槍鑽低頻軸向振動鑽孔的有限（xiàn）元分析-數控機床市場網

您現在的位置：鑽床網> 技術前沿> 槍鑽低頻軸向振動鑽孔的有限元分析

槍鑽低頻軸向振動鑽孔的有限元（yuán）分析

2018-5-15 來源：轉載作者：房嘉賡，苗鴻賓（bīn），沈（shěn）興全（quán）

摘要: 為了（le）使槍鑽在加工過程中減小鑽（zuàn）削力（lì），運用有限元分析軟件 Deform-3D 動態模擬出槍鑽鑽頭低頻軸向振動鑽削過程。根據槍鑽鑽頭軸向振動鑽削的斷屑經驗公式確定切削參（cān）數; 建立了加（jiā）工過程的有限元模型，並動態模擬了軸向振動鑽削加工過程和普通加工過程，結合（hé）這兩種加工過程中刀具所受的軸向力和扭矩變化（huà）情況進行了分析; 最後將兩種加工情況進行對比。結果（guǒ）表明: 振動鑽削能夠顯著地降低鑽削中產生的軸向力和扭矩，減小鑽頭（tóu）的磨（mó）損，延長鑽頭的壽命。

關鍵（jiàn）詞: 振動鑽削; 有限元; 軸向力; 扭矩

0 、前言

鑽削力是金屬鑽削加工過程中一個重（chóng）要的物理（lǐ）現象，它的大小直接影響著鑽頭的壽命（mìng）和磨損情況，同時也與鑽削熱（rè）產生的多少密切相關。而（ér）深孔鑽削加工是金屬鑽削領域裏最重要也是（shì）應（yīng）用最廣泛的一項關鍵技術（shù），由於深孔鑽削是在一個（gè）封閉的（de）環境（jìng）內完（wán）成的（de），加工條件受被加（jiā）工孔徑、孔深的限製，加工時所用（yòng）的刀具剛度小，加工過程中產生的鑽削（xuē）力又很大，尤其是鑽削力中（zhōng）的軸向力和扭矩會嚴重磨損刀具，降低刀具（jù）的使用壽命。在（zài）保證加工質量的前（qián）提（tí）下，盡量減小鑽削軸向力與扭矩是專家和學者最為關注的焦點，王慧東對高錳鋼鑽削加工進行仿真與實驗（yàn）研究;張秋麗利用 Matlab 分析（xī）了槍鑽鑽削力的數（shù）學模型，分析了鑽削參數對鑽削力的關係曲線; 閆鵬飛應用有限元軟件建（jiàn）立了普通麻花鑽（zuàn）的加工仿真模型，研究了切削用量對軸向力與扭矩的影響; 上述的研（yán）究成果隻分析了切削參數對軸向力和扭（niǔ）矩的影響，除（chú）了（le）考慮切削加（jiā）工參數（shù）的（de）影響因（yīn）素外，在切削方法上（shàng）的探索也很重要，目（mù）前國內外都在重點研究一種更合理、更新穎的孔加（jiā）工方法，就是振動鑽削。振動鑽削是日本學者隈（wēi）部淳一（yī）郎（láng）首先提出的，隨後美國學者 W HAN-SEN 又對低頻振動鑽削進行（háng）了研究，提出了低頻振動鑽削的概念和方（fāng）法（fǎ）。迄今為（wéi）止，受實驗設備等客觀條件的限（xiàn）製，振動鑽削的實驗不可能任意改變參數（shù）值，所以運用計算機軟件進行仿真分（fèn）析是（shì）必不可少的，國內學者李德軍，王磊，馬利傑等基於有限元法對振（zhèn）動鑽削的分析都是針對麻花鑽鑽頭，有關深孔刀具的槍鑽鑽頭振動鑽削的有限元分析尚（shàng）待進一步深入。因此，本文作者建立了槍鑽鑽頭的三維模型，通過有限元分析（xī）軟件 Deform-3D，采用振動鑽削中工藝效果明（míng）顯、易於實現的軸（zhóu）向振動，以 45 號鋼材（cái）料為（wéi）加工對象，對槍鑽鑽頭（tóu）軸向振動鑽削過程（chéng）進行（háng）動態模擬仿真並且分析加工中產生的鑽削軸向（xiàng）力（lì）及扭（niǔ）矩，再與相同鑽削參數（shù）情（qíng）況下的普通鑽削形成對比，揭示出振動（dòng）鑽削在深孔加工中的優勢。

