【正文】 理想，而且模擬的能力僅局限于正交切削范圍，其它大部分的切削情況都不能模擬，如包含斜刃切削的車(chē)削、刨削、銑削、鉆削等切削加工情況。由于傳統(tǒng)的研究方法難以定量分析切削機(jī)理，一旦面對(duì)高速、超精密切削加工等工藝，實(shí)驗(yàn)的方法便很難獲得所需的相關(guān)參數(shù)，反而虛擬制造技術(shù)能夠縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)刀具幾何結(jié)構(gòu)(前角，后角等 )進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以采取措施減小切削力，提高金屬切除效率并改善加工表面質(zhì)量，優(yōu)化加工工藝等。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)了解相關(guān)研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我對(duì)于應(yīng)用有限元法模擬切削過(guò)程有了更清楚的認(rèn)識(shí)，本課題能夠全面地考量我在本科階段的分析動(dòng)手能力、對(duì)于新理論的應(yīng)用學(xué)習(xí)能力以及對(duì)于問(wèn)題的探索研究能力，能夠完成本課題將是對(duì)我整個(gè)本科階段的最佳總結(jié)。有限元法在早期是以變分原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，所以它廣泛應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類(lèi)物理場(chǎng)中。邊界元法 是一種及有限元法之后發(fā)展起來(lái)的一種新數(shù)字方法與有限元法在連續(xù)區(qū)域內(nèi)劃分單元的基本思想不同邊界元法只是在定義域的邊界上劃分單元，用滿(mǎn)足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件。采用大型有限元分析軟件 deform3d 對(duì)普通麻花鉆的鉆削力進(jìn)行仿真研究。 研究方法 利用 cad 軟件建立參數(shù)化麻花鉆三維模型建立麻花鉆的數(shù)學(xué)模型，對(duì)麻花鉆的鉆削過(guò)程受力進(jìn)行理論分析在 ansys 下對(duì)刀具進(jìn)行強(qiáng)度分析，獲得 應(yīng)變和應(yīng)力分布圖對(duì)麻花鉆進(jìn)行模態(tài)分析，得到各個(gè)模態(tài)下的振型圖在 deform3d 軟件下進(jìn)行鉆削過(guò)程的模擬仿真 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 6 頁(yè) 共 66 頁(yè)2 麻花鉆切削理論基礎(chǔ) 麻花鉆應(yīng)用到的理論基礎(chǔ) 麻花鉆的組成麻花鉆是孔加工過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的一種工具，即可在實(shí)心材料上鉆孔，也可將已有孔進(jìn)行擴(kuò)大。麻花鉆的結(jié)構(gòu)刀體：刀體是麻花鉆的主要部分，它又分為切削部分和導(dǎo)向部分。隨著麻花鉆的刃磨變短，導(dǎo)向部分也是切削部分的準(zhǔn)備部分。刀柄：用于裝夾鉆頭和傳遞動(dòng)力。為了減小麻花鉆與孔壁的摩擦，導(dǎo)向部分做有兩條窄的刃帶，且外徑磨有倒錐量，即外徑從切削部分向刀柄逐漸減少。為了增大鉆頭的強(qiáng)度，把鉆心做成正椎體，鉆心從切削部分向刀柄逐漸增大，其增大量每 100mm 長(zhǎng)度為 。 所示。鉆頭主切削刃上某點(diǎn)的端面刃傾角是主切削刃在端平面的投影與該點(diǎn)基面之間的夾角。且主切削刃上各點(diǎn)的端面刃傾角是變化的，愈靠近鉆頭中心端面刃傾角的絕對(duì)值愈大。由于主切削刃上各點(diǎn)的基面不同，各點(diǎn)的主偏角也隨之改變。圖 前角 麻花鉆的前角 是正交平面內(nèi)前刀面與基面間的夾角。前角的值從外緣到 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 8 頁(yè) 共 66 頁(yè)鉆心附近大約由+30176。其切削條件很差。鉆頭后角不在主剖面內(nèi)度量，而是在假定工作平面（進(jìn)給剖面）內(nèi)度量（見(jiàn)圖 7－36a） 。　　鉆頭的后角是刃磨得到的，刃磨時(shí)要注意使其外緣處磨得小些（約 8176。） ，靠近鉆心處要磨得大些（約 20176。） 。　橫刃斜角是在鉆頭的端面投影中，橫刃與主切削刃之間的夾角。~55176。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 9 頁(yè) 共 66 頁(yè) 基面和切削平面在分析麻花鉆的幾何角度時(shí)，首先必須弄清楚鉆頭的基面和切削平面。在鉆削時(shí)，如果忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鉆頭就只有圓周運(yùn)動(dòng)，主切削刃上每一點(diǎn)都繞鉆頭軸線(xiàn)做圓周運(yùn)動(dòng)，它的速度方向就是該點(diǎn)所在圓的切線(xiàn)方向，如圖 中 A 點(diǎn)的切削速度 垂直于 A 點(diǎn)的半徑方向， B 點(diǎn)的切削速度 垂直于 B 點(diǎn)的半徑方向。由于切削刃上各點(diǎn)的切削速度方向不同，所以切削刃上各點(diǎn)的基面也就不同。切削刃上各點(diǎn)的切削平面與基面在空間相互垂直，并且其位置是變化的。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 10 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 麻花鉆受力示意圖包括橫刃和主刃上的軸向力徑向力 ， 。n(r/s),r=，d=20mm ，n=320r/min,f=工件材料鋼 1 表 各主要參數(shù)代入?yún)?shù)計(jì)算得 F=6337N，按比例施加在橫刃和主切削刃上。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 11 頁(yè) 共 66 頁(yè)3 麻花鉆的建模 Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER的概述1985 年，PTC 公司成立于美國(guó)波士頓，開(kāi)始參數(shù)化建模 軟件的研究。進(jìn)過(guò) 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。PTC 的 系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能。是一款有設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化。 Pro/ENGINEER中麻花鉆的三維建模 創(chuàng)建毛坯單擊文件新建命令，彈出新建對(duì)話(huà)框。如圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 12 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 創(chuàng)建環(huán)境選擇創(chuàng)建拉伸特征。