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基於有限元的細微切削鑽頭強度分析

發布於:2018-03-02 21:46
有限元分析

       在幹式切削加工中經常用到微型鑽頭,由於微型鑽頭的直徑小、強度低、剛性差,再加上操作者使用不盡合理,導致鑽頭的壽命短、孔精度差。本文結合實際生產經驗簡略介紹微型鑽頭在切削過程中的發生損壞的力學原因,為此類鑽頭的設計和使用提供依據。鑽頭每一側切削力都會產生切向、徑向與軸向抗力,當左、右切削力對稱時,徑向抗力可相互抵消,最終構成對鑽頭的扭轉反力矩與軸向推力。如圖所示。在正常的生產條件下,鑽頭損壞的原因是扭矩過高、進給量過大、初始接觸點偏移等。對於小鑽頭而言,工程中預測鑽頭扭矩的公式為:影響扭矩和軸向推力的因素包括鑽頭的幾何形狀、鑽削條件和工件材料,對普通麻花鑽,按下述公式可估算出鑽削條件對扭矩和軸向推力的影響。由公式0.8鑽頭的扭斷強度應為4.36N。由於0.1mm/轉的進給量產生的扭矩超過該值見公式,因此不能以這樣高的進給量鑽削。然而,在實際應用中,在上述條件下所普遍采用的送進量高達0.18mm/r,所以產生斷裂在所難免。
       利用有限元分析軟件建模時,首先需要根據鑽頭幾何輪廓線方程選取鑽頭上的某些特定節點它們將成為模型中的部分節點,這些節點必須能充分反映鑽頭的幾何特征,從而可通過所建模型將鑽頭完整、準確地描述出來。選取節點時還應考慮鑽頭的對稱性,以盡量減少數據輸入量,如圖所示。采用有限元方法構建其模型後可以更真實地反映刀具形狀及特點,能更精確地分析切削過程中最大應力點在鑽頭冠部切削齒處。
       經驗上說小直徑鑽頭的強度、剛度在很大程度上取決於鑽芯的直徑、螺旋溝槽與鑽背寬度的比值。通常標準鑽頭的鑽芯直徑d。應是鑽頭直徑d的0.125-0.15倍。容屑槽寬度q與鑽背寬度p的比值一般是1-1.3,經過網格的合理劃分,得到的鑽頭在不同參數下的應力雲圖圖略,說明了小直徑鑽頭容屑槽的最佳參數比。對於小直徑鑽頭來說,一般按以下數據來選定d>0.3d,q/p=1/2。對於公式是按鑽芯厚度為鑽頭直徑18%的標準高速鋼鑽頭導出的,但由於小直徑鑽頭的強度、剛性在很大程度上取決於鑽芯的直徑。通常標準鑽頭的鑽芯直徑d。應超過鑽頭直徑d的0.15-0.4倍。所以許多標準小孔麻花鑽的鑽芯與直徑之比取為32070,扭矩強度大致正比於鑽芯直徑的立方。
       公式較適合於小孔鑽頭。低轉速和螺旋角一樣,對扭矩有影響。通常增大螺旋角,能獲得較大的前角,使切削輕快,容易排屑,切削變形所需要的能量就小,相應地降低了切削溫度。但是對於小直徑鑽頭來說,增大螺旋角會減小端截麵的麵積,影響鑽頭強度,容易引起鑽頭振動和崩刃現象。例如采用30。以外的螺旋角時,其扭矩和軸向推力的增量為:於是當螺旋角為零度時,扭矩增大60070,軸向推力增大75070。對於小直徑鑽頭的螺旋角一般取15-20,這些在鑽頭的應力雲圖上均能顯現出來。公式刀租8)提供了隻考慮極限扭矩時許可鑽削條件的一些基本概念。
       為了獲得滿意的鑽削效果,製造過程中應注意:(1)鑽頭的尺寸精度對孔徑的影響是很顯然的。如果超差,那麽所加工的孔必然超差。工藝中可經過粗、精磨或鏡麵磨削,保證磨削出的鑽頭直徑在中差左右,且表麵粗糙度較低。(2)保證位置精度,工作部分即使保證了尺寸精度,在使用時仍將有可能由於對基準軸線同軸度超差導致孔徑偏大,攻絲後使用時螺紋接觸高度不夠,導致螺紋聯接失效。(3)切削刃對基準軸線的斜向跳動。如果鑽頭兩主切削刃與基準軸線間的夾角不等或兩主切削刃沿基準軸線方向高度不等,則兩主切削刃的切深不等,它將使徑向切削力不平衡造成孔的擴張,且容易偏斜。


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