基于ANSYS的高速深孔钻静力学分析

朱同波 蔡凡

(闽南理工学院， 福建 泉州 362700)

深孔加工技术普遍应用于机械制造领域。孔加工约占整个机械加工工作量的1/4，而深孔加工又在其中占很大比例。随着机械加工技术和工程材料科学的发展，深孔零件的比例逐年增加。此外，高强度、高韧性的难加工材料种类增多，对于难度本就较高的深孔加工技术又提出了更高的要求。与发达国家相比，我国深孔加工技术水平相对滞后[1-2]。

针对目前高速深孔钻存在的问题，我们在普通内排屑深孔钻头的基础上，对钻头的结构和刃形进行了改进，设计了新型高速深孔钻头。下面讨论新型高速深孔钻头的设计，并基于ANSYS进行静力学分析。

1 高速深孔钻结构设计

1.1 切削刃结构设计

常用的深孔钻具有以下特点：

(1) 锋角较小，钻尖较高，外齿到导向块之间的滞后量较大。入钻和出钻的时间较长，容易造成入钻过程中的断齿和崩刃，钻头耐用度低。

(2) 由于锋角小，各刀齿在钻尖锥面沿半径依次排列时，刀齿之间轴向高度差相对较大。在入钻和出钻阶段，中心齿需要单独承受很大的轴向力和径向力，使得钻削振动较大，定心作用较差，容易打刀及磨损。

(3) 中间齿、外齿的刀尖角较小，尖角突出。一旦尖角处产生磨损，齿间搭接量就遭到破坏，从而使钻削过程不平稳，并导致崩刃[3]。

(4) 内刃偏角Kr较小，钻削时孔底反锥高度较低，定心作用被削弱。容易发生切削振动。

本次设计的新型高速深孔钻，是在常见的内排屑深孔钻的基础上，改变了常见深孔钻的钻头结构，调整了深孔钻钻头的刃形。新型高速深孔钻结构新颖，切削效率高，刀具耐用度高，很有实用价值。图1所示为新型高速深孔钻结构。

图1 新型高速深孔钻结构

新型高速深孔钻主要结构及刃形特点如下：

(1) 新型高速深孔钻由中心齿、中间齿、外齿3部分组成。如图2所示，新型高速深孔钻中心齿相错布置在轴线两侧，外齿刃长12 mm，两个刀片位置各偏中心±0.5 mm，中心采取空心方式。中心齿和中间齿布两两成对出现，相错布置在轴线两侧，中间间距为4 mm，中心齿和中间齿刃长6 mm，两个刀片位置各偏中心±0.5 mm，能够可靠地实现完全分屑。

图2 新型高速深孔钻结构

(2) 所有的齿对称分布，可保证定心精度。

(3) 对中心齿、中间齿、外齿内侧进行倒角(外齿外缘为尖角)，保留侧后角。增加了刀齿的强度，有利于提高使用寿命和刀具的耐用度，不易崩刃。体积的增加也有利于刀体散热，降低热变形对刀齿的影响。

(4) 中心齿的内刃由2条斜度不同的折线刃组成，可以降低钻尖高度，同时使入钻、出钻的时间相对缩短。入钻时可尽快进入正常切削状态。

(5) 前角的大小主要根据工件材料和加工要求而定。通常，各切削刃的前角γ0取0°；对于难断屑材料，γ0取1°～3°；对于加工性能好的材料，γ0取3°～6°；对于脆性材料或冷硬性强的材料，γ0可取负值。

(6) 一般情况下，外齿、中间齿以及中心齿的外刃刃倾角λs为0°。

(7) 切削刃后角主要根据工件材料和进给量确定。一般，外刃后角α0取8°～12°；内刃的后角α0t应大一些，取12°～15°。

1.2 导向块设计

新型高速深孔钻上共有4个导向块，均匀分布在钻头头部圆周，两两相隔90°，如图3所示。导向块不宜太短，太短起不到导向作用；也不宜太长，太长容易打刀。根据经验切削试验，设计每个导向块长12 mm，宽4 mm，导向块凸出圆周表面的高度为0.5 mm。导向块必须倒棱，以利于油膜的形成。在深孔加工的过程中，在切削力的作用下，钻头的轴线一般将产生偏移或偏斜，导致加工精度较低。

