4300麻花钻的有限元分析【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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1 西华大学毕业设计说明书 目 录 摘 要 . 3 1 前 言 . 5 2 术 . 5 . 5 具 统的发展 . 7 外刀具 . 7 国刀具 . 8 3 件 . 9 述 . 9 3.2 发展 . 10 件特点 . 11 3.4 模技术 . 11 顶向下建模 . 12 底向上建模 . 12 零件建模 . 12 4 麻花钻 . 13 花钻的三维建模 . 13 . 21 花钻结构组成 . 21 5 麻花钻的静态力分析 . 25 . 25 麻花钻的静态分析 . 28 态参数的设定 . 28 运算的结果及分析 . 32 结 论 . 39 总结与体会 . 40 2 西华大学毕业设计说明书 致谢词 . 41 参考文献 . 42 3 西华大学毕业设计说明书 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 硬质合金麻花钻进行建模 ,在运用统成功建立麻花钻的三维模型后，可以通过 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， 限元 4 西华大学毕业设计说明书 to in is is of 3%. In of in an in So of is to be in to of in of 【 : 5 西华大学毕业设计说明书 1 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 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 术提出了越来越高的要求。 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 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 术 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。 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 6 西华大学毕业设计说明书 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 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。 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， 子、航天、化工、建筑等行业。现阶段世界各国对 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 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。 现代的重要标志之一。 长期以来，二维 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 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 2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 7 西华大学毕业设计说明书 具 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 外刀具 20世纪 50 年代末期，美国 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， 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 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 统、美国 具公司的 转位铣刀 统、 齿刀 一时期的刀具 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 术迅速发展，刀具 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 具公司、德国 司开发了交互式 术幷组建了代集成制造系统）；美国 司均在 80主机上配置 统，幷开发了 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 建立了以 上连接了 50 和 初步建立了 可转位铣刀的 产硬质异型刀具的德国 司、生产可转位刀具和刀片的德国 司、成产数控刀具的 司以及日本的东芝钨、三棱公司相机开发了自己的刀具 统。占世界刀具销售份额最大的瑞典 司配置了 形终端和 统，开发了交互式面支持刀具、模具及工具系统的 成了强大的技术优势。 8 西华大学毕业设计说明书 国刀具 第一阶段：在 1995年之前，我国刀具 法研究和系统构成的讨论，沈阳工业大学 “ 复杂刀具 撑软件的探讨 ” 中，为我国通用复杂刀具 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 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 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 件。哈尔滨工业大学在 “ 可转位车刀 数化系统 ” 中，介绍了基于 13 的可转位车刀参数化 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 中，以涡轮滚刀设计为例，介绍了 件的总体结构、功能设计以及 、 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 统 ” 中，通过分析齿轮刀具 应用对象及功能要求，提出了面向对 象的齿轮刀具 统的总体设计方案及功能模块划分，探讨了齿轮刀具 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 “境下利用 发只能参数化刀具实体模型库 ” 中，对 、 互通讯的技术进行了深入研究。该阶段，刀具 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 第三阶段： 2000 年以后，刀具 统的研 究工作更是百花齐放，多种专用刀具 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 (、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 一汽车集团公司工具厂在 “ 插齿刀 统的开发与应用 ” 中提出利用 14 开发出一套集设计计算、参数查询、绘图输出、刀 9 西华大学毕业设计说明书 具信息管理、齿形包络模拟等功能与一体的集成化插齿刀 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 中，提出了切削法造型的构造思维，幷用实例详细说明了用 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 台上，利用 术开发成形车刀的 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 统研究 ” 中，提出了在 台上，利用 c+开发工件开发了可转位球头立铣刀的 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 用 c+发了机床专用刀具的智能 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 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 对 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 统发展取得了巨大进步和成绩。由于在二维 ，刀具有些信息没有三维 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 析，所以开发三维 统显得越来越必要。 3 件 述 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 10 西华大学毕业设计说明书 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 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 出自该公司之手，目前达索的 品市场占有率居世界前列。 3.2 发展 件是世界上第一个基于 发的三维 统，由于技术创新符合 术的发展潮流和趋势， 司于两年间成为业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得 司也获得了很多荣誉。该系统在1995获得全球微机平台 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 业杂志 年授予 佳编辑奖，以表彰 创新、活力和简明。至此， 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 色的技术和市场表现，不仅成为 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 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 业的世界纪录。并购后的原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为 业一家高素质的专业化公司， 维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的品。 由于使用了 术、直观式设计技术、先进的 核（由剑桥 提供）以及良好的与 第三方软件 的集成技术， 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 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 11 西华大学毕业设计说明书 过 培训课程。 件特点 件功能强大，组件繁多。 能强大、易学易用和技术创新是 三大特点，使得 为领先的、主流的三维 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。 