切屑形成過程，分析了刀具角度對切削力、扭矩的影響規(guī)律。分析得到的結(jié)果可為深孔鉆的設(shè)計與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 BTA深孔鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計

BTA深孔鉆由刀體、刀片、支撐塊組成，建立模型的主要特征參數(shù)包括直徑、出屑口錐面、外刃偏角、內(nèi)刃偏角、切削刃的前角和后角、排屑槽等。本文以直徑16.1mm的深孔鉆作為研究對象，排屑孔直徑取值為10.4～10.8，出屑口設(shè)計為20°～30°喇叭口錐面，鉆頭體外徑?。?.9～0.92）D，鉆桿外徑與其相同。

3個刀齒交替切削組成錯齒，中心刀片高出中間刀片δ（δ取值為進(jìn)給量的3倍或0.5mm），在中心刀片切入后，中間刀片就會切削中心刀片加工后的表面，同時中間刀片還在切削周邊刀片即將加工的工件表面。之后周邊刀片也會切削中心刀片即將加工的工件表面，三齒交替切削可以避免刀尖受到力的瞬間沖擊，同時保持切削刃的鋒利程度。

3個刀齒中中心刀片的切削環(huán)境最差、切削速度最慢、受到的阻力最大，中心齒寬度的覆蓋必須超過中心點1mm左右，為避免加工過程中出現(xiàn)“零切速”的狀況。為了減小阻力和改善切削環(huán)境，可取負(fù)前角和負(fù)刀尖角，通常前角取（-5°～0°），刀尖角?。?5°～-3°），同時通過增大后角的方式來減小軸向阻力，后角取12°以上，為確保不崩刃，主偏角?。?8°～20°）。

周邊刀片切削環(huán)境最好，但受到的扭矩最大，主偏角取值應(yīng)小一點，可?。?3°～15°），同時周邊刀片起著保證孔的表面精度的作用。為了便于加工，常取0°前角，后角根據(jù)加工材料來確定，通常難加工塑變性大的取值12°以上，其他材料取值在12°以下。

中間刀片的切削狀態(tài)在兩齒之間，尺寸趨向于周邊刀片的設(shè)計，中間刀片單獨排屑，因此主偏角可取較大值（18°～20°），為了便于加工可取0°前角，后角可以偏大（10°～15°）。

建立的BTA深孔鉆模型如圖1所示。

2 BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 靜力分析

通過靜力分析可以得到靜載荷作用下應(yīng)力分布、變形情況（剛度分析）、失穩(wěn)可能性及極限載荷，為鉆頭結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化提供參考。將建立的BTA深孔鉆三維模型簡化，去掉螺紋導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到模型如圖2所示。

假設(shè)3個刀齒所受軸向力與切削力分別相同。進(jìn)給量為0.12mm、轉(zhuǎn)速為2000r/min時，F(xiàn)y=3000N，F(xiàn)z=5000N，施加載荷求解，最終得到位移變形結(jié)果。分別對兩個導(dǎo)向塊夾角為110°、115°以及120°的鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖3所示，刀片的尖端部分變形最大，當(dāng)夾角為115°時位移變形量最小，位移量為0.143mm。

2.2 BTA鉆的模態(tài)分析

實際鉆削加工中，前幾階的頻率易與其他頻率發(fā)生耦合，而且階數(shù)越高，加工誤差越大，對加工影響也越大。任意一個固有頻率都對應(yīng)一個節(jié)點的振幅值，其基本振型就是最小特征值對應(yīng)振型[17]。在ANSYS13.0軟件中模態(tài)分析的分析方法包括：Power Dynamics法、分塊蘭索斯法、非對稱、縮減法、子空間法和QR阻尼法等[18-19]。采用分塊蘭索斯法進(jìn)行模態(tài)分析，得到六階振型圖如圖4所示，對應(yīng)的固有頻率如表1所示。

鉆頭在加工工件時若發(fā)生共振，會導(dǎo)致鉆頭與工件之間產(chǎn)生相對位移，影響加工質(zhì)量和效率，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮共振頻率的影響。當(dāng)固有頻率小于工作頻率時，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加工質(zhì)量也較好。通過特征頻率圖可知，該鉆頭在切削時，發(fā)生共振的概率很小，同時可知，在鉆削過程中主要產(chǎn)生的是軸向顫動，且切削刃處的變形最大。

