麻花钻的建模和有限元分析毕业论文.docx
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麻花钻的建模和有限元分析毕业论文
麻花钻的建模及强度分析
[摘要]：
采用三维建模软件建立麻花钻的三维模型，分析刀具在工作时的受力情况。
应用有限元软件对麻花钻进行模态分析，研究其结构的震动特性。
利用deform软件对麻花钻的工作过程进行模拟仿真。
[关键词]：
麻花钻；三维建模；ansys分析；deform仿真
Twistdrillmodelingandtheanalysisofitsintension
JunbingWu
（Grade07,Class3，Majormechanicaldesignandmanufacturingautomation，schoolofMechanicalEngineeringDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）
tutor:
HonglingHou
Abstract:
Thisarticalintroducedthe3Dmodelingmethodoftwistdrillandtheanalysisoftwistdrillwhenitbehaves.FiniteelementsoftwareformodalanalysisTwist.Deformsoftwareusingprocesssimulationwork.
KeyWords:
twistdrill；ansys；deform；simulation
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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日期：
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1绪论
1.1引言
切削加工是机械加工制造应用最多的加工方式之一，它可以应用在几乎所有的机械加工制造行业当中，是国民生产的重要支柱。
各国对于此领域的投入都颇为巨大，例如美国的年投入经费就超过3000亿美元。
而一个产品的加工精度高低、质量好坏取决于整个加工系统的性能，不是单一依靠某个环节的，包括了机床、夹具、刀具等。
在全球化激烈竞争的背景下，特别是机械制造业技术水平突飞猛进的今天，提高切削加工尤其是精密和超精密切削的生产效率和加工质量，就成为了必须重点研究的课题，需要深入地研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。
但研究切削过程也是一个非常复杂的课题，它不但涉及到多个学科的理论知识；切削的质量又受到刀具几何参数、工件材料、温度分布、应力和刀具磨损等影响；在切削加工中，切削表面的残余应力和残余应变又能严重影响了工件的精度和疲劳寿命。
所以，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究，都局限在经验化范围内，这严重影响了切削加工的效率，并导致加工成本高、加工过程中错误甚至事故的频繁发生。
随着计算机仿真技术在机械制造行业中应用范围的不断扩展，一些学者将其引入到切削加工领域，从而形成了仿真技术，使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。
通过应用一些商用有限元软件，工程师和研究人员可以定量分析这一过程，降低了切削过程分析的成本同时也提高了分析的质量。
通过应用有限元软件进行仿真模拟分析得出的数据与通过实验得到的数据基本吻合，说明仿真模拟具有很高的可靠性，可作为研究设计的依据。
根据最新的资料显示，目前的研究主要集中在以下几个方面：
（1）一般材料去除与切削过程的研究；
（2）特殊加工过程的计算机模拟的研究；（3）切削过程的几何与过程参数的研究；（4）加工过程中的热研究；（5）加工过程中残余应力的研究；（6）加工机床的动力学研究与控制；（7）机床磨损与误差的研究；（8）切屑形成机理的研究；（9）最优化与其他主题的研究。
本文将采用有限元法研究切削过程中刀具几何参数的变化对整个切削过程的影响。
1.2研究背景与国内外研究现状
计算机模拟加工过程是制造工程领域的重要成果之一，由于使用了计算机模型对所需切削力、切削温度、切削形成过程等进行仿真，大大简化了整个研究中试验过程，减少了反复试验，节约了研究成本和人力，具有很高的价值。
研究该领域的学者，都倾向于应用有限元进行切削过程分析建模，有限元法的优点是让计算机能够自动模拟整个切削的复杂过程。
几十年来的深入研究，人们对于计算机模拟已经有了比较全面的了解，建模方法已经从最初的简单剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法，而有限元方法是最新趋势的代表。
有限元法有着强大的应用能力，可以包含几乎所有金属切削过程的各个方面，可以同时解决在刀—屑接触面摩擦的应力平衡方程、应力—应变增量关系式、热传导方程、材料本构方程和应力特性方程。
这个方法可能比其他方法更细致地揭示金属切削过程。
国内外的研究者在有限元分析法上都做了细致的研究，取得了很多卓越的成果，可也还是留下了一些发展的空间，让我们后人去探索。
MerChant、Piispanen和Leeandshaffer是最早应用分析模型的学者，他们利用了切屑角模型来分析切屑在生成过程中的角度与刀具前角的关系。
