基于ansys钻头有限元分析文档格式.docx
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分析涡轮机
叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。
以上所有的这些都可归结为求解物
理问题的控制偏微分方程式，但在实际中这基本上是不可能的。
采用传统的力学方
法只能近似地反映其受力状况以及变形情况，远不能满足对其进行进一步分析的需
要。
近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，
FiniteElementAnalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的
途径，是研究其可靠性、寻求最佳结构设计方案的主要手段。
从“有限元”这个名
词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历
史，其理论和算法都已经R趋完善。
有限元分析是一种预测结构的偏移与其他应力
影响的过程，由于有限元法的一个独特的优点是可以求解结构形状和边界条件都任
意变化的力学问题。
有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离
散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分
析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实
际工程中需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
随着计算机技术的普及和
计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，
已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所
有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、
汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等
各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，帮助用户解决了成千上万个工
程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。
目前流
行的分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、
MAGSOFT、cosMOs等。
其中ANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公
司之一的美国ANSYS公司开发，是集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于
一体的大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CADI具之一。
当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用
CAD软件完成零件和部件的设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元
网格划分并进行有限元分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新在CAD
软件中进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平以及效掣。
为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开
发了和著名的CAD软件（例如Pro／ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、
SoildWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）相应的接口。
有些CAE软件为了实
现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了
基于Parasolid内核的实体建模技术。
能和以Parasolid为核心的CAD软件（如
Unigraphics、SolidEdgv、SolidWorks、Pro／I／）实现真正无缝的双向数据交换。
因
