BTA单齿深孔钻具静力学分析

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

BTA单齿深孔钻具静力学分析

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

本文分析了BTA钻具的力学特性，通过UG建立了单齿深孔钻实体模型。利用ANSYS对BTA深孔钻进行了静力学分析，并对45钢棒料进行钻削实验，得出刀具磨损位置，为进一步研究刀具的磨损理论奠定理论基础。

单齿BTA；钻削；磨损；静力学分析

1引言

BTA深孔钻是一种加工细长孔的钻具，在金属切削加工中，孔的加工占有很大一部分，深孔加工是指钻孔的深度和直径之比大于5的加工方法［1］。

有限元仿真利用数学近似法对真实物理系统做出模拟。它和真实实验相比，成本低、易操作、效率高［2］。所以，深孔钻削的有限元分析对其加工原理是一种很有效的研究方法。

本文以BTA单齿钻为基础建立三维实体模型［3］，利用ANSYS对钻头进行静力学仿真，得出单齿BTA钻的变形图和应力、应变云图，推断其磨损情况，结合实验观察其实际磨损情况，并将有限元仿真数据和实验数据进行对比研究。

为了研究单齿BTA钻具力学特性及磨损情况，建立单齿BTA深孔钻的三维实体模型，其切削部分由一个硬质合金刀片焊接在刀体上，它的切削刃在切削时可以布满整个孔径，下面的断屑台起到断屑的作用，采用两个导向条可以起到增大切削过程的稳定性的作用［4］。

2 BTA钻静力学分析

2.1对BTA钻具进行ANSYS仿真

对φ30.05的BTA钻具进行ANSYS仿真。图1为BTA钻的变形图。

图1　BTA钻的变形图

由图1可得此BTA钻的最大变形处为红色区域，即刀齿外边缘及刀尖部位表现为向外凸出，最大变形量为1.6411× 10-4m；最小变形发生在刀体的内锥部位，最小变形量为1.8235×10-5m，如图中深蓝色区域所示。刀具实体模型的X方向应变图如图2所示。

图2　单齿BTA钻X方向应变云图

由图2看出，此模型最大应变同样发生在刀齿外边缘刀尖部位，最大应变为5.9014×103m，最小应变位置在刀体的内锥处，为1.1182×107m。

刀具实体模型的X应力云图如图3所示。

图3　单齿BTA钻X方向应力云图

由图3可以看出，模型的最大应力位置在刀齿外边缘刀尖处，为9.0791× 108Pa，最小应力位置在刀体的内锥处，为1.7205×104Pa。

2.2BTA钻的实际钻削实验

对φ60的45钢棒料进行钻削，切削速度15m/min，进给量为0.60mm/r，切削深度5mm左右，做多次实验后观察刀齿情况。

实验结果：使用超景深三维显微系统来观察刀片的磨损程度，如图4所示。

图4刀齿实验前后磨损图

图4为刀具磨损前后图，由两组对比试验图可以很明显地发现刀片的右边缘磨损严重（右边缘即切削刃所在位置）与未进行切削并磨损的左边缘形成了鲜明的对比，发现刀齿的拐角处的磨损程度最为严重，刀尖部位的磨损呈带状。

实验证明，建立的BTA钻模型还有其静力学分析和实际加工出来的结果基本吻合。但上端刀片在实际加工中刀尖位置没有受力，磨损程度小，和ANSYS静态仿真的结果有误差，是因为在静态仿真时没有考虑刀片的工作情况，将刀具的载荷分布详细化。

3结束语

本文对单齿BTA钻具进行了三维建模，利用ANSYS软件对其实体模型进行了静力学分析。通过静力学分析得到BTA深孔钻具在工作中的最大形变位置、最大应力、应变处。通过对比多组实验加工前后的BTA刀具的磨损情况，验证了模拟仿真分析结果，为以后的BTA钻的静力学分析改善、进一步细化刀具受力指明了方向。

［1］王竣.现代深孔加工技术［M］.哈尔滨工业出版社，2005.

［2］沈兴全，庞俊忠.深孔加工关键技术研究［J］，中北大学学报.2010，52（6）：43-46.

［3］倪栋，段进，徐久成.通用有限元分析ANSYS7.0实例精解［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［4］尤海燕，杨树财，吴雪峰，岳彩旭. BTA深孔钻设计技术［J］.机械设计与研究，2014.