1960年Clough在他的论文“平面分析的有限元法（TheFiniteElementMethodinPlaneStressAnalysis）”中最先引入了有限元（FiniteElement）这一术语，一提出就引起了广泛的关注。
1982年Usui和Shirakashi第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等概念，得出了一个稳态的正交切削模型，应用此模型对切削过程中的应力应变和温度等参数进行了预测。
2004年合肥工业大学的谢峰和刘正士有限元法及弹塑性变形理论对二维金属切削的变形过程进行有限元分析，指出了金属由弹性变形到塑性变形时单元刚度矩阵变化的规律。
2004年邓文君等学者采用热—力耦合、平面应变、连续带状切屑的切削模型模拟了高强度耐磨铝青铜的正交切削加工过程。
采用增量步移动刀具的方法，结合有限元分析软件MARC的网格重划分功能，模拟了刀具从初始切入到切削温度达到稳态的切削加工过程，获得了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应变速率的分布。
2005年胡韦华、王秋成、胡晓冬和刘云峰针对有限元方法在切削加工过程中得到越来越广泛的应用，研究了切削加工过程数值模拟的研究进展情况，并对切削加工过程数值模拟的发展方向进行了展望。
2006年华南理工大学的何振威、全燕鸣和乐有树用DEFORM-2D软件建立了典型的正交切削模型，研究了高速切削中切削热在切屑、工件和刀具部分的量化分配规律。
但是所得的结果只是停留在模拟实验阶段，没有与实际试验做过比较。
2009年李泽文、罗洪波、端正强和肖华军对三角形刀片的切削过程进行了有限元分析，获得了不同切削用量对切削力、切削温度、刀片应力的影响，以选择合理的切削用量来延长刀具寿命。
通过以上的了解，对于切屑形成过程的有限元模拟方面，国内的2-D模拟发展相对3-D模拟较快，甚至能够对塑性较差的工件材料的切削进行2-D模拟；国内的仿真主要停留在2-D领域，不仅视觉效果不够理想，而且模拟的能力仅局限于正交切削范围，其它大部分的切削情况都不能模拟，如包含斜刃切削的车削、刨削、铣削、钻削等切削加工情况。
1.3本课题的研究意义
随着全世界越来越多的研究学者和工程师的努力，有限元法分析已经变得成熟和可靠，他们通过计算机所进行的大量的模拟科学研究，获得了大量宝贵的资料和成果。
由于传统的研究方法难以定量分析切削机理，一旦面对高速、超精密切削加工等工艺，实验的方法便很难获得所需的相关参数，反而虚拟制造技术能够缩短开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。
对切削过程进行虚拟仿真，研究金属切削变形等物理现象的影响因素，可以帮助合理选择参数工艺中的切削速度，背吃刀量及进给量;对刀具几何结构（前角，后角等）进行优化设计，进而可以采取措施减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。
所以，采用计算机模拟技术研究切削过程中的金属变形及其温度分布等是目前最有发展前景的研究方法之一。
通过阅读文献了解相关研究背景和国内外研究现状，我对于应用有限元法模拟切削过程有了更清楚的认识，本课题能够全面地考量我在本科阶段的分析动手能力、对于新理论的应用学习能力以及对于问题的探索研究能力，能够完成本课题将是对我整个本科阶段的最佳总结。
1.4本课题研究的主要工作
有限元法（finiteelementmethod）是一种高效能，常用的计算方法。
有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。
自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的咖辽金法或最小二乘法同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的而各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值有联系。
边界元法是一种及有限元法之后发展起来的一种新数字方法与有限元法在连续区域内划分单元的基本思想不同边界元法只是在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件。
与有限元相比具有单元个数少，数据准备简单等优点。
采用大型有限元分析软件deform-3d对普通麻花钻的钻削力进行仿真研究。
Deform-3d是SFTC公司开发的基于有限元分析的工艺仿真软件，针对复杂的金属成型过程，能够分析各种成型、热处理工艺，对加工过程中因工件材料、刀具材料的剪切变形、切削温度内应力等因素进行分析，是正确选择刀具材料、刀具角度和切削用量以及进行材料加工性分析的依据。
研究方法
利用cad软件建立参数化麻花钻三维模型
建立麻花钻的数学模型，对麻花钻的钻削过程受力进行理论分析
在ansys下对刀具进行强度分析，获得应变和应力分布图
对麻花钻进行模态分析，得到各个模态下的振型图
在deform-3d软件下进行钻削过程的模拟仿真
2麻花钻切削理论基础
2.1麻花钻应用到的理论基础
2.1.1麻花钻的组成
麻花钻是孔加工过程中应用最广泛的一种工具，即可在实心材料上钻孔，也可将已有孔进行扩大。
可加工孔径的范围为0.1-80mm。
麻花钻的结构
刀体：
刀体是麻花钻的主要部分，它又分为切削部分和导向部分。
切削部分担负主要切削工作，导向部分在工作时起导向的作用。
随着麻花钻的刃磨变短，导向部分也是切削部分的准备部分。