1、軸向振動鑽削特性分析

振動（dòng）鑽削（xuē）是振動切削（xuē）技（jì）術的一個分支，是（shì）建立在振動理論（lùn）和（hé）切（qiē）削理論基礎上的（de）一種（zhǒng）新（xīn）穎的特殊加工方法，與普通鑽削的最根（gēn）本區別是在鑽削的過程中通過振動（dòng）裝置，使鑽頭和工件之間產生周期性的接觸和分離，從而改（gǎi）變（biàn）鑽削規律。按頻率（lǜ）上分（fèn）為（wéi）低頻振動鑽削、中頻振動鑽（zuàn）削和高頻振動鑽削（xuē），按振動方式分為軸向振動、扭轉振（zhèn）動和（hé）複合振動鑽削（xuē）。

1. 1 建立槍鑽鑽頭軸向振動鑽削的運動方（fāng）程

文中采用的振動頻率（lǜ）為（wéi） 40 Hz，屬於低頻振動鑽削，振動方式（shì）為軸向方向的振動（dòng）。圖 1 所示為鑽頭作軸（zhóu）向振動及進給運動，工件作回轉運動的（de）情形，鑽削深孔時，在鑽杆後端附加一軸向（xiàng）振動裝置，此時常用機械式激振方式實現低（dī）頻振動（dòng），可（kě）以方便地使鑽（zuàn）頭實現軸向振動。

圖1 軸向振動鑽削示意圖（tú）

根據圖 1 和軸（zhóu）向振動鑽削機製建立軸向振動鑽削數學（xué）模（mó）型，則振動（dòng）鑽削時刀刃上任一點在軸線（xiàn）方向的位移表（biǎo）達式 ( 設（shè）鑽頭向下進給方向為正) 為

將式（shì）(1)對t進（jìn）行求一階導數，得到刀刃上任一點在軸線方向上（shàng）的速度，即進給速度表達式為:

上述兩（liǎng）式的第二項即是軸向（xiàng）振動運動方程，由軸向振動係（xì）統實（shí）現。

1. 2 振動（dòng）參數與鑽削參數的確定

為了形成有利於排屑的短切屑，實現鑽削過程中的可靠斷屑，根據槍鑽的低頻（pín）振動斷屑機製，振動參數和鑽削參數應滿足下式:

2 、建立槍鑽鑽頭振動鑽削的有限元模（mó）型

2. 1 槍鑽鑽頭及被加（jiā）工工件三維模型（xíng）的建立

因為 Deform-3D 軟（ruǎn）件（jiàn）的建模功能很簡單，不具備複雜幾何建模功能（néng），所（suǒ）以槍鑽鑽頭（tóu）的模型需要通過CAD 軟件 PRO / E 進行幾何建（jiàn）模，表1列出了工件和槍鑽鑽頭的主要參數，利用這些參（cān）數進行刀具和工件的三維建模（mó），將建立好的鑽頭模型文件類型保（bǎo）存為(. STL 格式，然後導入到 Deform-3D 軟件中。

表 1 工件（jiàn）和（hé）刀具的（de）特性

2. 2 前處理及邊界條件的設置

首先在 Simulation 中設置時間步數為 1 000，每10 步（bù）一保存（cún），選擇 With Time Increment 設定值為0. 001 s。Mesh Windows 網格（gé）劃分中設（shè）置工件網格單元數為（wéi） 30 000，然後在鑽削部分再進行單元局（jú）部細化（huà），在 Boundary Conditions 裏設置邊界條件，選（xuǎn）擇Velocity 將（jiāng）工件的 x、y、z 軸方（fāng）向速度固定，鑽頭的振動進給速度導入到（dào） Movement 中的 Speed value，形成的進給速度曲線如圖2所示，呈（chéng）餘弦曲線狀，並在Rotation 定義角速（sù）度為 33. 3 r / s。最後在 Inter-Object物體關係設定中定義摩擦類型和（hé）摩擦因子。所有設置完成後點擊Check，檢查沒（méi）有設（shè）置錯誤或者遺漏，點擊Generate 生成 DB 文件，進行保存，最終模型如圖3 所示。對於普通鑽削過程的模擬設（shè）置，隻將鑽頭 Speed value 中的振動進給速（sù）度去（qù）掉，改為恒定不變的（de）進給速度 0. 667 mm/s，其他設置與前麵振動鑽削的過程保持一致。退出前處理過（guò）程，點擊 Run 進行（háng）鑽削模擬計算。

