微鉆頭有限元分析與結構優化

引言：應用有限元分析軟件（ANSYS/LS-DYNA3D）對建立的微孔鉆頭模型進行了有限元分析，觀察鉆頭的受力及變形過程。通過對微鉆頭強度、剛度分析及結構參數優化，得出了微鉆頭幾何結構參數對鉆削過程的影響。為進一步改善刀具內部受力狀態，提高刀具使用壽命提供理論依據。

隨著高新科技及其產品的發展，微小孔鉆削加工技術在工業制造領域，特別是在精密制造業及電子產品工業中占據著越來越重要的地位。

微鉆頭的剛度和切削部分的強度顯著地影響到鉆頭的耐用度和切削性能。但由于微鉆頭是復雜的雙槽螺旋體，力學特性復雜，理論分析較困難，故更應重視把理論分析與試驗研究結合起來，使之不斷完善及精確化。通過對刀具強度、剛度的理論分析，了解微鉆頭內部的應力應變狀態，不僅可優化刀具結構，而且還可進一步為改善刀具內部受力狀態，提高刀具使用壽命提供理論依據。

一、有限元和ANSYS

有限元法是用有限個單元將連續體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法。

ANSYS目前是世界計算機輔助工程（CAE）行業中最強大的軟件。它將有限元分析、計算機圖形學和優化技術相結合，是解決現代工程學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力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、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，在工程應用如汽車安全性設計、武器系統設計、金屬成型、跌落仿真等領域被廣泛認可為最佳的分析軟件包。

利用ANSYS/ LS—DYNA進行有限元結構分析時，通過對所施加的載荷進行數值模擬，觀察分析應力應變集中區，再通過改變微鉆頭的幾何結構參數，分別進行觀察對比，從而達到強度分析和優化設計的目的。

二、微鉆頭實體模型的建立

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

為增強微小鉆頭的剛性，防止切削部分擺動，且便于制造和裝夾，所以把鉆頭設計為階梯型，基本幾何參數如圖1所示：分別改變鉆頭的各種參數（如螺旋角，鉆芯厚度，螺旋槽長度等），建立鉆頭的三維實體模型，再分別進行有限元分析，并觀察結果，可以明顯看見微鉆頭在鉆削過程中受軸向壓力變短變粗，同時螺旋槽受壓變形導致螺旋角增大，而橫刃處的應力較大，且鉆尖刀刃外緣轉點和尾根轉點有應力集中的現象，但最大應力都遠小于鉆頭材料的屈服強度。

最終通過對比觀察，可得出以下結論：

（1）必須合理選擇鉆芯厚度t0。因為適當增大鉆芯厚度可增強鉆頭剛度，但如鉆芯厚度過大，則橫刃變寬，使鉆尖在工件表面滑移，造成定位不準確，可能導致鉆頭折斷；同時鉆芯厚度過大則螺旋槽過淺，將導致容屑能力變差，切屑易堵塞且排屑困難，從而影響鉆削孔的表面質量；又由于切削液難以流入切削區，使冷卻潤滑效果極差，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，而對與硬質合金鉆頭一般選0.25—0.35為最優。

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

（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，降低軸向力和轉矩，有利于排屑，但螺旋角過大，將降低切削刃的強度，使散熱條件變差，容易崩刀，同時增大了排屑路程和排屑阻力。一般螺旋角選擇20°—30°時的綜合性能較好。

四、結束語

本設計是利用ANSYS對微鉆頭進行結構分析，從獲取的應力分布云圖可知，當微鉆頭有關參數發生變化時，會對鉆頭的強度、剛度和排屑產生影響；同時從應力應變分布圖上可了解微鉆頭內部應力應變的分布規律，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點。通過人機對話方式可尋找到適于具體加工對象和切削條件的最優鉆頭結構，使得鉆削時的應力應變極值最小且能按最合理的形式分布，以保證鉆頭強度、剛度最大且排屑最好，使微鉆頭的切削效果達到最佳工作狀態。這對于設計和使用微鉆頭都具有重要的指導意義。

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（作者單位：1.湖北工業大學；2.武漢重型機床集團）