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

BTA單齒深孔鉆具靜力學(xué)分析

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

本文分析了BTA鉆具的力學(xué)特性，通過(guò)UG建立了單齒深孔鉆實(shí)體模型。利用ANSYS對(duì)BTA深孔鉆進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并對(duì)45鋼棒料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，得出刀具磨損位置，為進(jìn)一步研究刀具的磨損理論奠定理論基礎(chǔ)。

單齒BTA；鉆削；磨損；靜力學(xué)分析

1引言

BTA深孔鉆是一種加工細(xì)長(zhǎng)孔的鉆具，在金屬切削加工中，孔的加工占有很大一部分，深孔加工是指鉆孔的深度和直徑之比大于5的加工方法［1］。

有限元仿真利用數(shù)學(xué)近似法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)做出模擬。它和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，成本低、易操作、效率高［2］。所以，深孔鉆削的有限元分析對(duì)其加工原理是一種很有效的研究方法。

本文以BTA單齒鉆為基礎(chǔ)建立三維實(shí)體模型［3］，利用ANSYS對(duì)鉆頭進(jìn)行靜力學(xué)仿真，得出單齒BTA鉆的變形圖和應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，推斷其磨損情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察其實(shí)際磨損情況，并將有限元仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。

為了研究單齒BTA鉆具力學(xué)特性及磨損情況，建立單齒BTA深孔鉆的三維實(shí)體模型，其切削部分由一個(gè)硬質(zhì)合金刀片焊接在刀體上，它的切削刃在切削時(shí)可以布滿整個(gè)孔徑，下面的斷屑臺(tái)起到斷屑的作用，采用兩個(gè)導(dǎo)向條可以起到增大切削過(guò)程的穩(wěn)定性的作用［4］。

2 BTA鉆靜力學(xué)分析

2.1對(duì)BTA鉆具進(jìn)行ANSYS仿真

對(duì)φ30.05的BTA鉆具進(jìn)行ANSYS仿真。圖1為BTA鉆的變形圖。

圖1　BTA鉆的變形圖

由圖1可得此BTA鉆的最大變形處為紅色區(qū)域，即刀齒外邊緣及刀尖部位表現(xiàn)為向外凸出，最大變形量為1.6411× 10-4m；最小變形發(fā)生在刀體的內(nèi)錐部位，最小變形量為1.8235×10-5m，如圖中深藍(lán)色區(qū)域所示。刀具實(shí)體模型的X方向應(yīng)變圖如圖2所示。

圖2　單齒BTA鉆X方向應(yīng)變?cè)茍D

由圖2看出，此模型最大應(yīng)變同樣發(fā)生在刀齒外邊緣刀尖部位，最大應(yīng)變?yōu)?.9014×103m，最小應(yīng)變位置在刀體的內(nèi)錐處，為1.1182×107m。

刀具實(shí)體模型的X應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3　單齒BTA鉆X方向應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，模型的最大應(yīng)力位置在刀齒外邊緣刀尖處，為9.0791× 108Pa，最小應(yīng)力位置在刀體的內(nèi)錐處，為1.7205×104Pa。

2.2BTA鉆的實(shí)際鉆削實(shí)驗(yàn)

對(duì)φ60的45鋼棒料進(jìn)行鉆削，切削速度15m/min，進(jìn)給量為0.60mm/r，切削深度5mm左右，做多次實(shí)驗(yàn)后觀察刀齒情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：使用超景深三維顯微系統(tǒng)來(lái)觀察刀片的磨損程度，如圖4所示。

圖4刀齒實(shí)驗(yàn)前后磨損圖

圖4為刀具磨損前后圖，由兩組對(duì)比試驗(yàn)圖可以很明顯地發(fā)現(xiàn)刀片的右邊緣磨損嚴(yán)重（右邊緣即切削刃所在位置）與未進(jìn)行切削并磨損的左邊緣形成了鮮明的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)刀齒的拐角處的磨損程度最為嚴(yán)重，刀尖部位的磨損呈帶狀。

實(shí)驗(yàn)證明，建立的BTA鉆模型還有其靜力學(xué)分析和實(shí)際加工出來(lái)的結(jié)果基本吻合。但上端刀片在實(shí)際加工中刀尖位置沒(méi)有受力，磨損程度小，和ANSYS靜態(tài)仿真的結(jié)果有誤差，是因?yàn)樵陟o態(tài)仿真時(shí)沒(méi)有考慮刀片的工作情況，將刀具的載荷分布詳細(xì)化。

3結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)單齒BTA鉆具進(jìn)行了三維建模，利用ANSYS軟件對(duì)其實(shí)體模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過(guò)靜力學(xué)分析得到BTA深孔鉆具在工作中的最大形變位置、最大應(yīng)力、應(yīng)變處。通過(guò)對(duì)比多組實(shí)驗(yàn)加工前后的BTA刀具的磨損情況，驗(yàn)證了模擬仿真分析結(jié)果，為以后的BTA鉆的靜力學(xué)分析改善、進(jìn)一步細(xì)化刀具受力指明了方向。

［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］沈興全，龐俊忠.深孔加工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］，中北大學(xué)學(xué)報(bào).2010，52（6）：43-46.

［3］倪棟，段進(jìn)，徐久成.通用有限元分析ANSYS7.0實(shí)例精解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］尤海燕，楊樹財(cái)，吳雪峰，岳彩旭. BTA深孔鉆設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014.