颈部：
是刀体和刀柄的连接部分，又是钻头打标记的地方。
刀柄：
用于装夹钻头和传递动力。
直径小的钻头为直柄。
为了减小麻花钻与孔壁的摩擦，导向部分做有两条窄的刃带，且外径磨有倒锥量，即外径从切削部分向刀柄逐渐减少。
麻花钻的两个刀齿靠钻心连接，因而两个主切削刃不通过钻心，而相互距离一个钻心直径。
为了增大钻头的强度，把钻心做成正椎体，钻心从切削部分向刀柄逐渐增大，其增大量每100mm长度为1.4-1.8mm。
如图。
2.1所示。
图2.1麻花钻的结构
2.1.2麻花钻的角度
钻头实际上相当于正反安装的两把内孔车刀的组合刀具，只是这两把内孔车刀的主切削刃高于工件中心（因为有钻心而形成横刃的缘故，钻心半径为 ）
端面刃倾角
为方便起见，钻头的刃倾角通常在端平面内表示。
钻头主切削刃上某点的端面刃倾角是主切削刃在端平面的投影与该点基面之间的夹角。
如图2.2所示，其值总是负的。
且主切削刃上各点的端面刃倾角是变化的，愈靠近钻头中心端面刃倾角的绝对值愈大。
如图2.2所示
主偏角
麻花钻主切削刃上某点的主偏角是该点基面上主切削刃的投影与钻头进给方向之间的夹角。
由于主切削刃上各点的基面不同，各点的主偏角也随之改变。
主切削刃上各点的主偏角是变化的，外缘处大，钻心处小。
图2.2麻花钻的主要角度
前角
麻花钻的前角 是正交平面内前刀面与基面间的夹角。
由于主切削刃上各点的基面不同，所以主切削刃上各点的前角也是变化的，如图2.2所示。
前角的值从外缘到钻心附近大约由+30°减小到-30°，其切削条件很差。
后角
切削刃上任一点的后角 ，是该点的切削平面与后刀面之间的夹角。
钻头后角不在主剖面内度量，而是在假定工作平面（进给剖面）内度量（见图7－36a）。
在钻削过程中，实际起作用的是这个后角，同时测量也方便。
钻头的后角是刃磨得到的，刃磨时要注意使其外缘处磨得小些（约8°~10°），靠近钻心处要磨得大些（约20°~30°）。
这样刃磨的原因，是可以使后角与主切削刃前角的变化相适应，使各点的楔角大致相等，从而达到其锋利程度、强度、耐用度相对平衡；其次能弥补由于钻头的轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少一个该点的合成速度角μ（见图2.2中f-f剖面）所产生的影响；此外还能改变横刃处的切削条件。
图2.3麻花钻的前刀面和后刀面
横刃斜角是在钻头的端面投影中，横刃与主切削刃之间的夹角。
它是刃磨钻头时自然形成的，锋角一定时，后角刃磨正确的标准麻花钻横刃斜角Ψ为47°~55°，而后角愈大则Ψ愈小，横刃的长度会增加。
2.1.3基面和切削平面
在分析麻花钻的几何角度时，首先必须弄清楚钻头的基面和切削平面。
基面：
切削刃上任一点的基面，是通过该点，且垂直于该点切削速度方向的平面，如图2.4a所示。
在钻削时，如果忽略进给运动，钻头就只有圆周运动，主切削刃上每一点都绕钻头轴线做圆周运动，它的速度方向就是该点所在圆的切线方向，如图2.4b中A点的切削速度 垂直于A点的半径方向，B点的切削速度 垂直于B点的半径方向。
不难看出，切削刃上任一点的基面就是通过该点并包含钻头轴线的平面。
由于切削刃上各点的切削速度方向不同，所以切削刃上各点的基面也就不同。
切削平面：
切削刃上任一点的切削平面是包含该点切削速度方向，而又切于该点加工表面的平面（图2.4a所示为钻头外缘刀尖A点的基面和切削平面）。
切削刃上各点的切削平面与基面在空间相互垂直，并且其位置是变化的。
图2.4麻花钻的切削平面
2.2钻削力的计算
在钻头的每个切削刃上都作用着三个力，如图2.5所示。
图2.5麻花钻受力示意图
包括横刃和主刃上的轴向力径向力，。
钻削力和扭矩
主切削刃
横刃
棱带
轴向力
40
57
3
扭矩
80
10
10
表2.1麻花钻受力分布
轴向力
F=（N）
切削功率
=2（W）
表2.2高速钢麻花钻切削力及功率计算公式
计算公式单位d（mm）；f（mm/r）;n（r/s）,r=0.75，d=20mm，n=320r/min,f=0.25mm/r
工件材料
钢
333.54
1.9
0.8
833.85
1
0.7
表2.3各主要参数
代入参数计算得F=6337N，按比例施加在横刃和主切削刃上。
本次设计主要分析钻头受轴向力的影响，所以磨檫力等不予考虑。
3麻花钻的建模
3.1Pro/ENGINEER
3.1.1Pro/ENGINEER的概述
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。
1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
进过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。
目前已经发布了Pro/ENGINEERWildFire6.0。
PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等功能。
Pro/ENGINEER还提供了全面集成紧密的产品开发环境。
是一款有设计到生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化。
基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。
3.2Pro/ENGINEER中麻花钻的三维建模
3.2.1创建毛坯
单击文件-新建命令，弹出新建对话框。
在其中选择零件和实体单选按钮，在名称文本框中输入zuantou，单击确定按钮，进入特征创建环境。
