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基于有限元的细微切削钻头强度分析

发布于:2018-03-02 21:46
有限元分析

杭州微强科技有限公司 www.wqaduer.com        在干式切削加工中经常用到微型钻头,由于微型钻头的直径小、强度低、刚性差,再加上操作者使用不尽合理,导致钻头的寿命短、孔精度差。本文结合实际生产经验简略介绍微型钻头在切削过程中的发生损坏的力学原因,为此类钻头的设计和使用提供依据。钻头每一侧切削力都会产生切向、径向与轴向抗力,当左、右切削力对称时,径向抗力可相互抵消,最终构成对钻头的扭转反力矩与轴向推力。如图所示。在正常的生产条件下,钻头损坏的原因是扭矩过高、进给量过大、初始接触点偏移等。对于小钻头而言,工程中预测钻头扭矩的公式为:影响扭矩和轴向推力的因素包括钻头的几何形状、钻削条件和工件材料,对普通麻花钻,按下述公式可估算出钻削条件对扭矩和轴向推力的影响。由公式0.8钻头的扭断强度应为4.36N。由于0.1mm/转的进给量产生的扭矩超过该值见公式,因此不能以这样高的进给量钻削。然而,在实际应用中,在上述条件下所普遍采用的送进量高达0.18mm/r,所以产生断裂在所难免。
       利用杭州微强科技有限公司软件建模时,首先需要根据钻头几何轮廓线方程选取钻头上的某些特定节点它们将成为模型中的部分节点,这些节点必须能充分反映钻头的几何特征,从而可通过所建模型将钻头完整、准确地描述出来。选取节点时还应考虑钻头的对称性,以尽量减少数据输入量,如图所示。采用有限元方法构建其模型后可以更真实地反映刀具形状及特点,能更精确地分析切削过程中最大应力点在钻头冠部切削齿处。
       经验上说小直径钻头的强度、刚度在很大程度上取决于钻芯的直径、螺旋沟槽与钻背宽度的比值。通常标准钻头的钻芯直径d。应是钻头直径d的0.125-0.15倍。容屑槽宽度q与钻背宽度p的比值一般是1-1.3,经过网格的合理划分,得到的钻头在不同参数下的应力云图图略,说明了小直径钻头容屑槽的最佳参数比。对于小直径钻头来说,一般按以下数据来选定d>0.3d,q/p=1/2。对于公式是按钻芯厚度为钻头直径18%的标准高速钢钻头导出的,但由于小直径钻头的强度、刚性在很大程度上取决于钻芯的直径。通常标准钻头的钻芯直径d。应超过钻头直径d的0.15-0.4倍。所以许多标准小孔麻花钻的钻芯与直径之比取为32070,扭矩强度大致正比于钻芯直径的立方。
       公式较适合于小孔钻头。低转速和螺旋角一样,对扭矩有影响。通常增大螺旋角,能获得较大的前角,使切削轻快,容易排屑,切削变形所需要的能量就小,相应地降低了切削温度。但是对于小直径钻头来说,增大螺旋角会减小端截面的面积,影响钻头强度,容易引起钻头振动和崩刃现象。例如采用30。以外的螺旋角时,其扭矩和轴向推力的增量为:于是当螺旋角为零度时,扭矩增大60070,轴向推力增大75070。对于小直径钻头的螺旋角一般取15-20,这些在钻头的应力云图上均能显现出来。公式刀租8)提供了只考虑极限扭矩时许可钻削条件的一些基本概念。
       为了获得满意的钻削效果,制造过程中应注意:(1)钻头的尺寸精度对孔径的影响是很显然的。如果超差,那么所加工的孔必然超差。工艺中可经过粗、精磨或镜面磨削,保证磨削出的钻头直径在中差左右,且表面粗糙度较低。(2)保证位置精度,工作部分即使保证了尺寸精度,在使用时仍将有可能由于对基准轴线同轴度超差导致孔径偏大,攻丝后使用时螺纹接触高度不够,导致螺纹联接失效。(3)切削刃对基准轴线的斜向跳动。如果钻头两主切削刃与基准轴线间的夹角不等或两主切削刃沿基准轴线方向高度不等,则两主切削刃的切深不等,它将使径向切削力不平衡造成孔的扩张,且容易偏斜。


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