3 BTA鉆頭切削仿真研究

3.1 BTA深孔鉆切削過程的分析

深孔鉆削過程中刀具磨損對切削力產(chǎn)生影響，同時也影響被加工孔的精度與表面粗糙度等，嚴(yán)重的情況會引起切削時發(fā)生大的振動，甚至是損壞鉆桿與加工系統(tǒng)等[20-21]。

切削力的大小對鉆頭磨損和刀具壽命影響較大，另外各個刀齒的布置位置不同，因此每個齒的切削狀態(tài)也不同。中心齒的切削條件最差，它的切削力最大，受到的擠壓較嚴(yán)重，不易斷屑，易斷齒。中間齒相對于中心齒，它的切削條件略好，且切削速度介于另外兩齒之間。周邊齒的切削條件相對其它兩齒是最好的，但它的轉(zhuǎn)矩和切削速度也是最大的，這直接決定著孔壁質(zhì)量的好壞，為保護(hù)周邊齒，就要讓徑向合力壓向支撐塊，使其緊貼孔壁，確保穩(wěn)定鉆削，從而加強(qiáng)導(dǎo)向作用。

BTA 深孔鉆在剛開始鉆削時，是通過工件的引導(dǎo)孔或?qū)蛱滓龑?dǎo)鉆削，而鉆頭繞其中心線作回轉(zhuǎn)運動，且同時相對工件作進(jìn)給運動。由于鉆頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜及工作條件惡劣，在實際加工中有以下特點：

1）鉆頭上的各個切削刃同時受到了擠壓和剪切的作用，承擔(dān)的扭矩和鉆削力很大。

2）鉆頭上有排屑槽，且3個刀齒分別在排屑槽兩側(cè)，鉆頭的內(nèi)部中空作排屑通道，因此壁厚不同，加工成形后其內(nèi)部會有較大的應(yīng)力。

3）在實際鉆削過程中，周邊齒的鉆削速度最大，但會由于有冷卻液的冷卻和潤滑，從而降低了磨損。鉆頭中心的鉆削速度較低，因此中心齒切削工件的速度會較慢，刀齒磨損較小，但其承擔(dān)的擠壓力會較大，易崩刃。

3.2 BTA深孔鉆切削過程仿真

將深孔鉆模型簡化，只保留刀刃部分，建立切削過程有限元模型。仿真得到切屑形成過程、溫度場分布及切削過程中的切削力的變化規(guī)律如圖5所示。

雖然整體鉆頭仿真可以模擬所有刀齒切屑形成并分析各刀齒之間的影響，但網(wǎng)格數(shù)量過多導(dǎo)致切削仿真時間過長，不利于分析工藝參數(shù)及刀具角度對加工的影響規(guī)律， 所以本文分別對三個刀齒的鉆削過程進(jìn)行仿真，根據(jù)每個刀齒實際的切削狀態(tài)及磨損情況，分別建立工件模型，如圖6所示。鉆頭直徑為16.1mm，工件材料為SA516，刀片材料選用材料庫中自帶的硬質(zhì)合金。

在鉆削加工中，最重要的一點是能否獲得滿意的斷屑即鉆頭切削刃的排屑方法。通常是采用斷屑槽來實現(xiàn)斷屑效果。在加工中，工件靜止，鉆頭旋轉(zhuǎn)，切削刃強(qiáng)行切掉金屬層。鉆削過程就是被加工表面的金屬受到剪切擠壓，從而被撕裂的過程。切屑被強(qiáng)行給予一個附加變形，使其產(chǎn)生卷曲折斷。

進(jìn)給量為0.12mm/r、切削速度為110m/min 時，各刀齒切屑的形成過程與變形規(guī)律如圖7所示。隨著切削進(jìn)行，工件材料與刀刃接觸處應(yīng)力不斷增大，在第1.0ms 左右開始發(fā)生塑性屈服，當(dāng)屈服應(yīng)力達(dá)到切屑分離準(zhǔn)則時，工件材料經(jīng)過劇烈剪切滑移后從工件機(jī)體分離形成切屑。隨著切削繼續(xù)，刀具前刀面與切屑接觸面積不斷增大，在第3.8ms 左右切屑與前刀面分離，切屑開始發(fā)生彎曲。從鉆頭外徑位置到中心，切削環(huán)境存在很大差異，形成切屑各有不同。

