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毕 业 设 计 任 务 书（理工类） 题 目: 5麻花钻的有限元分析 学 生 姓 名: 寇 程 学 号: 专 业: 年 级: 2007级 学 院: 机械工程与自动化学院 指 导 老 师: 邓 远 超 教务处制毕业论文的主要任务和要求：麻花钻钻头直径d=5 mm。论文主要任务：1 熟悉麻花钻的结构组成、几何参数、钻削要素以及钻削特点；2 采用solidworks软件建立麻花钻的三维数字化模型和生成二维图；3 用solidworks对麻花钻进行静态分析；4 用deform对麻花钻的力、扭矩和刀具磨损进行有限元分析；5 分析计算结果，幷讨论影响麻花钻钻削的因素；论文要求：1 麻花钻的二维工程图一张；2 编写论文一份；3 翻译相关的外文资料；4 做毕业答辩前的准备工作。推荐的主要参考文献和资料：1 陈锡渠，彭晓南，梁炜.金属切削原理与刀具M.北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.2 韩荣第，金属切削原理与刀具M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.8.3 周泽华，金属切削原理M.上海：上海科学技术出版社，1993.4 赵健，胡仁喜，康士廷.solidworks2007中文版机械设计专家指导教程M.北京：机械工业出版社，2007.65 曹儒主编.solidworks2009三维设计及应用教程M.北京：机械工业出版社 2010.6 崔海萍，闫军，张琪.solidworks2006中文标准实例教程M. 北京：机械工业出版社，2005.7 江洪，陈燎，王智.solidworks有限元分析实例解析M.北京：机械工业出版社，2007.2.8 濮梁贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2001.9 袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册M.北京：机械工业出版社，2009.10 朱祖良.孔加工刀具M.北京：国防工业出版社，1990. 年 月 日 西华大学毕业设计说明书 目 录摘 要21前 言42 CAD技术52.1 CAD技术概述52.2 刀具CAD系统的发展62.2.1 国外刀具CAD系统的发展62.2.2 我国刀具CAD系统的发展73 SolidWorks软件103.1 Solidworks概述103.2 solidworks的发展103.3 Solidworks软件特点113.4 solidworks建模技术123.4.1 自顶向下建模123.4.2 自底向上建模123.4.3 solidworks 的零件建模124 麻花钻134.1 麻花钻的三维建模134.2麻花钻的结构组成及几何参数计算214.2.1 麻花钻结构组成215 麻花钻的静态力分析255.1钻削力的产生及组成255.2 麻花钻的静态分析285.2.1 静态参数的设定295.2.2 运算的结果及分析33结 论39总结与体会40致谢词41参考文献42摘 要据统计，孔加工是金属切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工工序的33%。在自动化生产线中，孔加工经常决定着生产周期的长短，由于钻头在孔的加工技术中起着重要的作用，国内外对其进行了广泛的研究和改进。因此对麻花钻的有限元分析对分析就显得很总要，通过钻削的模拟仿真，可以很直观的看出刀具磨损、作用力、工件温度、应力及应变的变化，以提高设计的效率和合理性，降低企业的成本。 本次设计采用三维软件solidworks对硬质合金麻花钻进行建模,在运用Solidworks系统成功建立麻花钻的三维模型后，可以通过Solidworks的Simulation功能模块对零件进行静态、频率、扭曲、热力、掉落测试、疲劳和压力容器设计等有限元分析。