基于Pro/E与ANSYS的麻花钻模态分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中北大学机械工程与自动化学院 作者:张利新

  麻花钻是孔加工中的重要工具之一,它本身的固有属性影响着孔加工的质量和加工效率。利用Pro/E三维造型软件建立麻花钻三维模型,基于切削和振动理论,利用ANSYS中的动力分析技术对钻头整体做模态分析,得出了麻花钻的前五阶固有频率。根据钻头的振型图中的最大位移量,通过分析研究,从理论上论证了钻头的固有频率对孔加工质量的影响,从而为钻头设计中改变材质和尺寸以及加工中选择合适钻头等提供了一定的理论依据,提高加工质量。

1、引言

  孔加工在金属切削加工中占有重要地位,一般约占机械加工量的1/3。随着机械行业的发展,对孔的加工工艺及精度要求越来越高,迫切需要对钻削加工技术做进一步研究。而在孔加工中,麻花钻是最有代表性的加工工具。目前,学者针对麻花钻所做的研究主要集中在切削部分几何参数对加工性能的影响,钻头的磨损机理等等,而针对由于麻花钻本身固有属性对成形工件加工质量产生的影响研究较少。在参与了本深孔加工中心生产的某弹翼接头的过程中,发现所钻的孔的圆度变化很大以及刃带磨损严重,如图1 所示。

基于Pro/E与ANSYS的麻花钻模态分析

图1 椭圆孔及刃带磨损

  初步分析可能由于钻头本身产生的振动所导致。针对此问题,利用Pro/E 进行了麻花钻的三维建模,通过ANSYS 中的动力学分析技术对麻花钻做了模态分析,对麻花钻的固有属性进行了深入研究,为麻花钻的设计及选择提供了理论依据,可避免传统设计的诸多缺陷。

2、麻花钻的建模

  为了简化模型,麻花钻的主要特征参数是直径d、顶角2准、横刃角度ψ、螺旋角ω、后角αp、钻心厚度和棱边宽度。横刃斜角ψ 和后角αp 的建模是最困难的,是钻削仿真正确建模的重要特征。随着CAD/CAM 技术的发展,人们开始用三维造型软件对麻花钻进行结构设计和三维建模。在目前的三维造型软件中,Pro/E占有重要的地位。建模使用Pro/E5.0 版本,以Φ20mm 直柄麻花钻为例,其建模过程如下。

  2.1、创建毛坯

  新建文件,进入特征创建环境。定义草绘平面,绘制直径为20mm 的圆,作为拉伸截面,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。再进行刀柄倒角,毛坯图形,如图2 所示。

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图2 毛坯图

  2.2、创建螺旋槽

  创建螺旋线,首先绘制包络曲线。接着绘制扫描截面,单击确定按钮,去除材料,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所示。

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图3 双螺旋槽的创建

  2.3、创建横刃

  单击曲线按钮,选取两端点,得到横刃曲线。单击平面按钮,以top 面为基准,创建DTM1 基准面,偏移距离为5.8。单击草绘按钮,以DTM1 面为草绘平面,选择草绘命令,参照选择两个端点,绘制圆弧。单击边界混合按钮,选择一圆弧和横刃直线,单击确定。选择编辑命令,实体化。对另外一边用同样的方法进行实体化。对横刃进行修改,螺旋槽收尾,完成结果,如图4 所示。

基于Pro/E与ANSYS的麻花钻模态分析

图4 麻花钻

5、结束语

  (1)由于在实际工作时,会在钻头上面安装其他夹具等,这些会对模态分析产生不同的影响,但是通过本次模态分析,初步判断麻花钻本身的固有属性会对钻孔产生影响,为麻花钻的设计和选用提供了理论参考。

  (2)结合实际生产加工对钻头整体的模态分析,可以判断麻花钻在钻孔过程中产生了轻微的弯曲变形或者头部偏离中心线,从而导致了所钻的孔呈带圆角的三角形。要想改善加工质量,一方面增加钻头的刚度;另一方面在高速钻削过程中,要考虑避免共振的产生。

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