此ANSYS也能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro／Engineer,
NASTRAN，Alogor,I--DEAS，AutoCAD等，并且已成为现代产品设计中的高级
CAD工具之一。
通过与CAD软件的无缝连接及集成使用，即在用CAD软件完成零件和部件的
结构设计后，以有限元分析软件为平台，通过建立产品的有限元分析模型，进行有
关的分析计算，并根据分析结果对产品进行优化设计。
因此在设计阶段较精确的预
测出产品的各项工程技术性能指标，如果分析的结果不符合设计要求，则重新进行
设计和分析计算，直到满意为止。
从而提高设计水平和效率，降低产品的成本。
就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。
通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复
杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增加了企业的市场竞争力。
计算算机数值模
拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中已经普遍应用。
现代工业加工中广泛使用的麻花钻（俗称钻头）．是一种形状较为复杂的实工件
孔加工刀具，诞生于一百多年前。
现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。
据
统计，孔加工是金属切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工工序的
33％，各国钻头的产量占刀具总产量的60％，我国每年生产钻头用的高速钢消耗量
约占刀具生产中高速钢消耗总量的70％。
可见在机械加工中孔加工占有多么重要的
地位，尤其是航空、航天、汽车、电子和计算机等行业，孔加工更显示出其得天独
厚的重要地位。
尽管钻头的使用如此广泛，但众所周知，钻削加工也是最复杂的
机械加工方法之一。
正因为如此，人们一直致力于钻头的改进和钻削过程的研究[。
尤其是随着有限元分析软件的不断开发和在实际工程中的广泛应用，为钻头进行科学分析和结构设计提供了良好的平台，也使钻头的研究跃上了新的台阶。
本课题的研究对象是由某厂提供的手持式汽油钻关键零件钻头的有限元分析，
该汽油钻由于其重量较轻、使用简单方便、汽油驱动、且便于携带，除金属切削加
工外，已广泛应用于野外探险、矿物的开采、北极科考队的钻削取冰等，并且应用
范围越来越广。
但钻头的频繁损坏是使用过程中的关键问题。
该汽油钻主要特点大
致如下：
（I）动力足、根据油门大小转速可调，转速分别为500‰jn，420名in，
900名in，有减速离合器；
（2）重量较适中，总重16公斤，携带方便；
（3）使用20：
l（汽油：
机油）的混合油，一壶油可以连续使用1．5小时，动力
来源方便：
（4）油箱容积为1．1L，汽油机功率为1．25千瓦。
钻杆转速可调。
可供双刀头
的钻杆。
（5）用于金属钻孔时其最大钻孔直径为．#14其刀柄长度系列有50m，74mm。
本课题研究对象汽油钻的外形如图1．1所示：
综上所述，在老师的指导下以及结合当前的钻头的实际应用情况，本文利用
CAD／CAE集成的方法，以Pro／E、ANSYS等软件为平台，力争从静态、动态以及
热应力等方面对钻头进行较全面的有限元分析，并根据分析结果对钻头进行优化设
计。
1．2钻头的研究历史和现状
1．2．1研究的主要领域和技术问题
人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代，即从可以看作最原始的钻头
的燧入氏“钻木取火”所使用的石钻，到现在被广泛应用于现代工业加工中麻花
钻，期间人们一直致力于钻头结构的改进和钻削过程的研究，但传统的设计方法无
法对钻头刀具进行精确的强度、刚度及应力分析。
近几十年来，人们关于钻头和钻
削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中在以下五个方面：
（1）钻头数学模型和几何设计研究：
包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数
学模型的建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度（分布）的计算与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研
究。
（2）钻头制造方法研究：
包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建