如图3.1
图3.1创建环境选择
创建拉伸特征。
在工具栏单击拉伸按钮，弹出拉伸操控面板，在操控面板内单击放置按钮，然后但单击定义，弹出草绘对话框。
定义草绘平面，如图所示，单击草绘按钮，进入草绘环境。
如图3.2
图3.2草绘平面选取
单击圆心和圆点按钮，绘制直径为20mm的圆，作为拉伸截面，如图3.3所示。
图3.3拉伸截面
单击确定按钮，在操控面板内输入深度值为238，单击确定按钮完成。
如图3.4
图3.4拉伸圆柱
单击倒圆角按钮，选取靠近top面的边界线，在操控面板内定义如图
图3.5TOP面的选取
图3.6刀柄倒角
3.2.2创建螺旋槽
创建螺旋线，单击编辑-包络命令，单击操控面板内的定义按钮，选择草绘平面。
如图3.7
图3.7草绘平面的选取
设置包络的圆点，绘制图形如图3.8所示
图3.8包络原点的放置
单击确定按钮，绘制的包络曲线如图3.9所示。
图3.9包络曲线
单击可变剖面扫描，设置操控面板如图3.10所示
图3.10螺旋槽特征选取
绘制扫描截面如图3.11所示
图3.11扫描截面
单击确定按钮，去除材料，效果如图3.12所示。
图3.12单一螺旋槽的创建
选择可变扫描特征，单击编辑-阵列，选择中心轴为旋转轴，阵列个数为2，角度为180，单击确定，结果如图3.13所示。
图3.13双螺旋槽的创建
3.2.3创建横刃
单击曲线按钮-经过点-确定-选择点-确定，得到横刃曲线如图3.14所示。
图3.14横刃曲线段选取
单击平面按钮，已top面为基准，穿件dtm1基准面，如图3.15所示，便宜距离为5.8.
图3.15dTM1面的创建
单击草绘按钮，已DTM1面为草绘平面，选择呢草绘命令，参照选择两个端点，绘制圆弧。
如图3.16所示。
图3.16圆弧的绘制
.单击边界混合按钮，选择一圆弧和横刃直线，单击确定，如图3.17所示。
图3.17单边混合
选择编辑命令，实体化，如图3.18所示。
图3.18单边实体化
对另外一边用同样的方法进行实体化，如图3.19所示。
图3.19横刃的创建
对横刃进行修改，螺旋槽收尾，完成结果如图3.20所示。
图3.20麻花钻
4有限元数值分析理论与ansys软件介绍
4.1有限元方法分析过程概述
有限元法的基本思想是：
把要分析的连续体离散化，即将连续体变换成为有限个单元所组成的组合体，这些单元体之间只是通过结点来连接和制约。
当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。
在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。
并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之问的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。
然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。
4.1.1连续体的离散化
首先应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。
常见的单元有：
杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。
其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。
4.1.2单元分析
建立各个单元的结点位移和结点力之问的关系式。
4.1.整体分析
3程组，揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。
4.2ANSYS软件介绍
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
4.2.1软件功能简介
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
4.2.2前处理模块PREP7
双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。
这个模块主要有两部分内容：
实体建模和网格划分。
实体建模
ANSYS程序提供了两种实体建模方法：
自顶向下与自底向上。
自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。
用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。
无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。
ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。
在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。
ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。
自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：
用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。
网格
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