（机械制造及其自动化专业论文）基于工程软件的套料钻强度分析.pdf

基于工程软件的套料钻强度分析 机械制造及其自动化专业 研究生余冲指导老师罗红波 最近几十年来，随着现代精密制造业和微电子制造业的飞速发展，对孔的 加工精度要求也越来越高，工件材料的加工难度和数量都在不断增大。套料钻 是一种加工通孔的常用刀具，它的加工效率高，材料浪费少，在钻削加工中已 经得到越来越广泛的应用。 在加工中，套料钻性能的好坏和质量的优劣将直接影响加工效率、加工精 度和产品质量。目前随着我国机械工业的快速发展，对切削刀具的要求也越来 越高，而我国的切削刀具与工业发达国家之间还存在很大的差距，一是刀具材 料性能的差距，二是刀具结构合理化的差距，因此对刀具的研究具有十分重要 的现实意义。 本课题来源于四川大学科技合同( 横) 字第0 6 h 5 3 7 号的实际项目，选取 了“套料钻基于工程软件的强度分析”作为研究课题，对课题合作方( 四川某 刀具制造公司) 生产的套料钻使用有限元法进行了强度分析，为解决套料钻在 实际应用中强度不高，易折断的问题提供了改进措施。主要完成的工作内容如 下： 1 运用工程软件p r o e 进行实体三维建模，经过无损检查后导入工程软 件a n s y s 进行网格划分。 2 运用a n s y s 进行机械强度分析，找到了钻头上强度较弱、较容易发生 破坏的区域。还通过依次改变钻削深度、进给量、套料钻夹持长度等条件，研 究这些参数的改变对钻头应力场分布和应变的影响，从而对套料钻的机械应力 强度进行了较为全面和系统地研究。 四川大学硕士学位论文 3 运用a n s y s 进行应力场耦合分析，找到了在热应力作用下套料钻容易 发生破损的区域，并与机械应力分析的结果进行了比较。 4 运用a n s y s 进行模态分析，计算出了套料钻的前1 5 阶自由模态频率 和振型，并与加工系统的固有频率相比较，得出套料钻破损受共振影响不大的 结论。 5 综合各部分分析结果，提出改进措施。 在本文中，主要对套料钻的机械应力、热应力和模态进行了分析，通过使 用计算机和工程软件对套料钻的的强度进行数值模拟分析，可以比较精确的掌 握套料钻上各点的受力情况，求出最大应力值和最大变形量。然后通过参数变 化和应力应变之间的关系，得出套料钻内部的应力应变分布规律。此项研究在 实际生产中的意义在于： 1 研究是基于四川大学科技合同( 横) 字第0 6 h 5 3 7 号的实际项目，为公 司解决套料钻在实际加工中强度不高易折断的问题提供了有益的建议。 2 本文的研究可用于对现有刀具进行分析研究，有利于合理选择切削参数 和提高产品寿命。 3 本文的研究可用于刀具的设计过程中，减少产品的试制，节约设计成本。 关键词：套料钻；工程软件：强度分析；有限元 a b 刚t a c t s t r e n 垂ha n a l y s i s o f t r e p a m i n g d r i l l o n e n g i n e e r i n g s o r w a r e m e c h a i l i c a lm 觚u f a c t u r i n ga i l da u t o m a t i o n c a n d i d a t ey uc h o n g s u p e r v i s o r l u oh o n g b o w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mp r e c i s em a n u f a c t u r i n ga n d i i l i c m - e l e c t r o n j cm a n u f a c t u r i n gi nt h el a t e s ts e v e r a ly e a r s ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t s h a v eb e e np u 慨df o n v a r dt ot 1 1 em a c h i n j n ga c c u r a c yo fh o l e s ，t h ed i f f i c u l t ya i l dt 1 1 e n u m b e r sa l lb e c o m eb i g g e rt o o t r e p a n n i n gd r i l l i sac o m m o nc u t t e ro fm a c m n i n g h 0 1 e s i t sv e 巧h i g ht h a tm a c h i n i n ga n di sv e r yf e wm a tw a s t em a t e r i a l s ，s oi t s a p p l i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea 1 1 dm o r en o w t r e p a n n i n gd 训w i l ld i r e c t l ya m c t t ot l l em a c h i n i n ge 伍c i e n c y ，a c c u r a c y 姐d q u a l i t yi nm a c h i