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 统的用户，基本上就可以用 搞设计了。 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。源管理器是同 源管理器一样的 件管理器，用它可以方便地管理 件。使用 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 决方案中， 设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 评论： “在基于 台的三维 件中， 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 格的拖 /放、点 /击、剪切 /粘贴）协同下，使用 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。 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。 基于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 模技术 件有零件、装配图、工程图三个主要模块，和其他三维 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， 12 西华大学毕业设计说明书 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， 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。 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。 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 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。 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。 零件建模 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； 13 西华大学毕业设计说明书 （ 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。 花钻的 三维建模 在 ，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。 14 西华大学毕业设计说明书 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示 。 在已知麻花钻直径 D（半径为 芯厚 d（半径为 副刃前角 （麻花钻的副刃前角 通常取 =），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 圆弧时与芯厚圆相切，共三个约束条件。 15 西华大学毕业设计说明书 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 花钻法向刃瓣厚度 其中 为螺旋角，由投影关系可知， ,求解圆弧 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 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 5，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 1)t a n ()()(122212022B 16 西华大学毕业设计说明书 图 4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 图 4截面 沟槽 再建立基准面， 画 出 沟槽的 引导线，如图 4 17 西华大学毕业设计说明书 图 4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 图 5 直沟槽 18 西华大学毕业设计说明书 图 4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，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麻花钻锥面刃磨原理 19 西华大学毕业设计说明书 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 图 4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： 360)( 1 其中 p ， 为螺旋角， 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 20 西华大学毕业设计说明书 图 4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示。 图 4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 21 西华大学毕业设计说明书 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示。 图 4横刃的修磨 最后麻花钻模型如图 4示。 图 12 麻花钻模型 花钻的结构组成及几何参数计算 花钻结构组成 22 西华大学毕业设计说明书 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 00度上有 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 2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 p =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t的概念，主切削刃上选定点的端面刃倾角是在端面投 23 西华大学毕业设计说明书 影图中测量的该店基面与主切削刃间的夹角。 式中 钻心直径 外点刃倾角 Rd =计算得 t= 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 2 ，顶角 2 =118。主偏角x，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x。由于各点基面不同，各点处得主偏角也就不同。 2 与主切削刃上选定点的在如下式的关系： co 经计算得 59r 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： c o st a ns a nt a 主切削刃上螺旋角大处的前角大，故钻头外缘处得前角最大，钻心出的前角最小。 59c a a n 19t a nt a n 0计算得 o=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 24 西华大学毕业设计说明书 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f（约 8 14） 副刃后角。钻头的副刃后角 o=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 b， 横刃斜角 60o钻削速度。钻削速度是指主切削刃外缘处得线速 度，用 示 /1000 0 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 ），与 f 有以下关系： z /21 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 示 m 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1=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 示， s 25 西华大学毕业设计说明书 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 示： s 0 计算得： 切削面积是指每个刀齿切下的切削层面积，以 示 204 计算得： 225.1 5 麻花钻的静态力分析 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fF、钻头两侧切削刃对称时，所产生径向分力 以相互抵消，最终钻头所产生钻削力只有轴向力 ，即作用在各条切削刃上的轴向力之和及扭矩之和。即： 10010式中 01 主切削刃、副切削刃及横刃产生之轴向力； 0M、01M、M 主切削刃 、副切削刃及横刃产生之扭矩； 00 2 00101 26 西华大学毕业设计说明书 c 式中 主切削刃切向力0； 01 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(%) 40 80 3 12 57 8 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 m 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 以知道， 42 Y = 27 西华大学毕业设计说明书 X =Y =金属切削原理与刀具可以知道，用新钻头时，轴向力系数 矩乘积系数为 钻削力经验公式中可以知道钻削力跟麻花钻直径 f 有关。但是对于一个已经确定的麻花钻其直径 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。 f (mm/r), 32 ,则可以计算出相应进给量下钻头的轴向力。 3 现可以把以上计算归纳为表 2 所示， 表 2 钻削条件 类型 )/( ()()(1 500 5 455 2 500 5 765 3 500 5 1037 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。 28 西华大学毕业设计说明书 7415%40574%57306%40259%57182%40333322221111横切横切横切这样就完成了钻头轴向力的计算。 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。 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 麻花钻进行动态的有限元分析。 态参数的设定 打开 的 已经建立好了的麻花钻模型打开，进入 29 西华大学毕
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