【关键词】：麻花钻，Solidworks，有限元AbstractAccording to statistics, the hole in the metal cutting process is the process is one of the most important, accounting for all metal cutting processes 33%. In automated production lines, hole processing cycle often determines the length of the drill bit in the hole processing technology plays an important role in its extensive domestic and international research and improvements. So the twist of the finite element analysis is always to look through the drilling simulation, can be seen very intuitive tool wear, forces, workpiece temperature, stress and strain changes in order to improve design efficiency and reasonable, and reduce costs.The design uses three-dimensional software solidworks model of cemented carbide twist drills, in the use of Solidworks system three-dimensional model was successfully established after the twist, you can Solidworks Simulation modules for parts of the static, frequency, distortion, heat, falling testing, fatigue and pressure vessel design, finite element method. 【Keywords】: twist drill, Solidworks, finite element，DEFORM-3D1前 言 据统计，孔加工时金属切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工工序的33%。在自动化生产线中，孔的加工经常决定着生产周期的长短，由于钻头在孔加工技术中起着重要的作用，国内外对其进行了广泛的研究和改进。特别是高速加工技术的发展，对钻头提出了更高的技术要求，因此对麻花钻的分析研究对我国孔加工有着重大的意义。世界经济发展的趋势表面，制造业是一个国家和地区经济发展的基础，是高新技术产业化的载体，也是高新技术发展的动力。现代制造业相对传统制造业最大的特征在于信息技术被广泛地采用。越来越多的企业采用计算机CAD/CAM技术开发产品，实现无纸化、网络化的协同合作。我国的制造业在计算机辅助设计领域起步较晚，但是强势的经济发展对CAD技术提出了越来越高的要求。CAD产生后，在产品设计中就以计算机为辅助手段来完成整个产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并最终以零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来。通过结构设计，以数据文件和工程数据库定义产品信息，其根本任务是为产品的开发与生产建立一个全局信息模型。这项技术的开发与应用彻底的改变了传统的设计方法，提高了工程和产品的设计质量和设计水平，既降低了陈本又缩短了产品开发周期。广义的CAD包括设计和分析两方面。设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，以及为保证整个设计的统一性而提出的功能要求和技术要求等。分析是指运用数学建模技术，从理论上对产品的能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。2 CAD技术2.1 CAD技术概述 CAD技术即计算机辅助设计（Computer Aided Design）是以计算机系统为支持，进行产品的方案设计、解析计算、判断优化、分析评估和详细设计的一门技术，是计算机科学与工程设计学科相结合而形成的新兴技术，也是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，更是先进制造技术的重要组成部分。 CAD产生后，在产品设计中就以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程，这个过程是从接受产品的功能定义开始，到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并最终以零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来。