n i n gp r o c e s s ，a tp r e s e n t ，i i l c r e a s i n g l yh j g hr e q u i r e m e m sl l a v eb e e n p u tf o r w a r dt ot 1 1 ec u t t e r sw i t ho u rc o u n 衄sr a p i dd e v e l o p m e n t m o r e o v e r ，m e r ei s s t i l lab i gg a po no u rc o u n t r y sc u t t e rw i t hd e v e l o p e di n d u s t r yc o u n 州e s o n ei sm e g a po ft 1 1 ec a p a b i l i t yo fc u n e r s m a t e r i a l s ，t w oi st h eg a p0 fr a t i o n a l i z a t i o no fm e c u t t e r s s t m c t i l r e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a j l tt l l a ts t u d yt h ec u n e r s 1 1 1 es u b j e c tc o m ef r o mt h ea c t l l a lp r o j e c to f m e0 6 h 5 3 7s c i e n c ea n dt e c l l n o l o g y i t e mo fs i c h u a i lu i l i v e r s 毋a 1 1 ds e l e c t e d s 仃e n 蚰a n a l y s i so ft r e p 籼i n gd r i l lo n e n g i n e e r h l gs o n w a r e a sr e s e a r c hc o n t 咖s n e na 即l yaf i n i t ee l e m c n ta n a l y s i s m e a s u r et os t u d yt 1 1 e s n n g t l lo ft h et 诧p a i m i n gd r i l lo fc o o p e r a t e dc o m p a n y i m p m v e dm e a s u r e sa 糟p u tf o n v a r dt os 0 1 v es t r e n g mi sn o t1 1 i g ha 1 1 de a s i l yb r o k e n i np r a c t i c a l 印p l i c a t i o n t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 f i r s t ，印p l ye n g i n e e r i n gs o f c w a r e p r o et oe s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a l i n i ) d e la 1 1 de n t c ri n t oe r l g i n e e r i l l gs o f t w a r e _ a n s y st om e s ha f t e rn o n d e s t m c t i v e i 稍 四川大学硕士学位论文 i n s p e c t i o n 2 a p p l ya n s y s t oc a n yt h r o u 曲m a c h i n ea j l a l y s i sa n df i n dt h em o r ew e a l 【 p o i mi nt h ed f i l l g e m n ga c m s st 1 1 ec h a n g e so fc u m n gd 印t h s ，f c e dr a t e ，c l a m p i n g l e n g t ho ft r 印a 1 1 n i n gd r i l l ，t h ed i s t r i b u t i n go fs t r e s s f i e l da i l ds t r a i na r es t l l d i e d t h e r c b ys t u d y o nt 1 1 e s t r e n g t h o fm et r 印a 衄i n gd 栅s y s t e m a t i c a l l ya 1 1 d c o m p r d l e n s i v e l y 3 a p p l ya n s y s t oc a r r yt h r o u g hc o u p l e da n a l y s i s ，t h cm o r ew c a kp o i n ti n 廿l ed r i l li sf i n da n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h em