BTA单齿深孔钻具模态分析

山西中北大学机械与动力工程学院 曹卫卫 沈兴全 倪雪婷 张继明

1 引言

BTA深孔钻是一种用于高纵横比的孔加工钻具，在加工过程中会发生颤振，这样会减少孔的圆度和精密度，因此，降低了加工材料的质量。所以在加工过程中会在钻杆外设置一种减振器来抑制钻杆的振动，但振动的抑制是很难的[1]。

国内外研究机构对深孔刀具力学性能方面进行了很多研究。王清明提出了利用多个特征参数综合监测钻削过程，通过多次实验观察刀齿情况，并观察刀具在破损等异常情况下，各特征参数的变化规律[2]。

本文通过UG软件建立BTA单齿深孔钻具的三维模型，利用ANSYS对钻头进行模态仿真。通过仿真分析掌握单齿BTA钻头的固有频率和振型的变化规律，同时去探索研究降低振幅的有效措施，以此来提高深孔加工过程中的稳定性和刀具寿命。

2 单齿BTA深孔钻设备概要

图1 BTA 单齿深孔钻具

图1 显示了一个典型的单齿BTA加工头。单齿BTA钻具是一个中空的圆柱体，圆柱体连接着一个切削刃和两个导向块。导向条与钻具通过孔孔相连接。BTA深孔钻具通过方牙螺纹与一个长的空心钻杆相连接，切削油有着润滑和冷却的作用，具有一定压力的切削油流经输油器，通过钻杆外的间隙到达切削刃的部位，并将切削刃处具有一定热量的切屑送至切屑口，切屑再通过中空的钻杆排出到积屑盘[3]。

3 BTA钻模态分析

在模态分析中，依据刀具在不同频率的外载荷下得到BTA钻的变形图和振型图，得到其固有频率，依据其固有频率提出BTA刀具结构减振方法，以提高刀具加工精度。

图1是通过对φ30.05的BTA钻具的尺寸测量后利用UGNX8.0设计所得。对BTA钻进行ANSYS仿真，将BTA刀具简化为一个整体，材料选用45钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.27，Fx＝1050N，Fy＝5050N。

模态计算结果：由于刀具本身的固有频率较小，所以高阶的频率对钻头不会产生较大的影响。取BTA钻的十阶振型进行分析。前四阶变形过小，所以图2所示为其五阶到十阶振动频率及其变形振型图。

图2 BTA 钻的五阶至十阶变形振型图

图3 BTA 钻的十阶振动频率

模态计算结果：通过其十阶变形云图看出，刀具的主要失效形式是扭转和弯曲；从图3可以读出十阶振动频率在3027.6~25224Hz之间，与相对应的十阶变形振型图比较可知：频率对振幅影响很大。若要BTA钻进行结构优化处理，就要采用减小刀具的固有频率或在刀具上增加防震条等方法来减小振动，这样就可以更好地保证深孔钻的质量，也保证了BTA钻头的寿命。

4 结束语

本文对单齿BTA钻具进行了三维实体建模，利用ANSYS软件对其实体模型进行了模态分析。模态分析是为避免颤振对刀具的影响而进行的分析，通过模态分析得出实体模型五到十阶变形振型云图，发现频率对振幅的影响巨大，提出减小BTA钻固有频率、增加防震条等方法来减小震动对刀具的影响，为提高BTA钻的寿命提出了有效的措施。

[1]王竣.现代深孔加工技术[M].哈尔滨工业出版社.2005.

[2]王清明,董申,李小但.钻削状态在线监测技术的理论与应用研究[J].哈尔滨工业大学学报,2008,32(6)：76-79.

[3]尤海燕,杨树财等.BTA 深孔钻设

计技术[J].机械设计与研究,2014.