圖 2 槍鑽軸向振動進（jìn）給速度曲線

圖 3 前處理後的槍（qiāng）鑽鑽削有限元模型

3 、模（mó）擬仿真的結果分（fèn）析

模擬（nǐ）時間會很長，待模擬完畢後，點擊 Post Pro-cessor 中（zhōng）的（de） Deform-3D Post，即可打開後處理界麵，任意時間步的鑽削情況都可以很直觀地看到，圖4就是第 800 步的鑽削情況。

圖 4 槍鑽軸向振動鑽削第 800 步

3. 1 扭矩分（fèn）析

後處理（lǐ）中選擇 Graph 選（xuǎn）項，即可得到諸如應力、鑽頭所受的 X，Y，Z 方向的軸（zhóu）向力以及扭（niǔ）矩等數據的變化曲線，圖5和圖6分（fèn）別（bié）是槍鑽鑽頭在（zài）軸（zhóu）向（xiàng）振動鑽削（xuē）和普（pǔ）通鑽削加工（gōng）中扭矩隨時間的變化曲線。從圖中可以看出隨著鑽削深度的增加，兩種（zhǒng）情況下扭矩值呈上（shàng）升（shēng）趨勢，但（dàn）通過觀察，當槍鑽鑽削時間前 0. 9 s時，普通鑽削情況的最（zuì）大扭矩值達到了14 000N·mm左右，而（ér）振動鑽削最大扭矩值是 10 000N·mm左右，相同時間內，普通鑽削扭矩上（shàng）升幅度要（yào）更大，明顯的比較（jiào）出，在其他加工（gōng）條件（jiàn）相同的情況下，軸向振動（dòng）鑽（zuàn）削要比普通鑽削時鑽頭所（suǒ）受的扭矩要小。

圖（tú） 5 軸向振動鑽削（xuē）實（shí）時扭矩圖

圖 6 普通鑽（zuàn）削實時扭矩（jǔ）圖

3. 2 軸（zhóu）向力分析

圖7和圖8分別是兩種情（qíng）況下（xià）的實時軸向（xiàng）力圖，兩（liǎng）幅（fú）曲線圖顯示，當鑽頭（tóu）與加工工件接觸後，軸向力都隨之增（zēng）大，但在槍（qiāng）鑽鑽削前0. 9 s 時（shí）間內，普通鑽削（xuē）產生的軸向力最大達到400 N，平均軸向力在（zài）180 ～ 200 N 之間，文中（zhōng）取 190 N，而振動鑽削情況下（xià）最大軸向力是 250 N，平均（jun1）軸（zhóu）向力在 90 ～ 110 N 之間，文中取 100 N。振動鑽削最大軸向力下降了 37. 5% ，平均軸（zhóu）向力下降了約 47. 4% ，經過觀察和計算（suàn）發現振動（dòng）鑽削情況下的軸向力會大幅度減小。

圖7 軸向振動鑽（zuàn）削實時軸向力圖

圖8 普通鑽削（xuē）實時軸向力圖

4 、結束語

基於有限元的離散思想（xiǎng），運（yùn）用有限元動態模擬軟件 Deform-3D，將振（zhèn）動切削理論與深孔加工刀具槍鑽相結合，建立了槍鑽振動鑽削（xuē）過程和普通鑽削（xuē）過程的（de）有限元模型，通過對槍鑽在兩種不同加工（gōng）情況下的（de）鑽削模擬仿真，獲得了兩種情況下（xià）產生的軸向力與扭矩，對比得出結論，在深孔加工中，槍（qiāng）鑽（zuàn）的低頻軸向振動（dòng）鑽削可（kě）以有效地降低鑽削過程中所產生的鑽削扭矩及軸向力，能夠更好地減小鑽頭的磨損，減（jiǎn）緩刀具的（de）變形，延長槍鑽的使用壽命，所以振動鑽（zuàn）削是鑽削深孔加工的一種重要且有效的加工方法，並且運用有（yǒu）限元分析的結果，可以為以（yǐ）後研（yán）究槍鑽軸（zhóu）向（xiàng）振動鑽削力的經驗公式得到理論基礎。

來源（yuán）：中北大學機械與動力工程學院．山西省深（shēn）孔加工（gōng）工（gōng）程技術研究中心

投稿箱：
如果您有機（jī）床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名（míng）企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多

數控（kòng）機（jī）床