e c h a 试c a ls t i _ e s sa n a l y z i g 4 a p p l ya n s y s t oc a n _ ) rt h r o u 曲m o d a la n a l y s i s 1 1 1 ef r e q u e n c i e sa n d b a i l d o f1 5f r e em o d a 王a r ec a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dt o 血ef 把q u e n c i e so f m a c h i n i n gs y s t e m n l ed a m a g eo ft l l et r 印a n n i n gd r i l li sa l m o s tc o l l l l e c t i o no f i s o n a t e 5 a ur e s u l t sa r ec o l l i g a t e da i l ds o m ei m p r o v e m e n t sa r cp u t t e df o n a r d i ns 廿舶群ha n a l y z i n g ，t h em o d a l ，m e c h a l l i c a ls t r e s sa i l dt h e 姗a 1s t r e s sa r e a i l a l y z e d g 毗i n ga c r o s sc o m p u t e r a n de n g i n e e r i n gs o r w a r e ，t h es t r e n g t l lo f t r 印踟i n gd r i l li sn 啪e r i c a ls i m u l a t e d 柚ds t u d i e d t h ef b r c eo fe v e r yp o i n ti s m a s t e r e da c c u m t e l y ，t h ev a l u eo fm a xa n dm i l la r ea c q u i r e d t h e na c m s st 1 1 e c o n n e c t i o no fp a r 锄e t e r sa 1 1 ds t r e s s ，m ed i s t r i b u t i o nr u l eo ft h es t r e s si n s i d e 血e t r 印a n n i n gd r i l l i sm a s t e r c d t h es t u d yi nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no fl i e s ： 1 r e s e a r c hi sb a s e do nt 1 1 et l l ea c t u a lp r 叫e c to ft h e0 6 h 5 3 7s c i e n c ea i l d t e c h n o l o g yi t e mo fs i c h u a i lu i l i v e r s i 够a tl a s ts o l v e 吐l ea c t u a lp r o d u c t i o n ，a n dr a i s e t 1 1 ee 伍c i e n c yo f p m d u c t i o n 2 t h j s 咖d yc a nb eu s e df o rt h er e s e a r c ha i l d 锄a l y s i so f t h ep m d u c e dc u n e r a n dar e a s o n a b l ea m o u n to fc u t ：t i n gc a nb ec h o o s e d 3 t l l i ss t u d yc a nb e u s e df o r t h ec u t t e rd e s i g np r o c e s st or c d u c ct r i a l p r o d u c t i o na i l dc o s t s a v i n gd e s i g l l k e y w o l l i ：t r 印a n n j n gd r i l l ；e n g i n e c r i n gs o f h a 确s t r e n g t l l 锄a l y s i s ；f i n i t c e l e n l c m 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 作者： 衾冲 2 0 t7 厂 日期： 。 翩：驻煎 隰2 1 z 点一一 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 刀具是机械制造部门重要的技术工具，刀具质量和性能的优劣将对切削加 工的效率、加工的精度和加工的质量有显著的影响。在现代机械制造中刀具技 术的不断创新是推动制造技术进步的重要动力。 随着我国机械、航天、汽车制造等工业技术的发展，生产过程逐渐趋向数 控化、自动化，加工对象也日趋复杂，对新型高精度、高性能刀具的需求量不 断上升。