立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工
工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的开发等。
（3）钻削过程与钻削质量研究：
包括影响钻削过程的各种因素及出现的各种
物理现象的分析、建模与监控（如钻削力、切削刃应力和温度分布的测量、建模和
预报）；
钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究；
钻头的变形、偏斜、入钻时的打
滑和钻尖摆动现象的研究；
钻削工艺（如振动钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削过
程的稳定性等）与钻削质量（孔的位置精度、直线度、表面粗糙度、圆柱度、直
径，孔口毛刺等）的研究。
（4）钻削机理与各种高性能钻头（如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔
钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等）
的研究。
（5）钻削过程模型验证和钻头性能评估过程的自动化，切削条件及钻头形状
选用数据库和知识库的建立等。
目前，最具活力的研究领域是钻头数学模型，几何设计和制造方法（设备）的
研究，钻削过程建模与钻削质量的研究等，本文就针对钻头的几何结构设计以及优
化钻削过程的切削力、切削热导致应力应变的状况进行研究，为钻头的设计和优化
提供参考依据。
1．2．2钻头数学模型与几何设计研究
1．2．2．1钻头的数学模型
建立钻头的数学模型是对钻头进行几何设计、制造、’切削性能分析和对钻削过
程进行建模的基础。
1957年，Galloway第一个推导出了普通麻花钻钻尖的数学模
型，他分析了麻花钻主刃附近的几何形状，给出了后角的定义和测量方法，推导
了钻沟螺旋角的方程和主刃前后角公式，但所给出横刃斜角不是独立变量，后刀面形状不能唯一。
1970年，S．Fuji，M．F．Oevrics，和S．M．wu采用割平面法将钻尖后
刀面的三维空间曲面化为二维研究，重新给出了横刃斜角的定义。
1978年，
W．D．Tsai和S．M．Wu将钻尖后刀面的三种形式锥面、椭球面、双曲面统一成二次曲
面的标准方程，并给出几何参数的计算公式，但并没有提出其刃磨方法，而钻尖
数学模型的建立是与其刃磨方法分不开的。
两年后，EJ．A．Armarego指出锥面、平
面和圆柱面中以锥面后刀面为最佳[61。
1983年，南非S。
Kaldor，K，Moore，
T．Hodgson采用给定磨削参数范围用穷举法求解钻尖后刀面的方程17J，这种方法费
时，因而不可能应用于实际刃磨过程的计算。
1985年，湖南大学的林丞和曹正拴采用最优化方法在计算机上快速求解刃磨参数，从而为实现数控机床直接刃磨出任
意指定钻头结构参数的钻尖奠定了基础。
1986年林丞，曹J下拴进一步指出锥面后
刀面上尾隙角是后刀面的最佳补充几何参数。
1990年林丞，曹J下拴建立了群钻数
学模型与机床坐标系的关裂旧J，从而在数控机床上第一次实现了群钻的自动刃磨。
1991年，曹正拴、龙腾辉用横刃前角作为补充参数，建立了螺旋面钻尖的数学模
型，从而进一步简化了机床结构Il“。
1994年，湖南大学胡思节建立了双边非对称
分屑槽群钻的数学模型，为其实现在数控机床上的刃磨奠定了理论基础。
1999
年湖南大学周志雄、袁建军、林承建立了非共轴螺旋面钻尖的数学模型，并得到了
给定刃磨参数下钻尖的计算机仿真结剁”J．
1．2．2．2钻头的结构优化
由于广泛使用的锥面麻花钻的切削性能并不理想，人们一直致力于对其结构
（参数）和刃磨方法进行改进，先后提出了200多种互不相同的钻头形状，以改善
其切削性能。
其中，shiH．M等人提出了通过改变主刃走向控制主刃前角分布的方
法，并于1990年开发出使钻头主刃上各点前角均达到可能的最大值的曲线刃麻花
钻。
1987年，LeeSJ在考虑钻头偏斜的条件下，以消除钻削过程中钻尖的摆动现
象为目标，提出了对钻头结构进行优化设计的方法。
1995年，SeivamheS．V和
SujathaC在研究麻花钻的变形时，用有限元方法对钻头几何形状进行了优化，得出
的使钻头变形最小的结构参数优化值（钻头直径25ram）为：
螺旋角39．776。
，横
刃斜角=54。
～80。
，锋角120。
051。
1997年，ChertW．C提出了～种特殊截形的
厚钻芯麻花钻，既具有足够的扭转刚度，又具有合理的主刃和横刃前角分布。
2005年，PaulA等人为确保优化钻头的可加工性，提出了一种基于刃磨参数的新钻尖模型，并用它对锥面钻尖、Ra∞n钻尖和螺旋面钻尖进行了优化，以使其切削
力达到最小。
1．2．2．3螺旋沟槽截形和加工工具截形的计算
