山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 曹衛(wèi)衛(wèi) 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(guò)程中會(huì)發(fā)生顫振，這樣會(huì)減少孔的圓度和精密度，因此，降低了加工材料的質(zhì)量。所以在加工過(guò)程中會(huì)在鉆桿外設(shè)置一種減振器來(lái)抑制鉆桿的振動(dòng)，但振動(dòng)的抑制是很難的[1]。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)深孔刀具力學(xué)性能方面進(jìn)行了很多研究。王清明提出了利用多個(gè)特征參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)鉆削過(guò)程，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)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(shù)的變化規(guī)律[2]。

本文通過(guò)UG軟件建立BTA單齒深孔鉆具的三維模型，利用ANSYS對(duì)鉆頭進(jìn)行模態(tài)仿真。通過(guò)仿真分析掌握單齒BTA鉆頭的固有頻率和振型的變化規(guī)律，同時(shí)去探索研究降低振幅的有效措施，以此來(lái)提高深孔加工過(guò)程中的穩(wěn)定性和刀具壽命。

2 單齒BTA深孔鉆設(shè)備概要

圖1 BTA 單齒深孔鉆具

圖1 顯示了一個(gè)典型的單齒BTA加工頭。單齒BTA鉆具是一個(gè)中空的圓柱體，圓柱體連接著一個(gè)切削刃和兩個(gè)導(dǎo)向塊。導(dǎo)向條與鉆具通過(guò)孔孔相連接。BTA深孔鉆具通過(guò)方牙螺紋與一個(gè)長(zhǎng)的空心鉆桿相連接，切削油有著潤(rùn)滑和冷卻的作用，具有一定壓力的切削油流經(jīng)輸油器，通過(guò)鉆桿外的間隙到達(dá)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(guò)中空的鉆桿排出到積屑盤(pán)[3]。

3 BTA鉆模態(tài)分析

在模態(tài)分析中，依據(jù)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(jù)其固有頻率提出BTA刀具結(jié)構(gòu)減振方法，以提高刀具加工精度。

圖1是通過(guò)對(duì)φ30.05的BTA鉆具的尺寸測(cè)量后利用UGNX8.0設(shè)計(jì)所得。對(duì)BTA鉆進(jìn)行ANSYS仿真，將BTA刀具簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，材料選用45鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.27，F(xiàn)x＝1050N，F(xiàn)y＝5050N。

模態(tài)計(jì)算結(jié)果：由于刀具本身的固有頻率較小，所以高階的頻率對(duì)鉆頭不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。取BTA鉆的十階振型進(jìn)行分析。前四階變形過(guò)小，所以圖2所示為其五階到十階振動(dòng)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(dòng)頻率

模態(tài)計(jì)算結(jié)果：通過(guò)其十階變形云圖看出，刀具的主要失效形式是扭轉(zhuǎn)和彎曲；從圖3可以讀出十階振動(dòng)頻率在3027.6~25224Hz之間，與相對(duì)應(yīng)的十階變形振型圖比較可知：頻率對(duì)振幅影響很大。若要BTA鉆進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(lái)減小振動(dòng)，這樣就可以更好地保證深孔鉆的質(zhì)量，也保證了BTA鉆頭的壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)單齒BTA鉆具進(jìn)行了三維實(shí)體建模，利用ANSYS軟件對(duì)其實(shí)體模型進(jìn)行了模態(tài)分析。模態(tài)分析是為避免顫振對(duì)刀具的影響而進(jìn)行的分析，通過(guò)模態(tài)分析得出實(shí)體模型五到十階變形振型云圖，發(fā)現(xiàn)頻率對(duì)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(lái)減小震動(dòng)對(duì)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(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)出版社.2005.

[2]王清明,董申,李小但.鉆削狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的理論與應(yīng)用研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,32(6)：76-79.

[3]尤海燕,楊樹(shù)財(cái)?shù)?BTA 深孔鉆設(shè)

計(jì)技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2014.