通过结构设计，以数据文件和工程数据库定义产品信息，其根本任务是为产品的开发与生产建立一个全局信息模型。这项技术的开发与应用彻底的改变了传统的设计方法，提高了工程和产品的设计质量和设计水平，既降低了成本有缩短了产品开发周期。 广义的CAD包括设计和分析两方面。设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，以及为保证整个设计的统一性而提出的功能要求和技术要求等。分析是指运用数学建模技术，从理论上对产品的新能进行模拟、分析和测试，以保证设计的可靠性。 CAD技术是人类在20世纪取得多的重大科技成就之一，它的迅速发展正对全球经济的增长起着巨大的推动作用，它彻底改变了传统的手工设计绘图的方式，极大地提高了产品开发的速度和设计精度。应用此技术可以提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用，越来越多的人认识到时一种巨大的生产力，不断加入到用户行列之中，CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。现阶段世界各国对CAD新技术的研究和应用均十分重视，已经退出了各种可供应用的CAD绘图系统，充分显示了这种新技术在设计生产领域中的优势和广阔的应用前景。CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代的重要标志之一。 长期以来，二维CAD应用与开发虽然解决了很多企业技术人员用图板手工绘图的繁杂劳动，使其解放出来，为创新设计创造条件，使各个部门的效率得到了提高。但同时，设计人员在使用CAD技术时，也感到现实产品的设计思维都是基于三维空间的。因为机械产品设计的对象是带有颜色、材料、形状、尺寸、位置以及运动关系等概念的三维实体，制造对象也是三维实体。而利用2D视图描述、传递产品信息存在着绘图、读图与理解等过程，有时易造成信息表达不完整、理解不一致等问题，因此三维CAD的出现代表当今CAD技术发展的潮流。2.2 刀具CAD系统的发展 随着切削数控自动化的发展，以及现代生产对多品种、小批量非标刀具品种规格的需求增多，刀具常规的设计与制造方法难以满足需要，从而促进了刀具CAD的开发与应用。2.2.1 国外刀具CAD系统的发展 20世纪50年代末期，美国Barber Colman和Fellows公司等，应用计算机进行齿轮刀具齿轮的设计计算，有效地提高了齿轮刀具的设计速度和精度。 到60年代刀具制造业还相对薄弱，CAD技术的开发和应用并没有跟上。直到70年代，由于高档刀具制造业的竞争，美国、日本、西欧等国家的一些工具厂家开始了面向复杂刀具和可转位刀具CAD技术的开发与应用。比较出名的有德国的阿亨工业大学1973年推出的CD1700系统、美国Ingersoll刀具公司的MAX-1可转位铣刀CAD/CAM系统、Barber Colman 和fellews公司的齿轮滚刀、插齿刀CAD系统，这一时期的刀具CAD都是在通用中、小型计算机网络上用高级语言实现的变参数系列设计。 近现代随着CAD/CAM技术迅速发展，刀具CAD/CAM也到达了更高的水平，其中以多品种、小批量的可转位刀具和数控工具系统生产最为活跃，技术也最高。美国Ingersoll 刀具公司、德国Walter公司开发了交互式CAD/CAM技术幷组建了CIMS（现代集成制造系统）；美国Valentie和Kennamental公司均在VAX11/780主机上配置MCAUTO系统，幷开发了CAD/CAM系统，这些产品的设计制造技术均代表了当代的水平；生产可转位刀具和机床的德国Walter公司，也建立了以IBM4381为主机的网络，骑上连接了VAX11/750和Micro VAX为主机的CAD/CAM成套系统，幷初步建立了可转位铣刀的CIMS。生产硬质异型刀具的德国Hertel公司、生产可转位刀具和刀片的德国Krupp Widia公司、成产数控刀具的Mapal 公司以及日本的东芝钨、三棱公司相机开发了自己的刀具CAD/CAM系统。占世界刀具销售份额最大的瑞典Sandvik公司配置了IBM5080图形终端和CATIA系统，开发了交互式CAD/CAM技术，全面支持刀具、模具及工具系统的CAD/CAM研究和新产品开发和生产，形成了强大的技术优势。