据相关资料报道【“】，我国已成为世界第三大刀具市场，但由于技术和 设备落后等原因，致使我国刀具在品种、质量和材料等各方面与国外相比均存 在较大差距，导致我国大量需求的高精度、高性能刀具仍主要依靠进口。 在制造业中，金属切削历来占有较大比重。然而刀具的直接采购成本在制 造成本中所占的比重并不大，所以不易引起重视。实际上国内外有数据表明， 刀具费用约占制造成本的2 5 4 ，但它却直接影响占制造成本2 0 的机床 费用和3 8 的人工费用。因此，刀具性能每提高1 5 2 0 大约可以降低制造 成本1 0 2 0 。从大多数制造商各自所做的计算中得出，直接刀具成本所占 制造成本的比例虽然不大，但是为了刀具保管、准备、重磨及供应管理的费用 却高得多，约占1 2 睁j 。 在传统的机械加工企业里，刀具长期被列入低值易耗品的管理范围，这一 方面反映出对刀具重要性的忽视，另一方面也是对当时刀具产品技术含量低下 的客观反映。从上世纪7 0 年代以来，随着数控机床发展起来的数控刀具，引领 着切削刀具朝着三高一专( 高效率、高精度、高可靠性和专用化) 的方向不断 发展，把传统的刀具产品发展成为具有高附加值和高科技含量的产品。目前， 在刀具材料、涂层技术、刀具结构等方面所取得的进展均属于当代材料、信息 学科、计算机、微电予应用技术的最新成果，应该引起我们足够的重视。 科学技术日益发展的今天，宇航、电子、化学、仪器等工业中孔的加工量 日益增多，对孔的加工精度要求也越来越高，工件材料的加工难度和数量都在 不断增大。目前国内外己研究开发出几十种孔的加工方法，从当前情况看，工 程中占主导地位的仍然是机械钻孔1 6 j 。机械钻孔的优点是孔形圆整、表面光洁、 毛刺较小、且适应性较广，同时也是孔加工中经济、效率比较高的方法。据c i r p 1 绪论 调查，在机械行业中钻削加工约占切削加工总时间的2 2 【7 1 ，在某些机械行业 中钻孔工序可占总工序量的3 0 一o 圈，而在柔性工具加工中心上，钻削加工 工序约占加工总时间的3 0 t 扣3 5 【9 l 。所以，钻削加工一直是切削加工领域研究 和发展的主题。 因为孔加工的时间在整个机械加工中所占的比例越来越高，而且钻肖u 时由 于定位误差较大、钻削力不对称等因素导致孔轴线偏斜及钻头折断，也会严重 影响生产率，所以研究钻削发展的新技术已成为机械行业的新课题。经过几十 年的努力，一些技术逐渐走向成熟，并在生产中逐步得到应用。但以前的研究 大多处于试验阶段，工作量大而且费用高，所以得到的数据又往往具有很大的 局限性。现在的刀具设计和制造技术已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c a d ，c a e 技术进步的关 键f l ”“】。因此，国内在发展刀具制造技术的过程中不仅要消化吸收引进的新技 术，而且更要广泛推广应用c a d c a e 技术，利用好现有的技术设备，实现刀 具设计和制造的数字化。 纵观刀具行业全局，未来刀具行业主要呈现以下几大发展趋势【1 2 i ： 1 硬质合金材料仍然是刀具材料中的主要成员：硬质合金材料应用的广 度和深度都已有显著进展，细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发是进一步提 高刀具使用可靠性的发展方向，纳米涂层、梯度结构涂层和全新结构材料的涂 层是提高刀具使用性能的发展方向，物理涂层的应用将会继续增多。纯陶瓷、 金属陶瓷、氮化硅陶瓷、p c b n 和p c d 等刀具材料的韧性将得到进一步增强， 可应用场合逐渐增多。 2 刀具的研发更具针对性：通用牌号和通用结构不再是刀具制造厂商研 发的重点，面对复杂多变的应用场合和加工条件，针对性更强的刀片槽型结构、 牌号和配套刀具将取代通用的槽型、牌号的刀片和刀具。这在提高加工效率、 加工质量和降低切削成本方面将会收到显著效果。 3 高速切削、硬切削和干切削继续快速发展：高速切削以其不同于传统 速度切削的独特机理在提高加工效率、提高加工质量、减少切削变形和缩短加 工周期方面具有显著效果，在制造业的应用必将进一步增多，也就是高速切削 刀具的需求将进一步增多。硬切削是一种新的加工工艺，在提高加工效率，降 2 四川大学硕士学位论文 低加工成本，减少设备资金投入方面的作用独树一帜，对传统的磨削工艺提出 了挑战，“以切代磨”将成为发展趋势之一。干切削作为一种绿色制造工艺与湿 式切削相比有许多优点，但也存在切削力增大、切削变形加剧、刃具耐用度降 低和工件加工质量不易保证等缺点，但是通过分析干切削的各种特定边界条件 和影响干切削的各种因素，寻求相应的技术解决方案及措施来弥补干式切削的 缺陷，干切削的优势还是十分明显的，干切削也必将成为发展趋势之一。 4 刀具制造商的角色将发生转变：现代制造业发展的需要使刀具行业的 地位和作用发生了重大变化，从单纯的刀具生产、供应、扩大至新切削工艺的 开发及相应的配套技术和产品的开发，从单纯刀具供应商的地位上升至成为用 户企业提高生产效率和产品质量，降低制造成本的重要伙伴。此外为用户提供 全面的技术支持与服务显得更加迫切和重要。 5 刀具制造企业网络化和信息化程度进一步提高：2 1 世纪是网络化的世 纪，是信息化的世纪，企业信息化程度的高低将成为衡量企业现代化发展水平 的重要指标。