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1、有限元麻花鉆鉆孔分析【摘要】: 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,CAD/CAM/CAE技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,從根本上改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟和分析方法。有限單元法和大量商業(yè)有限元軟件的出現(xiàn)也為刀具機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了前所未有的新模式。以前需要切削大量金屬的切削實(shí)驗(yàn)如今已經(jīng)可以通過(guò)軟件在計(jì)算機(jī)上得到仿真,對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有重要的指導(dǎo)意義。 對(duì)有限單元法的理論基礎(chǔ)和本文所使用的軟件進(jìn)行了介紹。重點(diǎn)內(nèi)容放在了運(yùn)用有限元軟件(ANSYS)和三維造型軟件(Pro/Engineer)進(jìn)行建模和分析的方法介紹上。選取了具有代表性的某標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆作為實(shí)體建模對(duì)象,給出該模型在建立過(guò)程中的一些簡(jiǎn)化方案,并對(duì)前人的模型

2、進(jìn)行一些修正和總結(jié)。 前言 在金屬零件的各種加工方法中,精度和表面質(zhì)量要求較高的零件幾乎都要進(jìn)行鉆削加工。鉆削時(shí),工件的表面不可避免地產(chǎn)生大小不同的殘余應(yīng)力, 這種分布不均勻的殘余應(yīng)力會(huì)使工件發(fā)生變形,影響工件的形狀和尺寸精度。本課題擬采用有限元方法建立起二維金屬鉆削仿真模型,對(duì)整個(gè)加工過(guò)程中工件的受力情況及加工后已加工表面的殘余應(yīng)力的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬,這對(duì)工程中的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。主要研究?jī)?nèi)容有:(1)二維金屬鉆削有限元模型的建立;(2)加工過(guò)程中工件受力情況的有限元分析;(3)已加工表面殘余應(yīng)力分布情況的有限元分析。 麻花鉆的結(jié)構(gòu)麻花鉆是一種形狀較復(fù)雜的雙刃鉆孔或擴(kuò)孔的標(biāo)準(zhǔn)刀具。

3、 一般用于孔的粗加工(IT11以下精度及表面粗糙度Ra256.3um),也可用于加工攻絲、鉸孔、拉孔、鏜孔、磨孔的預(yù)制孔。 一麻花鉆的構(gòu)造,一般由三部分組成:裝夾部分:是鉆頭的尾部,用于與機(jī)床聯(lián)接,并傳遞扭矩和軸向力。按麻花鉆直徑的大小,分為直柄(直徑12mm)兩種。頸部:是工作部分和尾部間的過(guò)渡部分,供磨削時(shí)砂輪退刀和打印標(biāo)記用。直柄鉆頭沒(méi)有頸部。二鉆頭的工作部分工作部分:是鉆頭的主要部分,前端為切削部分,承擔(dān)主要的切削工作;后端為導(dǎo)向部分,起引導(dǎo)鉆頭的作用,也是切削部分的后備部分。有兩條對(duì)稱的螺旋槽,是容屑和排屑的通道 導(dǎo)向部分磨有兩條棱邊,為了減少與加工孔壁的摩擦,棱邊直徑磨有(0.03

4、0.12)100的倒錐量(即直徑由切削部分頂端向尾部逐漸減小),從而形成了副偏角r。麻花鉆的主要幾何參數(shù)基面 通過(guò)該點(diǎn)又包括鉆頭軸線的平面。由于切削刃上各點(diǎn)的切削速度方向不同,故基面也就不同。切削平面 切削刃上任意一點(diǎn)的切削平面是包含該點(diǎn)切削速度方向,而又切于該點(diǎn)加工表面的平面。切削刃上各點(diǎn)的切削平面與基面在空間互相垂直,且位置是變化的。1.螺旋角:鉆頭螺旋槽最外緣處螺旋線的切線與鉆頭軸線間的夾角。頂角 :兩主切削刃在與其平行的軸向平面上投影之間的夾角,頂角是鉆頭在刃磨測(cè)量時(shí)的幾何角度。標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的2 =118,此時(shí)的主切削刃是直線。主偏角:主偏角與頂角不同,它是主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方

5、向的夾角。由于主切削刃各點(diǎn)基面位置不同,故主切削刃各點(diǎn)的主偏角是變化的。 前角:在正交平面內(nèi)測(cè)量的前刀面與基面間的夾角。由于鉆頭的前刀面是螺旋面,且各點(diǎn)處的基面和正交平面位置亦不相同,故主切削刃上各處的前角也是不相同的,由外緣向中心逐漸減小。后角:在假定工作平面(即以鉆頭軸線為軸心的圓柱面的切平面)內(nèi)測(cè)量的切削平面與主后刀面之間的夾角。麻花鉆頭的受力分析鉆頭建立模型利用proe.軟件建立如圖的鉆頭模型。且此模型是經(jīng)過(guò)了一定的簡(jiǎn)化處理的。鉆頭直徑30mm,全長(zhǎng)260mm頂角120。2.導(dǎo)入模型到ANSYS軟件中如下圖是導(dǎo)入的模型。所建立的是一個(gè)麻花鉆鉆頭。鉆頭結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,沒(méi)有需要在ANSYS軟

6、件中補(bǔ)畫的部分,所以可以直接使用此模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格和加載分析等操作。材料的分配材料選用合金鋼。查資料知其彈性模量E和泊松比。將數(shù)據(jù)輸入軟件中如圖然后確定材料類型。4.劃分網(wǎng)格由于鉆頭曲線復(fù)雜。不易劃分為均勻單元格類型。因此選用只能劃分網(wǎng)格的模式。最小單元格為6. 這樣可以減小計(jì)算量,但是同時(shí)降低了一定的精確度。6加載載荷固定鉆頭底部平面。對(duì)鉆頭頂部的面施加壓強(qiáng),模擬橫刃上的受力。大小為1000MPa。7.計(jì)算分析選擇ANSYS菜單里SolutionSolveCurrent LS計(jì)算結(jié)果如圖8.結(jié)果分析如結(jié)果所示。紅色和黃色區(qū)域?yàn)槭芰Υ蟮膮^(qū)域??梢?jiàn)鉆頭在工作過(guò)程中中心部分所受的合力大于外側(cè)。且自

7、頂部受力往下依次遞減。其中,最大受力為:5616MPa最小受力為:105.665MPa綜上所分析,在鉆頭的工作過(guò)程中需要心部有足夠的強(qiáng)度和剛度。以承受壓力保持工作的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn):1 于鳳云,馬光鋒,孫明. HYPERLINK /Article/CJFDTOTAL-FXKY200006031.htm%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09%09 t _blank EH360高強(qiáng)度鋼的鉆削加工性J,遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000.2 王國(guó)成. HYPERLINK /Article/CJFDTOTAL-KSJX200502060.htm%09%09%

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