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1、 陕西理工学院毕业设计论文 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 陕西理工学院毕业设计论文 TwistTwist drilldrill modelingmodeling andand thethe analysisanalysis ofof itsits intensionintension A Ab bs st tr ra ac ct t This art
2、ical introduced the 3D modeling method of twist drill and the analysis of twist drill when it behaves Finite element software for modal analysis Twist Deform software using process simulation work K Ke ey y W Wo or rd ds s twist drill ansys deform simulation 陕西理工学院毕业设计论文 I 目 录 目目 录录 I I 1 1 绪论绪论 1 1
3、 1 1 引言 1 1 2 研究背景与国内外研究现状 2 1 3 本课题的研究意义 3 1 4 本课题研究的主要工作 4 2 2 麻花钻切削理论基础麻花钻切削理论基础 6 6 2 1 麻花钻应用到的理论基础 6 2 1 1 麻花钻的组成 6 2 1 2 麻花钻的角度 7 2 1 3 基面和切削平面 9 2 2 钻削力的计算 9 3 3 麻花钻的建模麻花钻的建模 1111 3 1 PRO ENGINEER 11 3 1 1 Pro ENGINEER 的概述 11 3 2 1 创建毛坯 11 3 2 2 创建螺旋槽 15 3 2 3 创建横刃 19 4 4 有限元数值分析理论与有限元数值分析理论与
4、 ANSYSANSYS 软件介绍软件介绍 2424 陕西理工学院毕业设计论文 II 4 1 有限元方法分析过程概述 24 4 1 1 连续体的离散化 24 4 1 2 单元分析 24 4 2 ANSYS 软件介绍 24 4 2 1 软件功能简介 25 4 2 2 前处理模块 PREP7 25 4 2 3 求解模块 SOLUTION 26 4 3 静应力分析 27 4 3 1 麻花钻的静应力分析步骤 28 4 4 模态分析 35 4 4 1 模态分析 模态分析的定义和模态分析介绍 35 4 4 2 在 ANSYS 中有以下几种提取模态的方法 35 4 4 3 模态分析中的四个主要步骤 36 4
5、4 4 模态分析步骤 36 5 5 钻削过程的模拟仿真与钻削过程的模拟仿真与 DEFORM 3DDEFORM 3D 软件介绍软件介绍 4646 5 1DEFORM 3D软件介绍 46 5 1 1 deform 3d 软件简介 46 5 1 2deform 3d 的操作流程 46 5 2 钻削过程仿真 49 致致 谢谢 6060 参考文献参考文献 6161 陕西理工学院毕业设计论文 III 外文文献译文外文文献译文 6262 陕西理工学院毕业设计论文 第 1 页 共 66 页 1 绪论 1 11 1 引言引言 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
6、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
7、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 陕西理工学院毕业设计论文 第 2 页 共 66 页 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
8、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 21 2 研究背景与国内外研究现状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
9、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 陕西理工学院毕业设计论文 第 3 页 共 66 页 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
10、 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 The Finite Element Method in Plane Stress Analysis 中最先引入了有限元 Fini
11、te Element 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 陕西理工学院毕业设计论文 第 4 页 共 66 页 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
12、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 2
13、009 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 陕西理工学院毕业设计论文 第 5 页 共 66 页 如包含斜刃切削的车削 刨削 铣削 钻削等切削加工情况 1 31 3 本课题的研究意义本课题的研
14、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
15、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 41 4 本课题研究的主要工作本课题研究的主要工作 有限元法 finite element method 是一种高效能 常用的计算方 陕西理工学院毕业设计论文 第 6 页 共 66 页 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
16、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