定義草繪平面，如圖所示，單擊草繪按鈕，進(jìn)入草繪環(huán)境。圖 拉伸截面單擊確定按鈕，在操控面板內(nèi)輸入深度值為 238，單擊確定按鈕完成。如圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 17 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 草繪平面的選取設(shè)置包絡(luò)的圓點(diǎn)，繪制圖形如圖 所示圖 包絡(luò)原點(diǎn)的放置單擊確定按鈕，繪制的包絡(luò)曲線(xiàn)如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 20 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 單一螺旋槽的創(chuàng)建選擇可變掃描特征，單擊編輯陣列，選擇中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，陣列個(gè)數(shù)為 2 ，角度為 180，單擊確定，結(jié)果如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 21 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 橫刃曲線(xiàn)段選取單擊平面按鈕，已 top 面為基準(zhǔn)，穿件 dtm1 基準(zhǔn)面，如圖 所示，便宜距離為.圖 面的創(chuàng)建 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 22 頁(yè) 共 66 頁(yè)單擊草繪按鈕，已 DTM1 面為草繪平面，選擇呢草繪命令，參照選擇兩個(gè)端點(diǎn)，繪制圓弧。圖 圓弧的繪制.單擊邊界混合按鈕，選擇一圓弧和橫刃直線(xiàn)，單擊確定，如圖 所示。圖 單邊實(shí)體化 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 24 頁(yè) 共 66 頁(yè)對(duì)另外一邊用同樣的方法進(jìn)行實(shí)體化，如圖 所示。圖 麻花鉆 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 25 頁(yè) 共 66 頁(yè)4 有限元數(shù)值分析理論與 ansys 軟件介紹 有限元方法分析過(guò)程概述有限元法的基本思想是：把要分析的連續(xù)體離散化，即將連續(xù)體變換成為有限個(gè)單元所組成的組合體，這些單元體之間只是通過(guò)結(jié)點(diǎn)來(lái)連接和制約。在有限元中，常以結(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場(chǎng)函數(shù)。常見(jiàn)的單元有：桿單元，梁?jiǎn)卧?，三角形單元，矩形單元，四邊形單元，曲邊四邊形單元，四面體單元，六面體單元以及曲面六面體單元等等。 單元分析 建立各個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力之問(wèn)的關(guān)系式。 ANSYS 軟件介紹 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 26 頁(yè) 共 66 頁(yè)析軟件。 軟件功能簡(jiǎn)介 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。軟件提供了 100 種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱(chēng)為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線(xiàn)及關(guān)鍵點(diǎn)。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶(hù)均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線(xiàn)、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀(guān)的建模工作量。 自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶(hù)首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線(xiàn)、面、體。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。映像網(wǎng)格劃分允許用戶(hù)將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶(hù)指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。 點(diǎn)擊快捷工具區(qū)的 SAVE_DB 將前處理模塊生成的模型存盤(pán)，退出 Preprocessor ，點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的 Solution ，進(jìn)入分析求解模塊。 ANSYS 軟件提供的分析類(lèi)型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析，而且也可以進(jìn)行非線(xiàn)性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 28 頁(yè) 共 66 頁(yè)結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。還可用于螺線(xiàn)管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。這種分析類(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。 Types 對(duì)話(huà)框?qū)⒊霈F(xiàn)。 “Solid” 。 ok。 指定材料性能 PreprocessorMaterial Props Material ModelsDefine Material Material Models Behavior。第二個(gè)對(duì)話(huà)框?qū)⒊霈F(xiàn) structural linearElasticIsotropic。 EX 為 。 OK。劃分網(wǎng)格 如圖 圖 網(wǎng)格屬性定義 1. PreprocessorMeshingMeshTool,彈出一對(duì)話(huà)框，下圖設(shè)置參數(shù)： 點(diǎn)擊“Mesh” 又彈出一選擇對(duì)話(huà)框。 加載約束，選擇“ALL DOF”點(diǎn)擊 OK ，如圖 所示。如圖 . 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 32 頁(yè) 共 66 頁(yè) 圖 橫刃上點(diǎn)的拾取 Y，方向 ,施加 3612N 的力。如圖 . 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第 33 頁(yè) 共 66 頁(yè)圖 主切削刃上點(diǎn)的拾取 Y 方向上施加 2535N 的力。 圖 載荷施加示意圖求解及其分析結(jié)果