网络化和信息化带来的好处除了可以提高企业办公效率，节约办 公经费加快反应速度之外，更重要的是可以提高经济效益。 6 国内外合资合作进一步增多：从近期部分刀具制造商的动作中可见一 斑，如上工与意大利s u 公司合资成立上优机床工具( 上海) 有限公司，汉江 工具有限公司与b l a z e r s 涂层公司合资成立涂层中心，哈一工与德国p v t 涂层 公司合资成立涂层中心。这也是国内刀具厂商加快提高企业素质步伐选择的途 径之一。 7 市场争夺进一步加剧：谁能不断从制造业重要工业部门的需求中和市 场信息反馈中洞察产品开发的方向，利用刀具材料、涂层、设计和制造的综合 优势，开发出创新的产品，继而全力推向市场，谁就能掌握主动权，占领市场。 无论是山特维克还是肯纳金属等世界知名刀具厂商都加紧了对中国市场开发的 步伐，如在中国设立自己的制造工厂，增加在中国的办事处和联络机构，广招 销售和技术服务人员以使其营销和服务网络遍布全国。 在钻头和钻削技术的研究方面，除了钻头制作材料的改进以外，主要集中 在以下5 个方面i l 副： 1 钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃 数学模型的建立，横向截形和钻尖结构参数的优化，切削角度( 分布) 的计算 l 绪论 与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关 系的研究。 2 钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的 建立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟 槽加工工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床和加工软件的开发 等。 3 钻削过程与钻削质量研究：包括影响钻削过程的各种因素及出现的各 种物理现象的分析、建模与监控( 如钴削力、切削刃应力和温度分布的测量、 建模和预报) ；钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究；钻头的变形、偏斜、入 钻时的打滑和钻尖摆动现象的研究；钻削工艺( 如振动钻削、高速钻削、深孔 钻削和钻削过程的稳定性等) 与钻削质量( 孔的位置精度、直线度、表面粗糙 度、圆柱度、直径和孔口毛刺等) 的研究。 4 钻削机理与各种高性能钻头( 如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深 孔钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头和多螺旋槽钻 头等) 的研究。 5 钻削过程模型验证和钻头性能评估过程的自动化，切削条件及钻头形 状选用数据库和知识库的建立等。 目前，最具活力的研究领域是钻头数学模型、几何设计和制造方法( 设备) 的研究，钻削过程建模与钻削质量的研究等。 本文选取了“套料钻基于工程软件的强度分析”作为研究课题，即是对钻 削过程和钻削质量进行研究。在研究中以工程软件作为主要工具，通过建立套 料钻的几何实体模型和有限元模型，加载应力和约束位移，完成对套料钻的机 械应力、热应力和模态的求解，找出其上强度较弱、较容易发生破损的区域， 同时分析了套料钻夹持长度、切削深度以及进给量的变化对应力场分布及套料 钻变形量的影响，从而用方便、快捷和经济的方式为套料钻加工工艺的制定、 进行优化设计和切削用量的合理分配与选择提供了可靠的理论依据。 1 2 套料钻概述 1 2 1套料钻工作原理简介 根据磨削基本原理，套料钻是利用钻头的端面作为主要切削面来进行加工。 四川大学硕士学位论文 在实体材料上直接钻孔，圆柱面只起修磨作用，当磨粒接触工件表面后，切下 不连续的细微切屑，又由于分布在钻头环形面上的磨粒很多，工件表面上受到 众多磨粒的切削和刻划，最终把要切除的部分全部磨掉【1 4 】。 由切削原理可知，在切削相同尺寸的前提下，采用麻花钻基体的工具切削 时，切削厚度是孑l 的半径，材料的去除量是一个圆柱体。而采用套料钻切削时， 切削厚度是刀具的壁厚，在切削时只切一个环形孔，所以材料的去除量大大减 少，而且所需要的功率要求较小，刀尖处没有零切削速度。另外套孔留下的“料 心”可用于其他小直径零件的生产，这样即提高了加工效率又节约了材料【l ”。 套料钻刀具有单齿和多齿之分，标准套料钻刀具上可分为切削部分和支撑部分。 在加工过程中，在一定转速条件下，套料钻通过施加在进给手轮上的恒力， 由端面磨粒切入待加工工件表面( 一般为金属材料) 来实现进给运动，从而完 成切削加工。加工过程中，施加在进给手轮上的恒力是实现钻削过程的首要条 件。钻削时，一般都需要添加切削液，来降低切削温度和清洗残留在工件表面 上的碎屑。除切削用量外，套料钻的特性参数( 磨粒粒度、端面平均周向磨粒 间距基体壁厚和基体开槽数等) 对其加工性能也有较为显著的影响。套料钻的 使用寿命用总去除材料体积表示i l6 1 ，加工效率用单位时间平均去除材料体积表 示。套料钻的加工工件过程如图1 1 所示。 