基于ansys钻头有限元分析

如，节点力、外加的非零位移、单元载荷(压力、温度)等。它的缺点是预应力选 项不可用；当采用Frontal方程求解器时这种方法比其他方法都费时费力。但采用 JcG求解器或ICcG求解器时，完全法的效率很高。 (2)缩减法

缩减法通过采用主自由度或缩减矩阵来压缩问题的规模。主自由度处的位移被 计算出来后，解可以被扩展到初始的完整的DOF集上。这种方法的优点是：在采用 Frontal求解器时比完全法更快且开销小；可以考虑预应力结果。缩减法的缺点是： 初始解只计算出主自由度处的位移。要得到完整的位移、应力和力的解则需要执行 成为扩展处理的进一步处理；不能施加单元载荷(压力、温度等)；所有的载荷必 须旆加在用户定义的主自由度上。 (3)模态叠加法

模态叠加法的通过对模态分析得到的振型乘上因子并求和来计算出结果的响 应。它的优点是：对于许多问题，此法比Reduced(缩减法)或完全法更快且成本

更低；在模态分析中施加的载荷可以通过LVSCALE命令用于偕响应分析中；可以使 解按结构的固有频率聚集，这样便可以产生更光滑更精确的响应曲线图；可以包含 预应力效果；允许考虑振型阻尼。其缺点是：不能施加非零位移：在模态分析中是 使用PowerDynamics法时，初始条件不能有预加的载荷。

通过对以上各种方法的分析比较，本文选用完全法分析钻头在深入钻削时的振 动响应，既保证了求解的精度又具有较快的求解速度。 (1)钻头瞬态动力学分析的前处理

为保持动态分析的一致性，本文在对其进行瞬态动力学分析时，单元类型的选 择、施加位移约束条件以及对其进行网格划分的过程和前面的模态分析相同；设定 钻头材料参数，这里主要是设定其弹性模量、泊松比、密度、整体重力加速度：选 择有限元分析类型为瞬态动力学分析，分析的方法采用Full(完全法)；施加受

力载荷：进行瞬态动力学分析时，对钻头施加的是与时阃成正弦规律变化的动态切 削力，本文是把一个周期内时间和力的对应关系以表格的形式施加到其主切削刃和 横刃上；设定瞬态动力学分析的时间和步长；经过以上过程完成了钻头的物理模型 到瞬态有限元分析的有限元分析模型的转换。 (2)瞬态动力学分析结果

进入求解器求解，得到钻头瞬态动力学的分析结果。进入时间历程后处理器， 本文以钻头钻芯顶点作为观察对象，观察钻头深孔钻削时的钻芯处径向位移与时间 的函数关系，其结果曲线如图2．14所示。

分析结果曲线：从曲线图中可以看到，钻头的最大振幅为0．215m，也就是深

孔加工时的加工精度为0．215哪。根据经验可知，麻花钻加工精度的一般加工精度 在ITll、ITl2左右，查标准公差数值表，可以得出ITll、ITl2加工孔基本尺寸在

18——30哪之间时，加工精度分别为0．13咖、0．21m。由此可以看出，有限元分 析结果与经验值基本符合，分析结果符合实际情况，从而证明了本文建立的钻头瞬 态动力学方程以及有限元分析模型的正确性，为提高钻头的切削精度提供参考依 据，也为其他类似刀具的有限元分析提供了一定的理论依据。 2．4总结

本章以Pro／E为平台，建立钻头的三维参数化模型，并通过建立Pro／E与有 限元分析软件ANSYS的无缝连接，实现Pro／E与ANSYS之间的数据转换，将Pro／E 中建立的钻头的三维几何模型转换到ANsYS中，然后将其转换为有限元分析模型， 为其进一步的有限元分析奠定基础。本章主要对钻头进行有限元动态分析，包括模

态分析和瞬念动力学分析。首先对钻头进行模态分析，通过模念分析得到≯14不同 系列钻头的前5阶固有频率、振型以及最大变形量，从而在钻头使用和加工的过程 中避免共振现象的发生提供参考：最后对钻头进行瞬态动力学分析，首先根据钻头 动态切削过程，为方便建立其动态切削模型，提出合理的假设，建立钻头的动态切 削力方程，为进行瞬态动力学分析打下基础，经过有限元分析前置处理，将钻头的 几何模型转换为瞬态动力学有限元分析模型，对其进行瞬态动力学分析，观察钻头 在深孔钻削时的振动特性。为提高钻头的加工精度提供一定的参考。同时也为降低 钻头的振动对其使用性能的影响提供参考。

第三章钻头的静态结构分析

刀具破坏的主要形式就是磨损，会属加工企业的统计资料表明，大约有

30％～50％刀具，由于破损而导致不能继续使用，对孔加工刀具尤其如此。因为在 切削的过程中，刀具在切除工件作用于金属层的同时，也逐渐地被工件和切屑磨 损。当刀具磨损到一定的程度，刀具就失去其切削性能。刀具的磨损主要取决于工 件材料、刀具材料的机械物理性能和切削条件，不同的刀具材料切削不同的工件材 料时，刀具的磨损状况各有不同。从研究刀具材料破坏的机理可以发现，造成刀具 材料破坏的一系列因素主要取决于应力状态，而且很难直接进行量的计算，大多采 用统计的方法得到。因此本文对钻头进行强度分析，研究其破损问题对提高刀具的 使用寿命具有重要意义。

