ＡＮＳＹＳ锪钻振动有限元分析

李兴凯　傅瑞琴

摘 要：通过应用有限元ANSYS软件对锪钻扩孔时，由扭矩产生的振动进行仿真分析，从而得到钻头振动的幅度的理论值，为鍃钻扩孔的精度提供理论数据，同时验证了经验值的准确性。为了提高加工中孔的精度，本文提出了许多相关的措施，为在实践中提高孔的精度提供了思路。本文所建立的模型完全符合钻削加工的实际情况，对其它类型的切削也具有借鉴意义。

关键词：有限元 模型 仿真

随着时代的发展，对产品的精度要求越来越高。在金属产品的加工中，机床，刀具和被加工工件的非线形耦合，使得刀具可能发生颤振，在工件的表面产生振动波纹。这种颤振不仅会损坏刀具，而且还会影响工件的精度和光洁度。超精密机床的工作台、溜板等移动部件，在作微量进给运动时，由于综合刚度、阻尼的存在，以及动静摩擦因数相差较大的原因，通常导致跳跃式进给并引起闭环系统的振荡[1]。如果能够发现颤振的机理和控制，就会给加工精度的提高带来很大的帮助。

随着工业的提高机床也得到相应发展，同时人们也意识到机械部件更高的精度的重要性[2]。于是人们对精加工进行了大量的研究。如在超精密切削硬质钢加工中， Norikazu SUZUKI1, Shinsuke MASUDA1 提出了一种切削硬质钢的方法，叫做椭圆振动切削[3]，可以达到极高的精度。同时，也提出了很多方法，来提高加工中的表面精度。如物质阻尼和惯性驱动经常用来作为机械的振动控制[4]。尽量消除振动对精度的影响。

本文利用有限元方法，基于锪钻的扩孔，对其由于扭矩引起的振动进行分析，求出振动幅度的大小，并确定加工中振动对精度产生影响。同时对减少振动提出相应的办法。

1.有限元的模态分析

模态分析主要用于结构或机器部件的振动特性，同时也是其他动力学分析的基础，如谐响应分析、顺态动力学分析及谱分析等。模态分析主要包括以下4个步骤：

（1）建立模型

（2）加载并求解

（3）扩展模态

（4）观察结果

2. 锪钻的模型及参数

颈部直径：24mm

弹性模量：200 GPa

泊松比： 0.3

材质：45钢

锪钻在扩孔的时候，在刀刃上必然产生切削力，从而使刀具产生扭矩。由于扭矩的存在，在扩孔的时候产生振动，在孔的表面产生振动波纹从而影响孔的精度。

3.有限元模型的简化

(1) 把钻头的颈部看作刚体，钻头的扭矩看作是集中物质的惯性距。

(2) 钻头扩孔的时候有扭矩振动、轴向振动、侧向振动。它们之间共同的耦合作用产生的振动。由于扩孔的时候，扭矩振动占主要作用，我们仅考虑扭矩产生的振动。

(3) 装夹钻头的上部必然随着整个部件一起振动，我们把装夹部分看作是完全约束。仅考虑锪钻自身的振动。

4.锪钻力学的计算

锪钻扩孔的时候切削力通常不作计算，因为它比钻孔小得多。近似地计算切削力时，可将锪钻每一个齿的当作一个镗刀看待。利用车刀公式，可计算锪钻每齿的切向力pz1和走刀力（轴向力）px1。总切削力pz= pz1z和px= px1z 在此，我们不考虑轴向的力[5]。

扭矩： M=pz*D/2

5.锪钻的静态有限元分析

把锪钻的钻头看作是具有扭转惯性距的集中质量MASS21单元，钻的颈部看作是PIPE16的管单元。把管单元分成十五份，进行网格划分，然后施加扭矩和约束， 进行有限元分析。

建立模型和求解结果如图1所示:

6.结果分析

（1）从图可知，发生的振动是在x方向上的。这是我们分析时，设定节点振动发生在x方向。由此推知，在切削的平面内，必然发生振动。所以，我们在扩孔中，加工孔也必然会对整个孔壁产生破坏，孔的精度必然受到影响。

（2）从图中可知，在x方向上节点2的振动最大位移是0.10442mm。考虑到扩孔的时候，必然会对孔留下一定的加工空隙。所以，振动对加工孔的破坏作用并没有那么大,与加工孔的经验精度基本是相符的。

(3)从图中我们可以知道，振动是无序的，对孔壁的破坏也一定是无规律可言的。由建立的有限元的几何模型和力学模型的有限元分析结果，基本符合生产实践。

7.改进措施和结论

（1）锪钻扩孔的振动是无法避免的，为了提高扩孔的精度，我们可以增加锪钻颈部直径，即提高刚度。也可以在锪钻上安装阻尼器来减少振动的幅度，同时，将电动机安装基础与钻床基础隔离，使其分别安装在两个独立的基础上，由三角胶带传递动力，减少由于电动机的振动给钻床本身精度带来的影响。从而提高精度。

(2) 锪钻本身由于是轴对称零件，在扩孔的时候，可以先对其进行平衡校验，从而减少由于自身旋转引起的的振动。

(3) 简化的几何模型和力学模型基本符合生产实际，几何和力学简化模型的建立为以后的钻头类刀具的结构分析和设计改造提供了理论基础。

参考文献：

[1]胡旭晓.机床进给系统摩擦特性分析及改善措施研究.机械工程学报,2005 41(8):185-189

[2] [苏联]B·M 柯万主编.机械制造工艺师手册.中国工业出版社.1964.322-323