2.2.2 我国刀具CAD系统的发展 第一阶段：在1995年之前，我国刀具CAD系统的研究工作主要是对CAD系统的模型建立、算法研究和系统构成的讨论，沈阳工业大学“复杂刀具CAD支撑软件的探讨”中，为我国通用复杂刀具CAD软件的开发提出来思路，论述了系统的基本构成部分，以及刀具CAD软件在未来机械制造厂中的使用价值，该项目是“八五”机电部科技攻关项目。 第二阶段：从1995年到2000年，在windows95和windows98的应用和普及的影响下，人们开始设计在视窗操作系统下使用的刀具CAD软件。哈尔滨工业大学在“可转位车刀CAD参数化系统”中，介绍了基于AutoCAD R13的可转位车刀参数化CAD系统。该系统借鉴特征造型原理，建立了可转位车刀刀槽、刀杆特征图素库及标准附件库，通过对特征图素的实例化、拼接及对标准附件的应用，建立了刀具工作图和装配图。天津理工大学在“一种用于复杂刀具多参数设计的CAD方法”中，以涡轮滚刀设计为例，介绍了CAD软件的总体结构、功能设计以及Foxbase与VC+、Autolisp 语言间的数据通讯，是天津市21世纪青年科学基金资助项目。华中科技大学在“面向对象的齿轮刀具CAD系统”中，通过分析齿轮刀具CAD的应用对象及功能要求，提出了面向对象的齿轮刀具CAD系统的总体设计方案及功能模块划分，探讨了齿轮刀具CAD系统的关键技术及解决方案。华中科技大学机械学院数控所在“VC环境下利用SQL Server与Object ARX 开发只能参数化刀具实体模型库”中，对VC+、SQL Server和AutoCAD相互通讯的技术进行了深入研究。该阶段，刀具CAD系统研发重点主要集中于参数化绘图和模型库的建立，同时，随着计算机语言的发展，而一些更流行的编程语言和技术开始尝试医用在刀具CAD系统的研发中。 第三阶段：2000年以后，刀具CAD系统的研究工作更是百花齐放，多种专用刀具CAD软件相继研发成功。化华北工学院工艺所经过几年的科研与实践，相继完成了枪钻、内排屑深孔钻(BTA钻)、单管内排屑深孔钻、机夹深孔镗头等深孔刀具的系列化，幷再次基础上研制开发了相应的系列化深孔刀具及辅具的CAD/CAM一体化系统。第一汽车集团公司工具厂在“插齿刀CAD系统的开发与应用”中提出利用VB6.0和AutoCAD R14开发出一套集设计计算、参数查询、绘图输出、刀具信息管理、齿形包络模拟等功能与一体的集成化插齿刀CAD系统，大大提高了插齿刀的设计质量和效率。华东交通大学在“用ActiveX技术开发智能化刀具CAD系统”中，提出了切削法造型的构造思维，幷用实例详细说明了用AutoCAD ActiveX技术构造刀具零件模型及进行刀具装配体得干涉检验。焦作工学院与武汉煤炭设计研究院在“成型车刀的计算机辅助设计”中，提出在AutoCAD2000平台上，利用VBA技术开发成形车刀的CAD软件，可以大大提高成形车刀的设计效率和设计质量。华侨大学在“立铣铣削加工参数和铣刀几何参数的计算机辅助设计”中，以立铣加工过程动态铣削力非线性模糊为基础，采用变步长数值积分算法和递推算法加力起动态立数，在时域内利用计算机来仿真机床的铣削振动。以刀具工件系统的相对振动位移振幅最小为目标，完成铣削加工参数和铣刀几何参数的设计。西华大学机械学院数控刀具研究所在“可转位球头立铣刀建模与智能CAD系统研究”中，提出了在solidworks2001平台上，利用visual c+6.0为开发工件开发了可转位球头立铣刀的CAD系统，在完成上已课题后又开发了“机床专用刀具设计与切削用量优化系统”，以更先进的solidworks2006为平台，使用visual c+6.0开发了机床专用刀具的智能CAD系统，实现了刀具设计参数和切削用量参数的最优化选用，大幅提高了所设计刀具的性能。 不难看出，刀具CAD系统的研发工作在过内已经全面展开，高校、科研机构和企业到位都在积极投入，从早期在DOS下对CAD系统的模型建立、算法研究、系统构成的讨论，之后经历视窗平台早期的参数化绘图、模型库的建立，现在已经发展到在设计多种专用刀具时使用各种应用软件，可以说近几年刀具CAD系统发展取得了巨大进步和成绩。由于在二维CAD中，刀具有些信息没有三维CAD表述直观明确，很多复杂的刀具仅仅用二维很难直观准确的表达出来，且设计参数的合理性可以通过建立三维模型后进行CAE分析，所以开发三维CAD系统显得越来越必要。 3 SolidWorks软件3.1 Solidworks概述 Solidworks为达索系统下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，幷为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。