图3 新型高速深孔钻导向块示意图

若采用新型高速深孔钻加工，通过导向块的导向作用，可以有效地降低轴线产生偏移或偏斜，提高加工孔的精度，减小高速运动带来的振动。

1.3 流道结构设计

在原有深孔钻圆周上开凿了一条流道，该流道的主视图上窄下宽(呈现出梯形)，通常宽口宽度是窄口宽度的2倍。

进行高速深孔切削时，切削液通过钻头与工件内壁的缝隙流入后，从宽口部分流进，窄口部分流出。这样可以使得切削液的流速增大，流经窄口部分液体的压强也增大，能够更好地增强排屑效率、改善排屑效果，通过切屑带走绝大部分切削热，有效地降低切削区域温度。

虽然钻头上开凿一个流道，但对钻头整体强度和刚度的影响却很小。我们将通过Ansys Workbench软件对新型深孔钻的内部流道进行仿真，进一步分析其内部的压力损失情况。

1.4 高速深孔钻的三维实体模型

本高速深孔钻模型内部结构比较复杂，其有限元分析过程也有些复杂。因此，在符合深孔钻机械特性的大前提下，可以对结构予以简化，使其适应力学分析方法，但同时又不能影响到力学分析结果。图4所示为高速深孔钻的Pro/E模型。简化时需考虑以下几点：

图4 新型高速深孔钻建模

(1) 深孔零件存在较小倒角和不平滑小面，但因尺寸较小，均不影响力学分析结果，所以在有限元建模时可忽略不计。

(2) 高速深孔钻的钻柄部分存在一个螺纹。该螺纹通常为矩形螺纹，并且在深孔加工过程中对深孔钻整体刚度的影响较小，可以忽略不计，其表面可视为平滑光面。

(3) 重力在高速深孔钻的加工过程中有一定的影响，但此影响相比导向块的支撑力小得多，也可以忽略不计。

2 高速深孔钻的结构静力学分析

2.1 施加载荷与约束

(1) 施加约束。如图5所示，分别对新型高速深孔钻施加约束，施加的位置共有3处，分别为钻柄部分和钻杆方牙连接处、切削外刃与工件材料连接处、导向块与工件内壁的连接处，图中蓝色部分，分别标记为A、B、C，并且三者均为固定约束。

图5 施加约束

(2) 施加载荷。选择常用的高速深孔钻结构参数进行计算，公称直径D取49 mm，刀具材料为硬质合金，被加工工件材料为45钢。图6所示为新型深孔钻头施加载荷。其钻削参数、切削力和转矩等计算结果见表1、表2[4]。

图6 施加载荷

工件材料(45钢)切削参数屈服强度/MPa刚度/HB剪应力/MPa 切削速度 /(m·min-1)进给量/(mm·r-1)滑动摩擦系数后刀面钻损带宽/mm335220451200.20.020.3

表2 切削力和转矩等计算结果

2.2 应力应变分析

在深孔钻削过程中，深孔钻要承受轴向进给力、摩擦力等多种载荷，这些载荷会导致深孔钻钻头振动，使得工况更加复杂[5]。在深孔加工过程中，若主轴转速较低时，深孔钻承受的载荷相对较小，切屑排屑较为流畅，切削热比较低，但加工效率也非常低。若采用高速深孔加工,则钻头将承受更大的载荷，同时产生的切削热也急剧上升。深孔钻的钻头内部结构较为复杂，当冲击流道、内部流道等连接处时，可能会出现排屑滞留现象。

在深孔加工过程中，若被加工工件材料受力不均匀，将会导致深孔钻钻体突然承受巨变，这对钻体的影响是致命的。若应力掌握不好，就会破坏钻体结构，使其超过应力承受能力，导致深孔钻钻体出现裂纹。