燮碳三k i 雠靠 i 图1 1 套料钻加工工件示意图 5 1 绪论 1 2 2套料钻的结构及材料 刀具结构一般有整体结构、焊接结构、机夹和可转位结构等，套料钻由于 钻尖形状特殊，钻头端部直径小，因此采用整体结构。在实际应用中，根据具 体的要求，套料钻的钻尖个数有所不同，在本文中进行强度分析的是四川某刀 具制造公司生产的套料钻。由于在加工过程中为了提高生产效率，普遍使用较 高的钻削速度，离心力较大，所以四川某刀具制造公司生产的套料钻有6 个钻 尖，其实物图如图1 2 所示。 图1 - 2 套料钻实物图 在实际加工过程中，此套料钻主要用来加工一些合金钢之类的难加工材料， 因此对刀具的材料要求很高，所以刀具材料应选择红硬性高和高温硬度高的材 料，在综合考虑碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢和硬质合金等材料的性 能后，美国高钴高速钢m 4 2 ( w 2 m 0 9 c 州c 0 8 ) 【1 7 1 8 】和国产铝高速钢 6 四川大学硕士学位论文 5 0 l ( w 6 m 0 5 c r 4 v 2 a 1 ) 都可以满足此套料钻的加工要求。 m 4 2 钢属高性能高速钢，其耐热性、耐磨性均比普通高速钢有所提高， 更能适应高强度钢的加工，而钴可以提高钢的高温硬度和抗氧化能力，对提高 切削性能、降低摩擦系数和改善磨削加工性有利。5 0 1 钢为国产新型刀具材料， 它由2 的钨钼系高速钢加入1 左右的铝熔炼而成，具有硬度高、耐磨、红硬 性高、高温硬度高和热塑性好等优点，其硬度可达h r c 6 7 6 9 。适用于加工各 种难加工材料，如高温合金、超高强度钢和不锈钢等，可以制作车刀、镗刀、 铣刀、钻头、齿轮刀具、拉刀等【1 9 q 0 1 。 5 0 1 钢与m 4 2 钢相比，各种性能指标相差不大，但价格却便宜很多，只是 m 4 2 钢价格的3 5 左右，所以从经济性和加工效果考虑，本文研究的套料钻采 用铝高速钢5 0 1 作为材料。 1 3 国内外套料钻研究现状 一直以来国外对套料钻的加工研究都很多，因而对套料钻的设计和制造都 有丰富的经验。尤其是国外较著名的刀具制造生产商，例如瑞典的山特维克公 司、德国的0 t t od i e t e 订e 精密刀具有限公司、美国的s g s 公司和肯纳公司 咂e j l l l 锄e t a l ) ，他们都是世界知名的刀具公司，对套料钻的设计和制造都有自己 的独到之处。而国内由于受各方面条件限制，起步较晚，在这方面的研究不是 很多，目前国内套料钻的设计与分析还主要靠实际生产经验或利用简化的模型 进行一般的推导计算，对其应用计算机和工程软件进行精确分析的很少，研究 者主要是一些工厂的技术人员。 随着有限元分析方法和计算机技术的发展，利用数值模拟方法来对钻削加 工过程以及各种参数之间的关系的研究越来越多。近年来，有限元分析方法在 切削机理以及刀具的设计、分析与制造中都有应用，包括对加工中刀具的弹塑 性变形的研究，与温度相关的材料性能的研究，以及利用有限元分析方法对刀、 钻头和平面铣刀等进行温度场和应力场的分析等等【2 卜2 3 1 ，但应用有限元分析的 方法对套料钻进行较系统强度分析的到目前还很少。 近年内国内对套料钻数学模型及其相关参数的求解进行了一些研究，在强 度理论上也有一定的突破，虽然并未在套料钻的强度方面有直接的研究，但在 与其相关的数学模型及钻削力方面进行了较广泛的研究，并对其它应用于航天 l 绪论 工业，军工企业和模具工业的高性能的钻头的强度方面也有过一些研究，这些 资料为今后进行钻削工艺实验、优化钻尖参数、设计新的钻型、进行钻削机理 研究、为钻头的c a d ，c a m ，以及高性能钻尖磨床设计等方面提供了理论基础。 1 4 论文的目的及研究内容 1 4 1论文的目的 经过上面的论诉可知，国内的机械行业通过十几年来的技术创新和技术引 进，已经基本掌握了生产各类先进刀具的能力，但就套料钻来说由于对钻头各 方面性能要求都非常高，所以目前仍无法实现此类刀具的完全国产化。 本论文来源于四川大学科技合同( 横) 字第0 6 h 5 3 7 号的实际项目，选取 了“套料钻基于工程软件的强度分析”作为研究课题，是以四川某刀具制造公 司生产的套料钻做为模型，运用工程软件作为分析工具，对钻削加工达到稳定 状态时套料钻的强度进行分析。 在强度分析中对套料钻钻削加工达到稳定状态时模拟钻头受力情况，然后 通过工程软件的计算，对套料钻的机械应力、热应力和模态进行有限元分析， 找出套料钻在钻削过程中强度较弱、较容易发生破损的区域，从而为套料钻结 构的优化设计、切削用量的合理分配与选择和制造工艺的制定提供理论依据。 1 4 2论文的研究内容 基于上面的研究目的，本文主要的研究内容为： 1 对套料钻的钻削过程进行系统的研究和探讨，建立套料钻的数学模型， 在建立数学模型和掌握其结构和尺寸参数的基础上利用大型c a d 软件 p r 0 e 强大的自由曲面建模功能建立套料钻的实体模型。 2 选定了进行有限元分析的软件，概述了有限元的原理和建立有限元模 型的过程。通过定义套料钻实体模型的材料属性，单元类型的选择，载荷和约 束的施加，在大型有限元分析软件a n s y s 上完成对套料钻实体模型的有限元 网格的划分，建立套料钻的有限元分析模型。 3 当套料钻钻削加工达到稳定状态时候，运用a n s y s 对其进行机械应 力的有限元分析，找到在机械应力作用下，套料钻强度较弱，较容易发生破损 的区域。 