3.2 solidworks的发展 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。3.3 Solidworks软件特点 Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。” 在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。solidworks是微机版得参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版相应软件价格的1/41/5向广大机械设计人员提供用户界面友好、运行环境更大众化地实体造型实用功能。solidworks是基于windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和工程图的生成。图形界面友好，用户上手快。该软件可以用于以规则几何体为主的机械产品设计及生产准备中，且其价位适中，因此在我国具有广阔的市场前景。3.4 solidworks建模技术 Solidworks 软件有零件、装配图、工程图三个主要模块，和其他三维CAD一样，都是利用三维的设计方法，就是建立三维模型。新产品在研制开发的过程中，需要经历三个阶段，即方案设计阶段、详细设计阶段、工程设计阶段。 根据产品研制开发过程，solidworks软件提供了两种建模技术，一个是从装配体到零件的建模技术，就是自顶向下建模；另一个是从零件到装配体得建模顺序，其建模技术就是自底向上建模。3.4.1 自顶向下建模 自顶向下建模是符合一般设计思路的建模技术，在网络技术日益发展的今天，使用这种方式建模逐渐趋于成熟。它是一种在装配环境下进行零件的设计的，可以利用【转换实体引用】工具按钮，将已经生成的零件的边、环、面、外部草图曲线、外部草图轮廓、一组边线或一组外部草图曲线等投影到草图基准面中。在草图上生成一个或者多个实体，这样可以避免因单独进行零件设计而可能造成的尺寸等各方面的冲突。3.4.2 自底向上建模 方案设计阶段主要是由工程技术人员根据经验来进行设计的，目前的三维CAD软件一般都是在详细设计阶段介入的，Solidworks常用在以零件为基础进行建模的，这就是自底向下建模技术，也就是建立零件，在装配。solidworks的参数化功能，可以根据情况随时该变零件的尺寸，而且其零件、装配体和工程图之间相互关联的，可以在其中任何一个模块进行尺寸的修改，所有的模块的尺寸都改变，这样可以大大地减少设计人员的工作量。在建立零件模型后，可以在装配环境下直接装配，生成装配体；然后单击【干涉检查】按钮，进行检查，若有干涉，可以直接在装配环境下编辑零件，完成设计。自底向上建模技术的过程为:零件草图零件装配体。3.4.3 solidworks 的零件建模 Solidworks的零件建模过程，实际就是构建许多个简单的特征，它们之间相互叠加、切割或者相交的过程。根据特征的创建，一个零件的建模过程可以分成如下几个步骤来完成： （1） 进入零件的创建界面； （2） 分析零件，确定零件的创建顺序； （3） 画出零件草图，创建和修改零件的基本特征； （4） 创建和修改零件的其他辅助特征； （5） 完成零件所有的特征，保存零件的造型。4 麻花钻人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代。古人“钻木取火”所使用的石钻，可以看做最原始的钻头。现代工业加工中广泛使用的麻花钻(俗称钻头）,是一种形状复杂的实心工件孔加工刀具，诞生于一百多前。现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。据统计，在美国的汽车制造业，机械加工中钻孔工序的比重约占50%；而在飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。尽管钻头的使用如此广泛，但总所周知，钻削加工业是最复杂的机械加工方法之一。4.1 麻花钻的三维建模在solidworks中，麻花钻的螺旋槽有两种建模方法，一种是先假设螺旋刀具没有螺旋角（或螺旋角是0），这样就可以先建立没有螺旋的沟槽，完成以后，在对其进行扭转特征操作，但必须保证扭转完成以后是要求的螺旋角度；另一种是利用实体切除，先建立砂轮的实体模型，模拟刀具的加工，利用砂轮来对棒料进行螺旋干涉，完成刀具的螺旋槽部分，其余部分再处理。以上两种方法建模思想不同，各有优缺点。本次麻花钻的三维建模采用第一种方法。按第一种的步骤，首先假设此麻花钻没有螺旋角（或螺旋角0），先必须绘制 图4-1 钻头轴截面出此麻花钻的沟槽截面图，麻花钻的轴截面槽型是由半径R和r的两端圆弧组成，如图4-1所示。 