將仿真得到的切屑與加工現(xiàn)場實驗收集的切屑進(jìn)行對比，如圖8所示。周邊齒切削速度與工件曲率半徑最大，刀齒切削條件較好，切屑形成容易，變形相對較小，切屑與刀具前刀面接觸面積最大。隨著切削速度與工件曲率半徑的逐漸減小，刀齒切削條件逐漸變差，切屑變形加劇，切屑形成困難，擠壓變形愈加嚴(yán)重。因此，在設(shè)計鉆頭時，需區(qū)別對待各個刀齒的角度和材料性能，使 BTA 鉆頭各刀齒實現(xiàn)最優(yōu)工作性能。

周邊刀片、中心刀片和中間刀片的切削力扭矩曲線圖如圖9所示，結(jié)果表明中間刀片軸向力最大，周邊刀片扭矩最大，周邊刀片的切削力和扭矩變化最平穩(wěn)，中間刀片次之，由此可見仿真過程和實際切削過程吻合。中間刀片的切削條件相對其他兩齒是最差的，受到的擠壓較嚴(yán)重，不易斷屑，易斷齒，中間齒相對較好，周邊齒的切削條件相對是最好的。

通過仿真可以分析刀具角度對切削力、扭矩的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化刀具角度參數(shù)。

1）周邊刀片。

不同角度周邊刀片切削力與扭矩的仿真結(jié)果如圖10所示。軸向力與扭矩隨前角度數(shù)增加而減小，正前角有利于切削，0°前角和正前角對扭矩的影響區(qū)別不大，考慮到周邊刀片控制孔的表面加工質(zhì)量，建議選擇0°前角。后角對切削力的影響較小，在6°～8°時扭矩逐漸減小，大于8°后扭矩增加，切削力Fz隨角度增加而減小，這是因為切削力合力變大的緣故，因此后角取8°。切削力在主偏角16°之前逐漸變大，16°之后減小，扭矩隨著主偏角的增大而減小，18°以后扭矩變化不大，究其原因是切削刃與工件的有效接觸面積減小了，雖然主偏角較小有利于切削，但不宜過小，外刃偏角可取13°～15°之間。

2）中心刀片。

不同角度中心刀片切削力與扭矩的仿真結(jié)果如圖11所示。中心刀片切削環(huán)境最差，在3個刀齒中切削速度最低切削力最大，切削力Fz與扭矩隨前角減小而降低，前角越小越有利于切削，前角取值可在-5°～-10°之間，考慮中心刀片大部分切削刃都在工作，不宜取值過小。后角對扭矩的影響較小，切削力Fz在15°之前呈下降趨勢，之后切削力急劇變大，切屑增多，排屑困難所致，在10°～15°之間，增大后角有利于切削。切削力Fz隨主偏角增加而降低，扭矩呈平緩上升趨勢且幅度不大，主偏角增大，切削量增大，導(dǎo)致整體受力加大所致?？紤]中心齒切削量大，主偏角可取較大值18°～20°范圍內(nèi)。

3）中間刀片。

不同角度中間刀片切削力與扭矩的仿真結(jié)果如圖12所示。中間刀片的切削狀態(tài)處于兩者之間，和周邊刀片情況相似。切削力隨前角增大而減小，對比理論取值范圍，取5°即可。不同后角角度下的切削力和扭矩數(shù)據(jù)曲線如圖12（b）所示，后角較大時明顯有利于切削，可取15°以上。切削力隨主偏角的增大而減小，扭矩隨之而增加，主偏角取18°時切削力與扭矩處于較理想狀態(tài)。

通過以上仿真結(jié)果，得到3個刀齒角度的優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。

4 結(jié) 論

1）分析了BTA深孔鉆的工作原理，給出了BTA深孔鉆刀體、鉆柄、導(dǎo)向塊和斷屑臺的關(guān)鍵參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立了BTA深孔鉆的三維模型。

2）對BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得了切削過程中位移變形規(guī)律；對優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到鉆頭的前六階振型圖及其對應(yīng)的頻率值，得出所設(shè)計的鉆頭結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的概率很小的結(jié)論，且其振動形式主要是軸向振動，而變形主要包括彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

3）應(yīng)用Third wave AdvantEdge軟件模擬了BTA深孔鉆鉆削過程，分析了切屑形成及鉆削力與扭矩的變化規(guī)律。采用不同角度的刀片模擬鉆削過程，得到了刀具角度對鉆削力與扭矩的影響規(guī)律，周邊刀片的前角、中心刀片的內(nèi)刃偏角對切削過程影響最大，最后給出了各刀齒的前角、后角和主偏角的取值。

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（編輯：關(guān) 毅）