8 四川大学硕士学位论文 4 改变钻削深度，进给量，套料钴夹持长度等条件，研究这些参数的改 变对钻头应力场分布和应变的影响，进一步对套料钻在机械应力作用下的强度 进行研究。 5 当套料钻钻削加工达到稳定状态时候，运用a n s y s 对其进行热应力 的有限元分析，找到在热应力作用下，套料钻上强度较弱，较容易发生破损的 区域。 6 运用a n s y s 对套料钻进行模态分析，确定其固有频率和各阶振型， 并将此结果与机床一工件一刀具加工系统的振动频率进行比较，进而判断套料钻 由于发生共振而导致钻头破坏的可能性。 7 综合考虑各方面因素后，找出套料钻的危险区域，提出改进措旌，很 好的解决了项目中的实际问题，提高了生产效益。 1 5 小结 本章主要阐述了刀具和钻削技术的发展现状，介绍了国际国内在这方面的 最新成果和研究理论，对套料钻进行强度分析的重要性和必要性作了说明，阐 述了本文的研究目的和研究内容。 9 2 套料钻实体模型与有限元模型的建立 2 套料钻实体模型与有限元模型的建立 本章主要是选定三维造型和有限元分析的软件，建立套料钻的实体模型和 有限元模型，为后续分析做好准备工作。 2 1 建模软件介绍及模型建立 2 1 1工程软件p r 0 e 介绍 当今世界三维设计软件正广泛应用于工业产品的设计和制造过程中，目前 流行的大型设计应用软件( 如c a t i a ，ug ，p r o e ) 均能实现从产品的概念 设计、精确设计、模具分型、模具结构设计和模具数控加工等一整套自动化功 能，为美化工业产品的外观造型、提高产品的精度和质量、缩短产品的设计和 加工周期提供了非常有效的手段【2 4 j 。 p r o e 是p t c ( 美国参数技术公司) 公司于1 9 8 8 年推出的三维c a d c a m 参 数化软件，它被广泛应用于机械、电子、航空航天、产品设计、模具设计等各 行各业。p r 0 e 的功能强大，融合了零件设计、组件装配、模具开发、数据库 管理、加工和印刷线路板设计等功能于一体。其中p r o ，e 最擅长的是实体造型 方面，具有强大的实体造型和曲面造型功能，因为它进入中国时间较早，拥有 庞大的用户群，为便于推广和使用，所以本文选用目前使用最广的p r o e w i l d f i r e2 o 作为套料钻的建立实体模型软件。 2 1 2套料钻实体模型的建立 在有限元的分析过程中一些不必要的特征或者小尺寸不会对应力数值的大 小、应力云图的分布和频率等计算结果产生显著的影响，但在划分有限元网格 时确会给我们带来极大的困难。正是由于它们的存在，使得模型边界处的网格 很难精确的划分，有时甚至直接提示失败，让后续操作无法进行，所以在有限 元网格划分之前一般都要对实体模型进行适当的简化，去掉一些细小的特征， 这样不仅方便了网格的划分，加快了计算速度，而且不会对分析结果产生显著 的影响，是现在有限元分析比较有效的一种方法。 在p r 0 e 中经过旋转、拉伸、变螺旋线扫描和阵列等一系列操作后，最后 得到的套料钻适当简化后的实体模型如图2 1 所示。 1 0 四川太擎硕士学位论文 文件哩) 靖蜢q u 视宙抵 伍) 甜折地) 信息4j 应用程序蚴工且诖) 一 e y sl oo 宙口帮助 。一一一 f 。一 oo i 叠适酋；一。0 ? 。b 咎舳：一；囝一求固。 一 ”i “一 。 ，：，。27 二，盔 耵 图2 1 套料钻的实体模型图 2 2 有限元分析方法及分析软件简介 2 2 1 有限元分析方法介绍 有限单元法最初作为结构力学位移法的发展，它的基本思路就是将复杂的 结构看成由有限个单元仅在结点处联结的整体，首先对每一个单元分析其特性， 建立相关物理量之间的相互联系。然后，依据单元之间的联系再将各单元组装 成整体，从而获得整体特性方程，应用方程相应的解法，即可完成整个问题的 分析。这种先化整为零，再集零为整和化未知为已知的研究方法，是有普遍意 义的。有限单元法作为一种近似的数值分析方法，它借助于矩阵等数学工具， 尽管计算工作量很大，但是整个的分析是一致的，有很强的规律性，因此特别 适合于编制计算机程序来处理。一般来说，一定前提条件下分析的近似性，随 着离散化网格的不断细化，计算精度也随之得到改善。所以，随着计算机硬软 件技术的飞速发展，有限单元分析技术得到了越来越多的应用，4 0 年左右时间 的发展几乎涉及了各类科学、工程领域中的问题，从应用的深度和广度来看， 2 套料钻实体模型与有限元模型的建立 有限单元法的研究和应用正继续不断地向前探索和推进。 从有限单元法命名至今已经历了4 0 年左右的发展，用有限单元法来解决问 题，从理论上讲，无论是简单的一维杆系结构，还是受复杂荷载和不规则边界 情况的二维平面、轴对称问题、三维空间块体等问题的静力、动力和稳定性分 析、考虑材料具有非线性力学行为和有限变形的分析、温度场、电磁场，流体、 液一固体、结构与土壤相互作用等工程复杂问题的分析都可得到满意的解决， 而且其基本思路和分析过程是基本相同的，主要分为以下5 步： 1 结构离散化：应用有限元法来分析工程问题的第一步，首先是将结构 进行离散化。其过程就是将待分析的结构( 或更数学化一点也可称为求解域) 用一些假想的线或面进行切割，使其成为具有选定切割形状的有限个单元体( 注 意单元体和材料力学中的微元体是根本不同的，它的尺度是有限值而不是微 量) 。