BTA單齒深孔鉆具模態分析

山西中北大學機械與動力工程學院 曹衛衛 沈興全 倪雪婷 張繼明

1 引言

BTA深孔鉆是一種用于高縱橫比的孔加工鉆具，在加工過程中會發生顫振，這樣會減少孔的圓度和精密度，因此，降低了加工材料的質量。所以在加工過程中會在鉆桿外設置一種減振器來抑制鉆桿的振動，但振動的抑制是很難的[1]。

國內外研究機構對深孔刀具力學性能方面進行了很多研究。王清明提出了利用多個特征參數綜合監測鉆削過程，通過多次實驗觀察刀齒情況，并觀察刀具在破損等異常情況下，各特征參數的變化規律[2]。

本文通過UG軟件建立BTA單齒深孔鉆具的三維模型，利用ANSYS對鉆頭進行模態仿真。通過仿真分析掌握單齒BTA鉆頭的固有頻率和振型的變化規律，同時去探索研究降低振幅的有效措施，以此來提高深孔加工過程中的穩定性和刀具壽命。

2 單齒BTA深孔鉆設備概要

圖1 BTA 單齒深孔鉆具

圖1 顯示了一個典型的單齒BTA加工頭。單齒BTA鉆具是一個中空的圓柱體，圓柱體連接著一個切削刃和兩個導向塊。導向條與鉆具通過孔孔相連接。BTA深孔鉆具通過方牙螺紋與一個長的空心鉆桿相連接，切削油有著潤滑和冷卻的作用，具有一定壓力的切削油流經輸油器，通過鉆桿外的間隙到達切削刃的部位，并將切削刃處具有一定熱量的切屑送至切屑口，切屑再通過中空的鉆桿排出到積屑盤[3]。

3 BTA鉆模態分析

在模態分析中，依據刀具在不同頻率的外載荷下得到BTA鉆的變形圖和振型圖，得到其固有頻率，依據其固有頻率提出BTA刀具結構減振方法，以提高刀具加工精度。

圖1是通過對φ30.05的BTA鉆具的尺寸測量后利用UGNX8.0設計所得。對BTA鉆進行ANSYS仿真，將BTA刀具簡化為一個整體，材料選用45鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.27，Fx＝1050N，Fy＝5050N。

模態計算結果：由于刀具本身的固有頻率較小，所以高階的頻率對鉆頭不會產生較大的影響。取BTA鉆的十階振型進行分析。前四階變形過小，所以圖2所示為其五階到十階振動頻率及其變形振型圖。

圖2 BTA 鉆的五階至十階變形振型圖

圖3 BTA 鉆的十階振動頻率

模態計算結果：通過其十階變形云圖看出，刀具的主要失效形式是扭轉和彎曲；從圖3可以讀出十階振動頻率在3027.6~25224Hz之間，與相對應的十階變形振型圖比較可知：頻率對振幅影響很大。若要BTA鉆進行結構優化處理，就要采用減小刀具的固有頻率或在刀具上增加防震條等方法來減小振動，這樣就可以更好地保證深孔鉆的質量，也保證了BTA鉆頭的壽命。

4 結束語

本文對單齒BTA鉆具進行了三維實體建模，利用ANSYS軟件對其實體模型進行了模態分析。模態分析是為避免顫振對刀具的影響而進行的分析，通過模態分析得出實體模型五到十階變形振型云圖，發現頻率對振幅的影響巨大，提出減小BTA鉆固有頻率、增加防震條等方法來減小震動對刀具的影響，為提高BTA鉆的壽命提出了有效的措施。

[1]王竣.現代深孔加工技術[M].哈爾濱工業出版社.2005.

[2]王清明,董申,李小但.鉆削狀態在線監測技術的理論與應用研究[J].哈爾濱工業大學學報,2008,32(6)：76-79.

[3]尤海燕,楊樹財等.BTA 深孔鉆設

計技術[J].機械設計與研究,2014.