新型复合可换钻头结构参数优化

赵星星，周利平，刘小莹，彭路贵，陈杨

1西华大学机械工程学院；2成都医学院；3成都锋宜精密工具制造有限公司

1 引言

在机械加工中，孔加工约占1/3，而其中钻削加工约占1/4[1，2]，近几年，由于成本控制的需要，孔钻削工具逐渐由整体式硬质合金刀具转变为可换钻头。现有常见的单个可换钻头的加工孔径一般为8～28mm，在风电、船舶、盾构机等重型机械企业，加工零件的孔径一般大于28mm。为降低零件大孔径加工的生产成本，提高生产效率，国内某知名刀具生产企业通过改进单个可换钻头结构，开发了一种专门加工大孔径的复合可换钻头，该钻头主要由硬质合金中心钻体、硬质合金刀片和工具钢刀杆三部分组成，是一款钻-扩复合的新型可换钻头。在大孔径零件加工过程中，孔壁表面加工质量差或达不到加工技术要求会导致整个零件报废[3]，这对于价格昂贵的大型件加工来说是一个亟待解决的问题。

经前期实验研究发现，在改变复合可换钻头刀头部分的参数(即中心钻与刀片中心孔的高度差和边刀片0°后角长度)后，切削力和扭矩减小，能提高刀具在加工中的稳定性，进而改善孔表面加工质量。为了进一步解决大孔径加工表面质量问题，设计了实验方案，采用极差分析法对复合可换钻头的结构参数进行优化，并得出最优的结构参数。

2 复合可换钻头特点

2.1 三维模型

复合可换钻头如图1所示，由硬质合金中心钻体、硬质合金刀片和工具钢刀杆组成。其中，两个边刀片通过螺钉紧固在刀杆上的刀片槽中，中心钻通过自锁结构以过盈配合的方式与刀杆连接。复合可换钻头具有一定的互换性，即同样一根刀杆在加工尺寸略有差异的内孔时可以直接更换同型号或者同系列相邻型号的中心钻和边刀片，从而组合加工不同尺寸的孔，以减少更换刀杆的时间，提高生产效率。

(a)硬质合金中心钻体

2.2 复合可换钻头装配原理和方式

复合可换钻头由中心钻体、刀片和刀杆三部分组成。首先将刀片装入刀片槽中并通过螺钉紧固(图中螺钉部分未显示)，将中心钻装入刀杆(见图2)，此时中心钻与刀杆锁紧面无接触，继续转动中心钻，第一接触面与刀杆接触面形成过盈接触，第二接触面与刀杆接触面为非过盈接触，直到完全契合钻头形成自锁(见图3)。

图2 扭动初始位置

图3 刀头完成自锁

3 实验方案设计

3.1 刀具与工件

复合可换钻头的中心钻体外径尺寸d=18mm，选择WOMT100308系列刀片，复合可换钻头外径D=39mm；刀头部分的硬质合金材料牌号为K200，主要化学成分为WC(90%)和Co(10%)，加工工件材料为42CrMoV，化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 42CrMoV化学成分 (%)

表2 42CrMoV力学性能

3.2 钻削实验参数及实验设计

实验中，钻头的钻削参数为转速1200r/min，进给量0.65mm/r。图4中，A代表中心钻钻尖与刀片中心孔的高度差，B代表刀片0°后角长度。实验设计如表3所示。

图4 钻头位置参数

表3 实验设计

4 仿真结果与数据分析

4.1 切削力分析

根据表3数据，运用AdvantEdge FEM有限元分析软件进行仿真后[4]可以得到仿真钻削时刀头三个方向的切削力曲线(已过滤)。如图5所示，导出曲线上的数据，选取完全钻入工件后的数据并求平均值，得到钻头三个方向的力，结果见表4。由图得知，x和y方向的力较z向力小很多，但是x和y方向力的变化对钻削稳定性影响最大，z向力对刀具强度和工艺系统刚度影响最大，因此需要对x，y，z三个方向的力进行分析。

图5 实验序号1切削力曲线(已过滤)