有关螺旋槽加工的数学模型有两个基本问题：
第一类问题是给定刀具轴向截
形求解所获得的螺旋槽径向截形，称为正问题；
第二类问题是根据所需的螺旋槽径
向截形求解刀具的轴向截形，称为反问题。
近来发展起来了两类截然不同的螺旋槽加工CAD方法。
1973年，Friedman和
Merster提出一种适用于盘状刀具加工情形的CAD方法I⋯。
该方法是将盘状刀具看成由许许多多极薄的、半径各异（由刀具廓形决定）的刀片组成。
这种方法同样用
到了图解法，即将加工出的螺旋槽截形看成是无数刀具廓形的包络线。
八十年代中
期，发展起了另一种螺旋槽加工CAD方法。
这种方法建立起了刀具表面和所加工
出的螺旋槽表面接触曲线的数学模型。
1990年，Ehmann提出了根据螺旋槽截形求
解刀具廓形的一种解析解法刚。
1990年，Sheth和Malkin共同研究了正问题和反问题。
他们还分析了与加工参数（如切深、进给量、接触弧长等等）有关的一些动
态特性。
1992年，Vomganti等人提出了在J下问题中，刀具几何形状与所得螺旋槽
形状相互共扼的假想胆。
所有这些方法在原理上讲都与接触曲线的数学模型研究方
法相同。
以上的这些研究成果为钻头螺旋槽加工CAD系统的开发提供了理论依据。
1．2．2．4关于群钻与微型钻头的研究
1982年，ShenJ等人建立了群钻的第一个数学模型。
利用该模型，人们可以多
次重复地磨制群钻。
1984年，ChenL和WuSM对9种典型群钻进行了研究，改
进了群钻的数学模型，为群钻的计算机辅助设计提供了可能。
1985年，HsiaoC和
WuSM提出了用计算机对群钻进行辅助优化设计的具体方法。
1987年，FIlllKH
提出了一种利用综合二次曲面模型和有限元方法设计和分析群钻的方法。
LiangEJ
则提出了一个基于知识库技术的群钻刃磨C燃AM集成系统。
1991年，LiuTI
采用一种两阶段策略设计和优化了一种加工机轴注油孔用群钻。
1994年，HuangH
T等人推导了群钻切削刃的工作法后角和法前角的公式，提出了考虑内刃和圆弧刃
之间过渡区的群钻精确几何模型。
2001年，WangGC等人应用一种倾斜立
体块方法，建立了群钻新的数学模型。
解决了已有模型存在的横刃几何形状不确定
的问题，保证了所设计群钻的可加工性。
1992年开始，LirI
C、KangSK、EhmaanKF和C11IyahHC等人组成的研究小
组对微型钻头进行了系统研究。
1992年，他们建立了平面微型钻尖的数学模型，
提出了相应的刃磨方法1271。
1993年，他们又提出了螺旋面微型钻尖的数学模型和
刃磨方法，并发现螺旋面微型钻尖在几何方面和切削性能方面均优于常用的平面微
型钻尖。
1997年，他们指出：
螺旋面微型钻尖与平面微型钻尖相比，具有两个
方面的优点：
①在同样的工作切削角度分布条件下。
可以允许更大的进给量。
②刃
磨方法更简单，且不易受刃磨误差的影响。
2002年，他们制造出加工微孔用曲线
刃形螺旋后刀面系列钻尖。
1．2．3钻削力建模的研究
1．2．3．1钻削力建模的历史
在过去的几十年中。
人们报道了许多预报钻削力的方法，其中绝大部分是用于
标准麻花钻的。
由于缺乏先进的计算机和测量设备，早期的研究主要集中在建立简
单的经验性扭矩和轴向力模型上，模型参数就是钻头的几何参数（如钻头直径）和切削用量，建模方法是通过大量的切削实验，用统计方法拟合出钻削力的经验公
式。
用分析方法建立的钻削力模型是随着人们对切RⅡ过程认识的深入而逐步出现
的。
1955年，Oxford用显微照片记录下钻头主刃和横刃的切屑变形过程，并通过
实验发现：
钻削过程中，在钻尖上存在三个主要的切削区域，即主刃切削区、第二
切削刃（横刃）切削区和钻芯附近的刻划区。
稍后，ShawMC和OxfordCJJr证
明了横刃在钻削加工中的重要性，因为它产生了50％～60％的轴向力。
1966年，
CookNH提出了一个用半分析法推导钻削力公式的方法。
ShawMC（1962、1984年）
在对切屑变形机理进行深入研究的基础上，提出了钻头主刃的切屑变形模型。
WilliamsAR（1974年）提出了一个基于单点刀具二维切削模型的钻头主刃切削力模
型，并确定了钻头刻划区的直径。
ArmaregoEJA（1972年）应用斜角切削理论，提
出了平面钻尖切削力预报模型。
WiriyaeosolS（1979年）等人根据切屑变形的薄剪切
区（剪切平面）理论，将钻头主刃和横刃看作一系列与切削条件有关的单元斜角或
直角切削刀具的组合，通过累加这些单元刀具的切削力来预报钻削力，即单元刀具
线性综合法。
在剪切平面理论的基础上，Oxk!
yCJJ（1959、1962年）、ArmaregoE
JA（1972、1979年）和WastonAR（1985年）分别建立了不同的钻削力模型；
