微钻头CAD与仿真系统的开发及基于有限元的结构优化设计

【摘要】： 近年来,由于现代精密制造业和微电子制造业的飞速发展,对微钻头的需求量迅速增加,从而对微钻头的制造技术也提出了更高的要求。 采用现代机械设计方法,在开发了微钻头CAD与仿真系统的基础上,利用有限元方法对钻头进行刚度以及结构强度分析。即首先运用几何学及运动学原理,建立砂轮和螺旋槽的数学模型,结合后刀面刃磨条件得到后刀面的数学模型;在数学模型的基础上利用坐标变换开发了微钻头CAD与仿真系统;利用该系统,求得在给定刀具(砂轮)具体形状的条件下钻头螺旋槽截面形状的数据,结合后刀面刃磨参数,建立钻头的三维实体模型。分别改变钻头结构设计参数,如钻芯厚度与钻头直径之比、钻头螺旋槽长度、钻尖角、横刃斜角以及螺旋角建立多组钻头实体模型,用有限元软件ANSYS模拟钻削过程中的钻头受力情况进行分析,对比各钻头结构参数变化对钻头强度和刚度的影响,找到适用于具体加工对象以及切削条件的最优钻头结构参数,使钻头在切削过程中达到最佳切削效果,从而提高工具寿命和孔的加工质量。 课题研究为钻头的结构优化设计提供了直观的、易操作的系统,简化了钻头设计过程,缩短了设计时间,降低了设计成本。论文的研究突破了传统的“设计——试制——修改设计——再试制”的设计方法,提出一种新的利用现代计算机技术的钻头设计方法。