BTA深孔钻头力学和流量特性分析及温度场研究

摘要

BTA深孔钻（Boring and Trepanning Association，简称BTA，即双孔单管内排屑深孔钻削系统）是目前最重要的深孔加工方式之一。广泛应用在航天、航海、兵器工业、核容器制造等领域，占据孔加工制造业中约25%的市场份额，市场地位十分重要。具有可加工长径比大、超硬、超软等难加工材料深孔等优点。
　　BTA深孔钻工作时存在以下问题：全封闭式加工使深孔钻头在工件内部的运动轨迹无法观测，且特殊的钻头内部排屑、排热方式，使轴向切削力做功所转化产生的切削热，主要靠流动的切屑带走，其余靠工件热辐射散发，甚至为降温而中途停车；BTA钻头内外整体处于“强力、高温、湍流环绕”的恶劣工况下，使钻刃极易脆化崩刃且刻伤工件，并严重影响钻头的使用寿命；高度湍流状态下的冷却冲洗流体，在钻头顶部换向时流速减小所引起的动能大幅降低，极易在钻头内部生成漩涡滞留切屑。导致产生所谓的“排屑难、排热难”问题。
　　本文从BTA深孔钻的工作原理出发，围绕“轴向切削力做功基本转化为切削热，切削热的散发主要依靠流动的切屑，切削温度的变化间接反映排屑情况”这一主线，为改善钻头的排屑、排热效能，建立改进后的BTA钻头模型。并通过使用相关有限元分析软件，对其进行了力学、温度场、内外流量特性的分析研究。为实现增强改进后BTA钻头排屑、排热效能的目的，进行了有关理论研究，进行了以下工作：
　　首先，从传统BTA钻头的工作原理出发，对其进行静力学分析，发现传统BTA钻头排屑、排热效率低的原因主要是钻头传统BTA钻头内外结构设计有不理想之处，据此提出改进钻头内外结构的措施。具体在钻头外围增加梯形静压槽和导流槽，对钻头大小喉部的空间布局重新进行了优化设计，得到改进后的BTA深孔钻头结构。并使用SolidWorks三维软件结合商用钻头参数，建立了改进前、后的实体模型；
　　其次，为验证改进后的BTA钻头，增加梯形静压槽和导流槽后对静力分析有无影响，利用ANSYS有限元软件对其进行了静态分析、抗疲劳强度仿真；
　　再次，为研究轴向切削力做功是生成切削热的主因，进给量影响切屑、切削热的排除作用，运用Deform-3D力、热有限元分析软件，进行仿真试验。同时为验证改进后的BTA钻头内外流量特性是否大幅提高切屑、切削热排除效能，使用ANSYS fluent流体分析软件，对传统BTA深孔钻头和改进后的BTA钻头，进行速度场、压力场、温度场的对比研究；
　　最后，为验证本文理论正确性，采用单因素法结合现有设备及检测仪器，对改后过BTA深孔钻头进行现场钻孔试验。分析数据推导出适用于本文简化后的力、热经验公式。为工程实际应用，进一步解决切屑及切削热的排除问题提供参考。
　　试验结果表明：改进后的BTA深孔钻头具有结构刚度高、改后钻头内外流量特性得到大幅提升，可更好的排除切屑、切削热。本文理论研究和试验结论一致，说明本文理论研究的正确性和有效性。对指导BTA深孔钻的实际生产和学术研究有着一定的工程和学术价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源、目的及意义

1.2 国内外研究情况

1.3 研究重点和发展方向

1.4 课题主要研究内容

第2章 BTA钻头的力学分析及改进前后建模

2.1 引言

2.2 BTA深孔钻的工作原理及钻头组成

2.3 BTA钻头的力学分析及有关计算

2.4 BTA钻头的结构改进

2.5 传统BTA钻头的结构建模

2.6 改进后的BTA钻头结构建模

2.7 本章小结

第3章 基于ANSYS改进后BTA钻头结构仿真研究

3.1 引言

3.2改进后的BTA钻头ANSYS静力学仿真

3.3 BTA钻头的抗疲劳强度仿真分析

3.4 本章小结

第4章 基于DEFORM-3D的改进后BTA钻头切削力和温度场仿真研究

4.1 引言

4.2 DEFORM-3D有限元软件及仿真处理过程简介

4.3 基于DEFORM-3D的改进后BTA钻头前处理

4.4 BTA深孔钻削的有限元仿真方案

4.5 BTA深孔钻削的单因素法有限元仿真试验结果分析

4.6 仿真结果与理论结果的比较分析

4.7 本章小结

第5章 基于ANSYS FLUENT的改进后BTA钻头流量特性研究

5.1 前言

5.2 ANSYS FLUENT有限元软件简介

5.3 ANSYS FLUENT对BTA钻头的流量特性仿真过程

5.4 梯形静压槽和顶部流道的流量特性分析

5.5 改进前、后的BTA钻头内外流量特性仿真结果比较

5.6 本章小结

第6章 改后BT A深孔钻头的钻削试验

6.1 引言

6.2 改进后BTA深孔钻头的钻削试验

6.3 改后BTA钻头钻削试验结果分析

6.4 理论值、仿真值、试验值的数据比较分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢

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