StepemonDA（1988、1989年）提出了计算钻削力的数学方法圈。
1．2．3．2钻削力建模的发展
对于钻削力建模的研究是随着人们对各种新型钻头和钻削工艺的开发而不断深
入的。
WIlsM等人在建立群钻切削力模型方面做了大量工作。
其中，LeeS
W（1986年）和FuhKH（1987年）以工作切削角度为准，对主切削刃使用斜角切削模
型，对第二切削刃使用直角切削模型，建立了群钻的切削力模型；
HuangHT
（1992年）等人提出了一个用普通麻花钻的力学模型预报群钻轴向力和扭矩的方
法。
AnnaregoEJA和ZhaoH（1996年）建立了薄钻芯标准麻花钻、薄钻芯多沟槽钻
和圆弧中心刃麻花钻切削力预报模型。
BhatnagarY（2004年）等人研究了用4种不同
的钻尖钻削各向异性纤维补强复合材料时工件的非预期损坏，建立了钻削轴向力和
扭矩的模型。
SahuSK（2004年）等人提出了带断屑槽锥面麻花钻的切削力预报模
型，该模型用具有四种不同断屑槽的钻头进行标定，可适用于具有任意断屑槽形状
的钻头。
ElhaehimiM（1999年）综合应用直角和斜角切削模型建立了高速切削钻头
的切削力模型，在转速为4000～18000r／min、进给量为O。
12～O．36mm／r时，实验结
果与模型预报值一致。
WangLP（1998年）等人提出通过对组成主刃和横刃的单元刀
具的振动分析得到整个钻头的动态力学特性，并据此建立了振动钻削过程中动态轴
向力和扭矩的预报模型刚。
随着研究的不断深入，研究人员发现。
由于结构的差异，过去已经建立的力
学模型不能适用于新的钻型。
为此，StepensonDA（1992年）采用一个用大量车削实
验标定的单元刀具斜角切削力模型，建立了用任意刃形硬质合金或镶嵌硬质合金钻
头钻削灰铸铁时的主刃扭矩、轴向力和径向力预报模型。
LinGC（1982年）和
WatsonA取1985年）指出，对钻削扭矩和轴向力的低估是由于排屑干涉，这一发现
最终导致了单元刀具非线性综合法的产生，也使用分析方法建立复杂刃形钻头的切
削力模型成为可能。
WangJL（1994年）研究了切削过程中的排屑干涉，应用单元刀
具非线性综合法，建立了基于经验性单元刀具斜角切削力模型的任意刃形钻头的切
削力模型脚。
除了钻头的基本几何形状以外，钻削过程中的许多因素都会对钻削力产生影
响。
1996年，ChandrasekharanV等人考虑了钻头的制造和刃磨误差如两主刃的等
高性、半径误差、轴向偏斜等的影响，建立了锥面钻头完整的三维切削力模型，随
后又将其拓展到预报任意形状钻尖钻头（如群钻）的切削力。
SriramR在考虑了钻
头刃磨和安装误差对钻削力影响的条件下，建立了预报钻削径向力的模型。
2001
年，GongYP和EhmannK建立了一个综合考虑到钻头几何特性、刃磨和安装误差
以及钻头偏斜对主刃和横刃动态切削厚度和切削面积影响的微孔钻头轴向力、扭矩
和径向力模型．。
1．2．3．3钻削力建模方法
随着科技的进步，建立预报钻削力模型的方法也在不断发展。
1997年，Islam
AU和LiuMC提出了用人工神经网络预报群钻轴向力和扭矩的方法。
2001年
KawajiS等人也提出了一种用神经网络模型估计和控制钻削轴向力的方法：
①离
线构建一个轴向力神经网络模型；
②以该模型为基础，通过在线最小二乘法训练，
建立一个模拟神经控制器；
③将经过训练的神经控制器应用于钻削系统，得到轴向
力。
1999年，ChertY应用有限元方法分析具有刃口圆弧半径刀具的斜角切削过
程，建立了一个用有限次任意刃形钻头标定的任意刃形钻头钻削力模型。
2004
年，StrenkowskiJS等人用一个欧拉有限单元模型模拟组成切削刃的单元刀具的切
削力，提出了用有限元技术预报麻花钻轴向力和扭矩的方法。
2002年，YangJA
等人提出了一种用I-DEASCAE软件系统实现的钻削过程仿真模型，可以预报动态
钻削力。
1．2．4研究发展趋势
（1）钻削过程建模成为研究热点
影响钻削过程的各种因素，包括钻头几何结构、制造和安装误差、物理特性
（静态和动态特性）、切削条件、环境温度、工件尺寸和材料等都将逐步纳入建模
研究的范围，各种钻型、切削条件和钻削工艺有关的钻削力、钻削温度、钻头磨损
与寿命、切屑变形与排出、钻削质量、钻削效率和钻削成本等都将成为钻削过程建
模的对象，建模方法将更加多元化，模型预报的准确性将进一步提高，钻削模型将
不仅用于仿真和预报，而且将更多地用于指导钻头设计、制造和钻削过程的优化与
监控。
（2）钻头的几何设计和制造方法仍将是研究的重点
适合于加工各种材料和加工条件的新钻型将继续涌现，适用于微机械制造和印
刷电路板制造的微型钻头的研究将走向深入。
钻头制造方法的研究将
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