深孔钻头的受力及其数值模拟分析.doc

深孔钻头的受力及其数值模拟分析2011年第45卷No7深孔钻头的受力及其数值模拟分析29王玲君,李桂华,关世玺中北大学;内蒙古一机集团工艺研究所摘要:利用CAD/CAE集成的方法完成了深孔钻头的CAD建模及其数值模拟分析.分析结果表明,应用ANSYS可精确地掌握深孔钻头上各节点的受力情况,确定深孔钻头内部应力应变的分布规律,从而为改进深孑L钻头受力状况和结构设计提供理论依据.关键词:深孑L钻头;三维参数建模;数值模拟;应力中图分类号:TG713;TG52文献标志码:AF.niteElementAnalysisandForceofDeepH0leDrillBasedonANSYSWangLingjun,LiGuihua,GuanShixiAbstract:ThemethodofCAD/CAEisemployedtoaccomplishCADmodelingandfinitedementanalysisofdeepholedril1.TheanalysisresultshowsthatthestressOilnodesandthedistributionofstressandstraininthetoolcarlbeaccuratelydeterminedbyusingANSYS.Thetheoreticbasisforimprovingtheslressandstructuredesignofcuttingtoolsisprovidedbytheanalysismethod.Keywords:deepholedrill;3Dparameterizedmodeling;numericalsimulation;force1引言深孔加工是机械加工中难度大,技术含量高,专业性强,加工成本高的一种加工技术.在机床一夹具一刀具一工件构成的加工系统中,合理选用深孔加工钻头十分重要.钻头的整体结构,切削刃材料与几何形状都会直接影响深孑L钻头的使用寿命,工件的加工质量和切削生产效率.因此,在切削过程中,钻头应具有较高的强度,良好的韧性,较长的寿命以及良好的工艺性.本文以Pm/E为平台,以错齿BTA钻为例,建立了钻头的三维参数化模型,经过模型简化以及对有限元的前处理,把所建立的三维CAD模型转化为有限元模型,并利用ANSYS对其进行有限元分析.对钻头强度进行理论分析,了解钻头内部的应力应变状态,不仅有利于在加工过程中合理选择刀具,而且可为进一步改善刀具内部受力状态,提高刀具使用寿命提供理论依据.2深孑L钻头的力学模型为了对深孔钻头更好地进行理论分析,必须从受力分析人手.深孔钻头在切削过程中受力很复杂,特别是错齿BTA钻.建立力学模型时,需要对受力状态进行简化.如:(1)钻杆自重和冷却液压力对钻头的受力状态影响较小,可以忽略不计;(2)钻杆,切屑,冷却液各部分的重力和导套,中心架支撑收稿日期:2011年3月处的反力,摩擦力均很小,一般忽略不计;(3)由于钻头的轴向尺寸相对于钻杆来说很小,故认为除了走刀抗力和导向块上轴向摩擦力外,各力均作用在一个平面内;(4)各切削力分量和导向块上的摩擦力,正压力等均由分布力简化为集中力.错齿BTA钻受力分析如图1所示,其中用到的主要推导公式有Px=PRAPRB+(PH(=cosRPMcsin臼R)一PRD=PMAPMB+(PRcsin0+PMcCOS0R)一PMDPeAPTAtanOA;P衄=PTAtan0B;PRCPTctanOc;PRD=P)tan0DPTA=(Tc/R);P皿=b(Tc/n);PTC=c(Tc/R);PTD=(Tc/R)PMa=2a(Mc)/n;PMB=2b(Mc)/n;PMC=2c(Mc)/n;PMD=2d(Mc)/n/)/图1错齿BTA钻受力分析示意图3深孔钻头数值模拟分析对深孔钻头进行有限元分析,建立其有限元模型如图2所示.以Pr0,E为平台厂有限元前处厂一数学模型卜有限元模型深孔钻头的有限元模型建立过程3.1建立三维参数化模型由于钻头切削部分结构比较复杂,建模时既要保证这些结构的正确性,实现各部分的参数驱动,又要保证设计及后续有限元分析的连续性和继承性.基于上述设计思路,在Pro/E平台上,经过多次旋转,拉伸等操作形成CAD模型.为保证分析结果的正确性,本文基本没做简化处理,直接作为物理模型导入到ANSYS中.3.2划分网格建立Pro/E与ANSYS的无缝连接后,可将Pro/E中所建立的CAD模型简化成物理模型并导人到ANSYS中,通过对材料特性,截面工况,受力情况的设定,从物理模型抽象出数学模型,通过偏微分方程来描述物理模型,为网格划分及建立有限元模型奠定基础.设定钻头的材料是线性且各向同性的高速钢,材料弹性模量2.1E11,泊松比0.3,密度7.86E一6k眦n3.图3深孑L钻头的网格划分图由于钻头模型是外部CAD软件导入到ANSYS中进行分析的,因此,为了提高计算收敛的速度,选择l0节点的Solid87单元(见图3,单元划分较密是为了更清楚地显示应力集中区),并做如下假设:(1)将刀体和刀片材料视为一体,便于模拟加载分析和计算;(2)计算中假定材料为线弹性,即不发生屈服;工具技术(3)刀具在切削过程中会受到一定的冲击和振动,考虑到这种冲击和振动的有限性,为简化计算,视刀具在切削过程中某时刻为静应力分布;(4)在切削过程中,刀具因剧烈摩擦会产生高温,但为便于计算,暂不考虑温度场影响.图4深孑L钻头的约束载荷图3.3施加约束载荷由于切削力的影响因素较多,计算较复杂,为保证分析结果的准确性并考虑到钻头实际工况,按经验公式分别计算出各个切削力的经验值,再按照实际受力情况对钻头施加约束载荷.