表4 切削力仿真结果

采用极差法对仿真结果进行分析，得出各结构参数对Fx，Fy，Fz的影响关系(见表5)。

表5 仿真结果分析

分析表5可得，在结构参数中，对Fx影响最大的为高度差，其次为0°后角长度；对Fy影响最大的为0°后角长度，其次为高度差，但两因素显著度相差很小。在本次实验中，径向力最小的最佳结构参数为A=7.81mm，B=1.66mm。因素A(即高度差)对Fz影响较为明显，因素B(即0°后角长度)对Fz影响很小，在本次实验中，轴向力最小的最佳结构参数为A=7.81mm，B=1.36mm。

4.2 扭矩分析

改变扭矩影响刀杆的振动，与加工过程中的稳定性有密切联系，因此，需要对扭矩进行分析。部分扭矩曲线如图6所示(已过滤)，导出曲线的数据，选取完全钻入工件后的数据求平均值，得到钻头扭矩数据，结果见表6。根据仿真结果采用极差法分析各结构参数对扭矩影响关系，分析结果见表7。

图6 实验序号4扭矩曲线(已过滤)

表6 扭矩仿真结果

表7 Mc仿真结果分析

根据表7分析可得，对扭矩影响最大的是因素A(即高度差)，其次是因素B(即0°后角长度)，使扭矩在较低范围内的最优结构参数为A=7.81mm，B=1.36mm。

4.3 Mises应力分析

Von Mises应力是一种屈服准则，它遵循材料力学第四强度理论，可以反映材料的某一区域在整个模型中的变化，从而迅速确定材料上的危险区域[5，6]。

将整体式硬质合金刀具改为复合可换钻头后，钻削部位的结构和材质发生了很大变化。在前期设计中，主要考虑稳定性，即保证钻头在钻削过程中不会出现崩刃现象将决定优化设计的结构是否可行，因此，非常有必要对其进行Mises应力分析。Mises应力仿真结果部分情况如图7所示，通过AdvantEdge FEM软件后处理时，在图片中提取最大Mises应力，所得应力结果见表8，Mises应力极差分析见表9。

图7 实验序号1的应力分布

表8 最大Mises应力结果

表9 最大Mises应力结果分析

根据对表9分析可得：对Mises应力影响最大的是因素B(即0°后角长度)，其次是因素A(即高度差)，在本次实验中，Mises应力最小的最佳结构参数为A=8.31mm，B=1.06mm。

5 最优结构参数分析

根据仿真分析结果得到因素A(中心钻钻尖与刀片中心孔的高度差)、因素B(刀片0°后角长度)和因素C(因素A与因素B的交互作用)对径向力、轴向力、扭矩和Mises应力的影响主次顺序，并得到初选优化方案(见表10)。

表10 各因素优选方案

综合考虑各因素对钻削过程中径向力、轴向力、扭矩和Mises应力的影响以及对稳定性的影响，可知，径向力对稳定性影响最大，其次是轴向力和扭矩，Mises应力的大小与钻削过程稳定性无关，仅保证在加工过程中不会发生崩刃现象。因此分析认为，当Mises应力影响不是特别大时，可以只考虑切削力和扭矩的大小变化，其中着重考虑径向力Fx，Fy，其次是轴向力Fz，最后考虑扭矩。综合分析如下：因素A(即高度差)对轴向力Fz和扭矩影响较大的方案为A1，对径向力影响较大的为A2，因此综合分析选择A1，即高度A=7.81mm；因素B(即0°后角长度)对轴向力Fz和Fx方向的力影响较小，对Fy方向的力和Mises应力的影响较大，因此综合分析后选择B3，即B=1.66mm。

综上所述，这种复合可换钻头的切削部分优化参数为A=7.81mm，B=1.66mm。

6 结语

运用AdvantEdge FEM有限元分析软件对复合可换钻头钻削42CrMoV材料进行了仿真，包括对切削力、扭矩和Mises应力的仿真。从软件仿真结果中提取有用信息进行数据统计和处理，并制作图表。通过是对切削力、扭矩和Mises应力进行分析可知，复合可换钻头的切削部分优化参数为A=7.81mm，B=1.66mm。