在已知麻花钻直径D（半径为R1），芯厚d（半径为R0），副刃前角（麻花钻的副刃前角通常取=22.3），轴向刃瓣厚度为B,可以唯一确定构成沟槽形状的圆弧R和r的大小以及圆心坐标。如图1所示，建立如图坐标系，副刃前角决定了过刃尖的直线，则圆弧R的圆心P在与该直线垂直的直线上，且圆弧R通过钻头直径所在的圆，同时与芯厚圆相切，共三个约束条件。设圆弧R的圆心坐标为P(M,N),则有： 联立求解，可以得出前刀面圆弧的几何参数（m，n，R）。同理，可以求解沟槽的另外一个圆弧r的几何参数。麻花钻法向刃瓣厚度 其中D为钻头直径，为螺旋角，由投影关系可知，,求解圆弧r的过程与求圆弧R时相同。求出这些参数后在配合给出麻花钻的几何参数就可以进行麻花钻的三维建模。具体步骤如下:首先，打开solidworks软件，单击“新建”按钮选择“单一设计零部件的3D展现”；然后选择“草图”“草图绘制”，在草图绘制一个直径为5mm圆，选择“特征”“基体拉伸切除”调整拉伸长度使其达到要求长度。得到特征模型如图4-2所示： 图4-2 圆柱体模型 得到圆柱体模型后，在圆柱截面上建立草图，画出轴截面沟槽图形如图4-3所示： 图4-3 轴截面沟槽再建立基准面，画出沟槽的引导线，如图4-4所示： 图4-4 引导线在画好这些后，通过“特征”功能中的“扫描”切除，以轴截面为草图，选择轴向引导线，进行扫描特征操作，完成后就会生成没有螺旋的一个直沟槽，再通过“阵列”功能可以生产两个直沟槽的麻花钻，直沟槽模型如图4-5所示。直沟槽做出来后还要做出麻花钻的倒棱，在做麻花钻倒棱时，与做麻花钻直沟槽一样，先在轴截面上建立需要的草图，然后建立基准面画出引导线，利用“扫描切除”做出直沟槽麻花钻的倒棱，其模型图如图4-6所示。图5 直沟槽图4-6直沟槽倒棱 做完这一步后，可以先把锥面刃磨出来在扭转螺旋槽，图4-7是锥面刃磨钻头的示意图，按此方法磨出的钻头后刀面是锥顶半角的假象圆锥（或称磨削锥）的一部分。磨削锥轴线和钻头轴线成角，锥顶到钻头轴线的距离为S，锥体轴线和钻头轴线相距为e，为钻心厚度之半。当钻头绕磨削锥轴线转动时，其后刀面而即作为磨削锥的一部分被磨出。以垂直于磨削锥轴线的平面去截钻头，则后刀面廓形是圆，其曲率半径越靠近钻心越小，即钻头后角越靠近钻心越大。 图4-7 麻花钻锥面刃磨原理根据这个刃磨方法建立草图，利用“旋转切除”切除麻花钻后刀面，切除后的模型如图4-8所示。 图4-8 切除后刀面后模型 后刀面建模完成后，整个直槽麻花钻就算成功建模了，但是要想得到螺旋沟槽的麻花钻，还需要对钻头进行扭转。在进行扭转前，为保证麻花钻的螺旋角的值，在扭曲是扭曲的角度应满足： 其中L1是指沟槽的长度，P是螺旋导程，为螺旋角，D为钻头直径。算出扭转角度后，就可以对直沟槽麻花钻进行弯曲特征中的扭曲操作，如图4-9所示。图4-9 扭转特征输入算出后的角度，调整效果就可以形成麻花钻的螺旋沟槽，如图4-10所示。 图4-10 扭转后示意图这样就形成了麻花钻的沟槽结构，但是这并没有完成钻头的三维建模，还需要刃磨横刃，横刃即是两个（主）后刀面的交线，位于钻头的最前端，亦称钻尖。在“前视基准面”建立草图，画出刃磨横刃的截面，然后画出引导线，利用“扫描切除”切出横刃形状。在利用“阵列”功能修磨横刃的另一边。完成以上操作后就完成了麻花钻的三维建模。刃磨后模型如图4-11所示。 图4-11 横刃的修磨最后麻花钻模型如图4-12所示。 图12 麻花钻模型4.2麻花钻的结构组成及几何参数计算4.2.1 麻花钻结构组成麻花钻由工作部分、柄部和颈部三部分组成。工作部分包括切削部分和导向部分。切削部分承担切削工作，导向部分的作用在于切削部分切入孔后起导向作用，也是切削部分的备磨部分。为了减小与孔壁的摩擦，在导向圆柱面上只保留两个窄棱面。为了提高钻头的刚度，工作部分两刃瓣间的钻心直径dc沿轴向作出每100mm长度上有1.41.8mm的正锥。柄部是钻头的夹持部分，用以与机床主轴孔配合幷传递扭矩。柄部有直柄和锥柄之分。颈部位于工作部分和柄部之间，可供砂轮磨锥柄时退刀，也是打标记之处。为了制造上的方便，直柄钻头无颈部。麻花钻切削部分由两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃组成。其中包括前刀面、后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和横刃组成。钻头的几何角度螺旋角。钻头螺旋沟表面与外圆柱表面的交线为螺旋线，该螺旋线与钻头轴线的夹角称钻头螺旋角，记为。