由材料力学知识可知，只有工件最大应力在应力容许范围内，才能保证工件的正常使用，否则会影响工件的正常使用寿命。钻杆的材料是40Cr，选用第三强度理论进行应力校核：

(1)

式中：σr3—— 钻杆正应力,MPa；

σmax—— 最大正应力，MPa；

τ1—— 切应力，MPa；

[σ] —— 许用应力，MPa。

点开Static Structural中的Solution ，点击Equivalent Stress，可以查看新型高速深孔钻的应力云图(见图7)。观察应力云图发现，钻头顶部的颜色为橙色，取值范围为0.000 21～0.000 24，是应力值最大的地方。这与实际的机械加工实际经验结论相符。在实际加工过程中，受到应力最大的部位在钻头的尖部，这也是最容易磨损之处。

图7 高速深孔钻应力云图

点开Static Structural中的Solution ，点击Equivalent Elastic Strain，可以查看新型高速深孔钻的应变云图(见图8)。实验结果显示，在深孔钻头顶部出现的最大应变值为0.000 274 75。此结果与实际机械加工中的数据一致。

图8 高速深孔钻应变云图

由高速深孔钻总变形图(见图9)可看出，新型深孔钻结构的应力集中在有切削刃的一侧，并且是中间切削刃一侧，在图中显示为红色，是变形最严重的部分。其他黄色部分也都集中在切削刃一侧，这也与机械加工实际经验所得结论相符。

图9 高速深孔钻总变形图

2.3 疲劳分析

利用ANSYS Workbench 软件对新型高速深孔钻进行了疲劳分析，得到了深孔钻的使用寿命图(见图10)和疲劳安全系数。

图10 高速深孔钻的使用寿命图

点开Static Structural中 的Solution，点击Life，可以得到新型深孔钻的使用寿命。安全系数，是指零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。在高速深孔钻使用寿命图中，刀尖和切削刃部分显示绿色为主，部分地方呈现红色。其中，红色部分是深孔钻寿命最短的地方，使用次数最低可达148.88次。其他钻头部分基本为蓝色，也是使用寿命最长的部分，使用次数最高可达375 630次。此数据与机械加工实际经验数据相符。

点开Static Structural中Solution ，点击Safety Factor，可以查看新型深孔钻的安全系数。安全系数受很多因素的影响，确定性因素如机械性能、设计值等，不确定性因素如外界荷载、实际值的差别、施工质量等。当然，计算模式也会对安全系数产生影响。 如图11所示，疲劳安全系数区域通常分为4部分：

(1) 较安全区域。其结构安全程度较高，系数值为10～15，图中显示为蓝色区域，

(2) 安全区域。其结构安全程度高，系数值为5～10，图中显示为绿色区域。

图11 高速深孔钻的疲劳安全系数

(3) 较危险区域。其结构安全程度较高，较安全区域一般呈黄色，满足高速钻削时带来的应力应变需求，系数值为1～5。图中未显示黄色区域，表明无较危险区域。

(4) 危险区域。其结构安全程度很低，也是警戒区域，系数值为0～1。危险区域一般呈红色，图中未显示红色区域，表明无危险区域。

4 结 语

在普通内排屑深孔钻头的基础上，主要从切削刃结构、导向块和流道等方面设计了新型高速深孔钻头。结构设计中，对中心齿、中间齿、外齿内侧进行倒角设计(外齿外缘为尖角)，保留侧后角，增加了刀齿的强度，有利于提高使用寿命和刀具的耐用度，不易崩刃。该设计扩大了钻头体积，有利于刀体散热，降低热变形对刀齿的影响。同时，在原有深孔钻圆周上开凿了一条流道，能够进一步提高排屑效率。利用ANSYS Workbench软件完成该新型高速深孔钻的应力分析和应变分析。分析了该深孔钻的疲劳安全系数和使用寿命，进一步优化了相关参数。