各个切削力的经验值分别为PTA=494;PTB=617.5;PTC=741;Pm=617.5PMA=0.46;PMB=0.575;PMc=0.69;PMD=0.575PRA=160.51;pRH=142.56;瞄:171.07;PRo=142.56=45.995;Pv=11.932;pG1=10.636;pc2=45.39Tc=2470;M.=21.85;MB=345.85;R=19其简化的约束载荷图如图4所示.3.4结果分析经过以上的前处理程序以后,最终把钻头的物理模型转换为有限元模型.经过检验确认信息无误进入求解器进行求解,利用ANSYS计算生成的结果文件进行后处理,这里采用通用后处理器查看结果数据.通过ANSYS的静载荷计算,可得到钻头内部应力分布图(见图5)和结构变形图(见图6).图5深孔钻头的内部应力分布图由模态分析的结果可以看出,其振动形式主要为轴向颤动,最大的振动变形发生在钻头的切削刃部分,因此在设计时要注意缩短导向部分的长度或加大钻头硬度进而减少钻头的振动变形,提高钻头的耐用度.2011年第45卷No7图6深子L钻头的结构变形图从图5和图6中可以看出,三个钻齿所受应力较大.由静态的结构分析可以看出,钻头最大的结构变形出现在中间齿的最外端,因此在设计过程中可以采用改变中间齿的形状或在钻头的表面进行氮化,涂层等强化处理,以提高钻头的强度和耐磨性,也为后续使用中对钻头进行修磨处理,改进钻头切削刃部分的结构提供可靠的参考依据,达到提高产品使用性能和耐用度的目的.4结语应用ANSYS对深孔钻头的强度进行数值模拟分析,可精确地掌握钻头上各点的受力情况,了解钻31头内部应力应变的分布规律,获得应力应变分布图并方便地找出危险点.该方法为改进深孔钻头受力情况,合理设计钻头结构及对钻头进行失效分析提供了理论依据,为深孔钻头强度和寿命的分析计算提供了一种新方法.参考文献1王峻.现代深孑L加工技术M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005.2王庆五,胡仁喜,等.ANSYS11.0机械设计高级应用实例(第2版)M.北京:机械工业出版社,2006.3王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS中的应用M.西安:西北工业大学出版社,1999.4雪松,朱金波,岳贵友.P/Engineer中文版机械设计实战训练M.北京:人民邮电出版社,2004.5张秋芬.深孔加工的振动钻削与断屑J.制造技术,2OO4(3):2429.第一作者:王玲君,硕士研究生,中北大学机电工程学院,030051太原市FirstAuthor:WangLin西tin,Postgraduate,MechanicalandElectricalEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China国机集团首次进入世界500强新一轮世界500强企业刚刚诞生,国机集团榜上有名,荣列第434位.这是国机集团首次入选该榜单,同时也成为除汽车行业外首家人选世界500强的中国机械工业企业.这不仅是十万国机人的荣耀和骄傲,也是中国机械工业发展史上的盛事.7月7日,财富杂志面向全球同步发布了2011年世界500强企业名单,国机集团凭借2010年224.87亿美元(1522.2亿元人民币)的销售收入,成功跻身世界500企业行列.据财富中文网显示,沃尔玛再次成为财富世界500强排行榜的榜首.同时在今年的榜单中,中国公司也格外抢眼,中国大陆(不包括台湾)共有61家公司进入财富世界500强排行榜,比上一年增加了15家公司,这是中国上榜公司数量连续第8年上升.如果计人台湾地区的上榜企业,中国的上榜公司数量将达到69家,已经超过日本,仅次于美国(133家).在新上榜的15家公司中,包括国机集团在内的13家公司都是首次上榜.今年,入围财富世界500强的门槛为营业收入约195亿美元,比上年的约171亿美元提高了24亿美元.本次中国大陆的上榜公司共分布在22个行业,其中上榜公司最多的行业是金属产品,共有8家公司上榜.而作为除汽车行业外的唯一一家中国机械工业企业,国机集团的人选显得难能可贵.在充分竞争的机械行业,国机集团并不具备特殊的资源和政策优势,但是,国机集团靠自己的实干实现了进入世界500强的梦想.机械工业是国民经济的基础性产业,被誉为现代工业的”母机”.虽然经过多年努力,我国机械工业实现了经济效益和规模的快速增长,但整个机械工业”大而不强”的整体局面并没有根本改观,在机械工业众多产业领域中,此前还没有进入财富世界500强的非汽车制造类企业.此次国机集团进入世界500强行列,也可以说是中国机械工业近年来转变经济发展方式,推动产业转型升级的可喜成果.近年来,国机集团通过做强主业,完善产业链条,加强科技创新,促进内外部资源整合等一系列卓有成效的举措,实现了跨越式发展.”十一五”期间,国机集团实现了营业收入,进出口总额,资产总额分别增长340%,132%和282%,利润总额增长574%的喜人跨越.今年15月,国机集团继续以营业收入和利润同比近4成的增幅,保持着强劲的发展势头.进入世界500强,是对国机集团此前锐意进取所获得成绩的肯定,同时,也是国机集团振翅高飞的一个新的起点.不可否认,当前中国机械行业与国际先进水平还有很大差距,中国的机械工业需要一批有较强影响力和带动力的重要骨干企业来承担行业使命,参与国际竞争.随着规模的扩大和实力的增强,国机集团在引领行业发展,承担行业发展责任方面的能力将进一步增强.面对未来日益激烈的全球化竞争,肩负着振兴中国装备制造业使命的国机集团,将通过继续实施转型升级,持续