由以下关系 式中 R钻头的外缘半径； P钻头螺旋沟导程； 钻头名义螺旋角，即外缘处螺旋角。由以上公式可以计算尺钻头的导程 =45.6选定点的端面刃倾角。由于主切削刃不过轴心线，故形成了刃倾角，又主切削刃上各点的基面、切削平面不同，所以主切削刃上各点刃倾角也就不同。为了方便，常常引人端面刃倾角的概念，主切削刃上选定点的端面刃倾角是在端面投影图中测量的该店基面与主切削刃间的夹角。式中 dc钻心直径dc0.125d0=0.625最外点刃倾角 =0.125经计算得 =7.2顶角与主偏角。钻头顶角是在与两条主切削刃平行的平面内测量的两条主切削刃在该平面内投影间的夹角，记为，顶角=118。主偏角，主偏角是在基面内测量的主切削刃在其上的投影与进给方向间的夹角，记为。由于各点基面不同，各点处得主偏角也就不同。与主切削刃上选定点的存在如下式的关系：经计算得前角。主切削刃上选定点的前角是在该点的正交平面内测量的。可以用以下公式： 主切削刃上螺旋角大处的前角也大，故钻头外缘处得前角最大，钻心出的前角最小。 计算得 =25后角。主切削刃上选定点的后角是在以钻头轴线为轴且过该点圆柱面得切平面内测量的，记为。主切削刃上选定点的后角，可以由百分表测量出来。 弧度通常给定后角值，一般指外缘的名义后角（约814）副刃后角。钻头的副刃后角=0，因为副后刀面（窄棱面）是钻头外圆柱表面的一部分。横刃角度。横刃长度， 横刃斜角钻削速度。钻削速度是指主切削刃外缘处得线速度，用VC表示进给量。每转进给量：是钻床给标牌上给出的最常用表达形式，是指钻头转一转相对于工件的轴向移动量，以f表示，单位为（mm/r）；每齿进给量：钻头有两个刀齿，钻头转过一个刀齿相对于工件的轴向移动量，称每齿进给量，以fz表示（mm/Z），与f有以下关系：每分进给量：也称进给速度，是指钻头在单位时间内（每分）相对于工件的轴向移动量，以Vf表示 钻削深度。在基面内垂直于钻头轴线测量的切削层尺寸（或者指待加工表面与已加工表面间的距离），以表示 =2.5mm 钻削层参数。 切削厚度是指垂直于主切削刃在基面投影测量的切削层尺寸，以表示，计算得：切削宽度是指在基面内测量的主切削刃参加工作的长度（或沿主切削刃测得的切削尺寸），以表示： 计算得：切削面积是指每个刀齿切下的切削层面积，以表示计算得：5 麻花钻的静态力分析5.1钻削力的产生及组成钻削力主要是克服工件材料的切削变形，克制钻头与孔壁、钻头与切屑间的摩擦而产生的。麻花钻的五条切削刃上均产生钻削力。每条切削刃上的力均可以沿着轴向、径向及切向三个方向分解，分别以、表示。当钻头两侧切削刃对称时，所产生径向分力可以相互抵消，最终钻头所产生钻削力只有轴向力及扭矩M，即作用在各条切削刃上的轴向力之和及扭矩之和。即： 式中 、主切削刃、副切削刃及横刃产生之轴向力； 、主切削刃、副切削刃及横刃产生之扭矩； 式中 主切削刃切向力的平均作用半径（mm）； 副切削刃切向力； 横刃切向力。钻削过程中钻头产生的轴向力F和扭转M可用钻削测力仪测得。经过分析研究得出了各条切削刃产生切削力的大致比例见表1所示 表1 各条切削刃产生轴向力和扭矩 切 削 力 力主切削刃副切削刃横刃轴向力F(%)扭矩M(%)4080312578对钻削不同工件材料是的实验数据进行处理，可得经验公式 N Nm式中 、系数，可由金属切削原理与刀具； 、钻头直径对F、M的影响指数； 、进给量对F、M的影响指数； 、修正系数。查金属切削原理与刀具表14.2可以知道， =42=1.2=0.75=0.012=2.2=0.8由金属切削原理与刀具可以知道，用新钻头时，轴向力系数0.9扭矩乘积系数为0.87。从钻削力经验公式中可以知道钻削力跟麻花钻直径d0与进给量f有关。但是对于一个已经确定的麻花钻其直径d0是确定的，因此，现在讨论进给量f对麻花钻的应力、应变、位移的影响。现假定麻花钻的进给量。(mm/r),则可以计算出相应进给量下钻头的轴向力。 现可以把以上计算归纳为表2所示，表2 钻削条件类型10.11500545520.21500576530.3150051037由表1各条切削刃产生的轴向力和扭矩知道，切削力产生的轴向力主要分布在主切削刃上（占总的40%）和横刃上（占总的57%），由此可以把算出的轴向力按比例分配在主切削刃和横刃上，这样在以后做静态分析是跟接近实际切削状态。这样就完成了钻头轴向力的计算。5.2 麻花钻的静态分析当载荷应用与物体上时，物体发生变形，载荷的作用将传到整个物体上。外部载荷会引起内力和反作用力，使物体进入平衡状态。Solidworks线性静态分析计算在应用载荷作用下的位移、应变和应力。 