这些单元体被认为仅仅在单元的一些指定点处相互连接，这些单元上的点 则称为单元的结点。这一步的实质也就是用单元的集合体来代替原来待分析的 结构。为了便于理论推导和用计算程序进行分析，一般来说结构离散化的具体 步骤是先建立单元和整体坐标系，然后对单元和结点进行合理的编号，最后为 后续有限元分析准备出所必需的数据化信息。 2 确定单元位移模式：结构离散化后，接下来的工作就是对结构离散化 所得的任一典型单元进行所谓单元特性分析。为此，首先必须对该单元中任意 点的位移分布做出假设，即在单元内用只具有有限自由度的简单位移代替真 实位移。对位移元来说，就是将单元中任意一点的位移近似地表示成该单元结 点位移的函数，该位移称为单元的位移模式或位移函数。位移函数的假设合理 与否，将直接影响到有限元分析的计算精度、效率和可靠性。目前比较常用的 方法是以多项式作为位移模式，这主要是因为多项式的微积分运算比较简单， 而且从泰勒级数展开的意义来说，任何光滑函数都可以用无限项的泰勒级数多 项式来展开。 3 单元特性分析：在选择了单元类型和相应的位移模式之后，即可按几 何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式。然后利用虚功原理或变分法 或其他方法建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。单 元分析的另内容是将作用在单元上的非节点载荷移置到节点上，形成等效节 点载荷矩阵。因为有限单元法假设载荷是作用在节点上，并由节点来传递的。 1 2 四川大学硕士学位论文 4 按离散情况集成所有单元的特性，建立表示整个结构结点平衡的方程 组：有了单元特性分析的结果，像结构力学中解超静定的位移法一样，对各单 元仅在结点相互连接的单元集合体用虚位移原理或最小势能原理进行推导，可 以建立起表示整个结构( 实质上更确切地说是单元集合体) 结点平衡的方程组， 即整体刚度方程。通过所谓直接刚度法，可以用“对号入座”方式由各单元的 单元刚度矩阵和单元等效结点荷载矩阵集成整体刚度矩阵和整体等效结点荷载 矩阵。 5 解方程组和输出计算结果：求出结构全部结点位移后，利用分析过程 中已建立的一些关系，即可以进一步计算单元中的应力或内力，并以数表或图 形的方式输出计算结果。依据这些结果，就可以进行具体结构的进一步设计。 实际上，当前的许多计算机辅助设计软件，已经将有限元分析作为其核心计算 分析模块( 对使用者这是黑匣子) 。由这一计算结果直接进行了结构设计，并达 到输出最终施工图的结果f 2 5 j 。 由于使用了电子计算机，分析人员可以从繁杂的重复计算中彻底解脱出来。 现在分析人员只须向计算机提供单元类型、单元结点坐标、单元连续方式、单 元材料性质、外载荷、边界或约束条件等信息，计算机就会自动进行计算，求 出节点力、节点位移、单元内力等未知量。而且随着有限元计算软件的不断发 展，有限元方式非常直观地显示出来，使得分析人员能够从显示的图像上来分 析物理过程，加快和加深对问题的总体认识，发现一般通过数值信息发现不了 的规律，甚至获得意外之外的启发和灵感，从而缩短研究设计周期，提高效率， 取得更多的成果。 2 2 2工程软件a n s y s 介绍 随着有限元分析技术的推广，各种有限元分析软件也随之开发出来，例如 德国a s k a 、英国p a f e c 、法国s y s t u s 、美国a b o u s 、a d i n a 、a n s y s 、 b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、 e l a s 、m a r c 和s t a r d q e 等公司均有 成熟的产品。然而，经过市场的筛选，a n s y s 最终成为了市场占有率比较高 的有限元分析软件之一。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 2 套料钻实体模型与有限元模型的建立 公司开发，它具有与p r o e 、n a s t r a n 、a l o g o r 、i d e a s 、a u t o c a d 等多数 c a d 软件的数据接口，可以较容易的和它们实现数据共享和交换，是现代产品 设计中的高级c a d c a m 工具之一。a n s y s 软件可广泛应用于机械制造、石油 化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程和水利等众多工业 领域和科学研究当中。该软件可在大多数计算机及操作系统( 如w i n d o w s 和 u n i t - l i n u x ) 中运行，在p c 机、工作站、大型机和巨型机的所有硬件平台上， a n s y s 数据文件均可兼容。 此外，a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 l 质量认证的大型分析设计类软 件，是美国机械工程师踟会( a s m e ) 、美国国家安全局以及近2 0 种专业技术 协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员 会认证并在国务院1 7 个部委推广使用