刀具强度的基本理论，过去基本上是靠积累和分析大量的试验资料来建立的。 但切割理论的进一步发展不可能仅仅依靠收集和分析得来的试验资科，因为它所推 荐出来的加工规范(或用量)，远远落后于机器和仪器的采用所带来的新发展。现 代的刀具设计、制造技术己逐步发展成集数学理论，计算机应用技术、现代设计方 法、新材料技术等为一体的高技术密集型产业。计算机技术的发展和大型有限元分 析软件的出现，已成为推动刀具CAD／CAE技术进步的关键。因此，以各种基础科学 的成就作为依据，在行业中推广应用CAD／CAE技术，已成为目前刀具设计与制造的 一大趋势。

3．1钻头的静态结构应力分析的理论基础

强度分析属于有限元结构分析的范畴。结构分析是有限元分析方法最常用的一 个应用领域。由它计算得出的基本未知量是位移，其它的一些未知量，如应力，应 变，和反作用力等，均可通过节点位移导出。当分析对象的有限元模型建立后，各 单元的应力、应变关系可根据塑性力学的应变增量理论写：

采用适当的计算方法并考虑特定边界(边界节点的应力、应变、位移状态)，

联解上述刚度方程，就可以得到每一个节点的应力增量和位移增量，以及每个单元 上的平均应力和应变，进而推出整体应力应变分布状态。采用这种结构分析的有限 元方法，只要有限元单元划分得当、施加的边界条件准确，算法合理，可以得到较 为理想的数值解。 3．2切削力的计算

切削的过程中作用在刀具和工件上的力称为切削力，它主要来源于两个方面： 即：切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力：刀 具与切屑底层面、工件表面间的摩擦力。在实际的计算过程中，为了便于分析切削 力的作用和测量、计算切削力的大小，通常把总的切削力只按主运动速度方向、 切深方向的空间直角坐标轴z、x、y上分解成三个分力，它们是： 主切削力fx主运动切削速度方向的分力： 切深抗力fy切深方向的分力； 迸给抗力fz进给方向的分力;

在生产实际中经常遇到切削力的计算。近百余年来，国内外学者为寻求计算切 削力的理论公式作了大量工作，但由于切削过程非常复杂，影响因素很多，迄今为 止还没有得出与实验结果足够吻合的理论公式。因此，为解决实际的生产问题，常 采用实验测定法，即根据由实验方法求出的各因素变化时大量切削力的数据，然后 将实验数据加以整理，将主要的因素列成经验公式、将次要的因素列成经验公式的 修正系数，供实际工作中使用。因此在需要切削力的数据时，根据经验公式和实验 得来的有关修正系数计算出切削力的大小。通过实验建立切削力的实验公式，其一 般形式为

因此在钻头钻削的过程中，钻头的每个切削刃上都作用着三个力：fx fy fz 。由于钻头的切削刃轴对称的缘故，各切削刃上作用的径向力E基本上相互抵 消。轴向力合在一起组成总的轴向力F。而主切削力F组成力偶，构成切削扭矩 M．在钻头加工的过程中，钻孔的进给量经验公式f鼍0．Ol—0．02)d，切削深度 ao=d／2(mm)，其中d为钻头直径，本文选用的钻头的直径d=14(mm)。钻头切削力 的计算公式为：

根据刀具的加工环境和工件材料，查表确定修正系数印，cf,xf,yf,,kf,cm,xm,ym,km 切值，从而计算出钻头在工作时的切削力。 3．3基于ANSYS的钻头静态结构分析 3．3．1钻头材料参数设定以及网格划分

本文选取有限元分析的单元类型为10节点的四面体单元solid92，它更适合于 建立精度要求较高，边界为曲线的复杂模型。本文选择分析的刀具使用的材料是高 速工具钢，由于在钻头三维实体造型的过程中是以mill为计量单位的，因此为了保 持单位的一致性，材料参数特性如下所示：弹性模量：E=210000MPa，密度：

在ANSYS中对刀具的模型进行网格划分，为了提高计算的准确度，节约计算 时间。对钻头的网格划分的时候将钻头的整体网格单元长度设定为2mm，因为钻 头切削锥部为主要受力体，载荷主要作用在主切削刃上，因此，划分单元时可将切 削锥部划分得细一些，而导向部分可划分得粗一些，因而在其切削部分对其进行网 格划分的局部设定，在主切削刃以及横刃上设定网格单元的长度为lmm，而主后 刀面上设定网格单元的长度也为lmm，通过网格划分的设定减少了网格划分的数 目，同时又提高对零件的主要切削部分的分析精度，迸过网格划分以后，共划分了 26275个单元和42273个节点。其主要切削部分网格细化后的结果如图3．1所示：