静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种假设允许忽略惯性和阻尼力。引起相当大的惯性和（或）阻尼力的随时间变化的载荷可以使用动态分析。线性假设。载荷和所引起的反应之间的关系是线性的。例如，如果将载荷加倍，模型的反应（位移、应变及应力）也将加倍。如果以下条件成立，就可以作线性假设：模型中的所有材料均符合虎克定律，即应力与应变成正比；所引起的位移足够小，以致可以忽略由加载所造成的刚度变化；在应用载荷的过程中，边界条件不会改变。载荷的大小、方向和分布必须固定不变。当模型发生变形时，它们不应该改变。由此可见静态分析是很局限性的，但是它能很直观的表现出载荷变化对零件位移、应力和应变的变化。此次分析只是对麻花钻轴向力变化对其应力、应变和位移的变化。在后面将会用deform对麻花钻进行动态的有限元分析。5.2.1 静态参数的设定打开solidworks中的simulation，将已经建立好了的麻花钻模型打开，进入simulation操作界面，创建一个新的算例。如图5-1所示，选择“静态”选项。 图5-1 算例的创建选择后，进入静态分析界面，如图5-2所示，图5-2 静态分析界面里面有“零件”（D5麻花钻）、“连接”（零件的连接方式）、“夹具”（零件的夹持方式）、“外部载荷”（零件上所守的力、力矩等载荷）以及“网格”。首先是对零件材料的设定，选定“D5麻花钻”在单击“应用材料”弹出材料设定的对话框，在里面对零件麻花钻进行材料的设定，如图5-3所示。图5-3 零件材料的设定设定后，在设定夹具条件，右击“夹具”弹出功能选项卡，选择“固定几何体”如图5-4所示。图5-4 夹具设定设置好夹持的面后，就需要对麻花钻外部载荷的设定，分别在麻花钻的主切削刃和横刃上设置预先计算好的轴向力，如图5-5和图5-6所示。图5-5 切削刃上的力图5-6 横刃上的力设置了所有参数后就需要进行网格划分，如图5-7所示。 图5-7 网格的生成最后在运算，等运行完后就可以输出在轴向力的作用下，麻花钻应力、位移和应变的变化。运用相同的方法可以将预先计算的一组力先后加上在运算出来结果。5.2.2 运算的结果及分析通过上一节参数设定的操作后，得出一组轴向力下，麻花钻应力、应变和位移的变化图片，幷分析其结果。F1作用下麻花钻应力、应变和位移变化如图5-8所示： 图5-8 F1作用下的应力、位移和应变F2 作用下麻花钻的应力、位移和应变变化如图5-9所示： 图5-9 F2作用下的应变、应力和位移F3作用下麻花钻的应力、位移和应变变化如图5-10所示： 图5-10 F3作用下应力、位移和应变 分析以上图片归纳起规律可以得出表3、表4、表5， 表3 不同力对位移的影响类型F(N)Umax（m）Umin（m）1455276531037 表4 不同力对应变的影响类型F(N)1455276531037 表5 不同力对应力的影响类型F(N)mpampa145526402765582103103760220结果分析，在麻花钻的主切削刃和横刃施加轴向力时，由表3可以看出随着轴向力的增大，位移的最大值（）逐渐增大，并且由前面的结果图片可以看出麻花钻的切削刃上由内向外眼神逐渐加深，可见切削刃上的最外端位移是最大的。但是位移的最小值（）基本没变。从表4可以看出随着轴向力的加大，应变的最大值（）是逐渐增大的，力跟应变最大值近似线性关系，同样应变的最小值也随着力的增加而增加，分析前面的图片也可以看出应变区域主要集中在施加轴向力的切削刃和横刃上，并且主要分布在横刃上。观察表5可以知道应变的最大值（）是跟随轴向力的变大而变大的，最小值都是0，应力的主要分布是在施加轴向力的主切削刃和横刃上，并且这组力的最大应力值都在横刃上。综上所述，在麻花钻施加轴向力时，其位移、应力和应变的变化主要是在其施加的主切削刃和横刃上，麻花钻主切削刃的最外端位移变化最大，横刃上的应力和应变较集中。结 论本此设计主要阐述了刀具CAD技术、solidworks软件的发展、特点已经对麻花钻的三维建模过程、麻花钻参数计算、麻花钻静态分析和麻花钻的动态仿真。主要工作如下：Solidworks的三维建模。通过solidworks成功建立起麻花钻的三维模型，幷根据麻花钻的三维模型自动转化为二维工程图，幷自动标注，修改图纸中不必要的部分。麻花钻的静态分析。通过运用solidworks中的分析功能模块，成功的对麻花钻进行应力、应变和位移分析，不同的轴向力对它们的影响。 总结与体会 2010年3月，我开始了毕业设计工作，时至今日，设计基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，在到对思路的清晰，整个设计过程难以用语言来表