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引言：应用有限元分析软件（ANSYS/LS-DYNA3D）对建立的微孔钻头模型进行了有限元分析，观察钻头的受力及变形过程。通过对微钻头强度、刚度分析及结构参数优化，得出了微钻头几何结构参数对钻削过程的影响。为进一步改善刀具内部受力状态，提高刀具使用寿命提供理论依据。
随着高新科技及其产品的发展，微小孔钻削加工技术在工业制造领域，特别是在精密制造业及电子产品工业中占据着越来越重要的地位。
微钻头的刚度和切削部分的强度显著地影响到钻头的耐用度和切削性能。但由于微钻头是复杂的双槽螺旋体，力学特性复杂，理论分析较困难，故更应重视把理论分析与试验研究结合起来，使之不断完善及精确化。通过对刀具强度、刚度的理论分析，了解微钻头内部的应力应变状态，不仅可优化刀具结构，而且还可进一步为改善刀具内部受力状态，提高刀具使用寿命提供理论依据。
一、有限元和ANSYS
有限元法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。
ANSYS目前是世界计算机辅助工程（CAE）行业中最强大的软件。它将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，是解决现代工程学问题必不可少的有力工具。
LS—DYNA 是世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及留固耦合问题。从理论和算法而言，LS—DYNA源程序是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础，在工程应用如汽车安全性设计、武器系统设计、金属成型、跌落仿真等领域被广泛认可为最佳的分析软件包。
利用ANSYS/ LS—DYNA进行有限元结构分析时，通过对所施加的载荷进行数值模拟，观察分析应力应变集中区，再通过改变微钻头的几何结构参数，分别进行观察对比，从而达到强度分析和优化设计的目的。
二、微钻头实体模型的建立
由于ANSYS在CAD方面不算很强大，要用ANSYS建立钻头实体模型有一定的难度，因此选择Pro/Engineer软件系统建立钻头实体模型，然后将其倒入ANSYS之中。
为增强微小钻头的刚性，防止切削部分摆动，且便于制造和装夹，所以把钻头设计为阶梯型，基本几何参数如图1所示：分别改变钻头的各种参数（如螺旋角，钻芯厚度，螺旋槽长度等），建立钻头的三维实体模型，再分别进行有限元分析，并观察结果，可以明显看见微钻头在钻削过程中受轴向压力变短变粗，同时螺旋槽受压变形导致螺旋角增大，而横刃处的应力较大，且钻尖刀刃外缘转点和尾根转点有应力集中的现象，但最大应力都远小于钻头材料的屈服强度。
最终通过对比观察，可得出以下结论：
（1）必须合理选择钻芯厚度t0。因为适当增大钻芯厚度可增强钻头刚度，但如钻芯厚度过大，则横刃变宽，使钻尖在工件表面滑移，造成定位不准确，可能导致钻头折断；同时钻芯厚度过大则螺旋槽过浅，将导致容屑能力变差，切屑易堵塞且排屑困难，从而影响钻削孔的表面质量；又由于切削液难以流入切削区，使冷却润滑效果极差，使钻头的磨损加大。所以要选择合适的钻芯厚度，以提高钻头的综合性能。因此微钻头2t0/ d0一般为0.3—0.4甚至更大，而对与硬质合金钻头一般选0.25—0.35为最优。
（2）合理选择钻头螺旋槽长度。在保证加工孔长的情况下要尽量选择较短螺旋槽长度的钻头，以提高刚度，保证加工孔的质量。
（3）合理选择钻头螺旋角。钻头螺旋角越大，则前角越大，能使切削轻快，降低轴向力和转矩，有利于排屑，但螺旋角过大，将降低切削刃的强度，使散热条件变差，容易崩刀，同时增大了排屑路程和排屑阻力。一般螺旋角选择20°—30°时的综合性能较好。
四、结束语
本设计是利用ANSYS对微钻头进行结构分析，从获取的应力分布云图可知，当微钻头有关参数发生变化时，会对钻头的强度、刚度和排屑产生影响；同时从应力应变分布图上可了解微钻头内部应力应变的分布规律，从而能较精确地掌握钻头钻尖各处的受力情况，以便找出微钻上的危险点。通过人机对话方式可寻找到适于具体加工对象和切削条件的最优钻头结构，使得钻削时的应力应变极值最小且能按最合理的形式分布，以保证钻头强度、刚度最大且排屑最好，使微钻头的切削效果达到最佳工作状态。这对于设计和使用微钻头都具有重要的指导意义。
参考文献
[1]梁洁萍.微小孔加工与微细钻头[J].湘潭师范学院学报2004，26（4）：56-58.
[2]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程.清华大学出版社，2004.10.
[3]时党勇、李欲春、张盛民等.基于ANSYS/LS-DYN3D 8.1进行显示动力分析.清华大学出版社，2004.
[4]王庆五，左肪，胡仁喜.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例（第二版）.2006.1.
[5]曾忠.微型钻头结构优化设计[J].工具技术，1996年04期.
[6]言兰.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[D].湖南大学.2006.
[7]周志雄，袁建军，林丞.微钻头螺旋槽的数学模型及其CAD方法.中国机械工程，2000.11（10）：1284～1288.
[8]孙铨.高精度微孔加工刀具的研究[D].东华大学.2013.
[9]黎正科深孔麻花钻三维参数化设计及其优化[D].湖南大学.2012.
[10]汤宏群.印刷电路板微孔钻削加工过程的动态特性研究[D].广东工业大学.2012.
[11]杨兆华.国内外微小孔钻削加工的工艺现状究[J].汽车工艺与材料.1997年12期.
[12]谢大纲，赵清亮，袁哲俊，卢政君.麻花钻刚度的有限元分析[J].2000年04期.
（作者单位：1.湖北工业大学；2.武汉重型机床集团）
随着高新科技及其产品的发展，微小孔钻削加工技术在工业制造领域，特别是在精密制造业及电子产品工业中占据着越来越重要的地位。
微钻头的刚度和切削部分的强度显著地影响到钻头的耐用度和切削性能。但由于微钻头是复杂的双槽螺旋体，力学特性复杂，理论分析较困难，故更应重视把理论分析与试验研究结合起来，使之不断完善及精确化。通过对刀具强度、刚度的理论分析，了解微钻头内部的应力应变状态，不仅可优化刀具结构，而且还可进一步为改善刀具内部受力状态，提高刀具使用寿命提供理论依据。
一、有限元和ANSYS
有限元法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。
ANSYS目前是世界计算机辅助工程（CAE）行业中最强大的软件。它将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，是解决现代工程学问题必不可少的有力工具。
LS—DYNA 是世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及留固耦合问题。从理论和算法而言，LS—DYNA源程序是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础，在工程应用如汽车安全性设计、武器系统设计、金属成型、跌落仿真等领域被广泛认可为最佳的分析软件包。
利用ANSYS/ LS—DYNA进行有限元结构分析时，通过对所施加的载荷进行数值模拟，观察分析应力应变集中区，再通过改变微钻头的几何结构参数，分别进行观察对比，从而达到强度分析和优化设计的目的。
二、微钻头实体模型的建立
由于ANSYS在CAD方面不算很强大，要用ANSYS建立钻头实体模型有一定的难度，因此选择Pro/Engineer软件系统建立钻头实体模型，然后将其倒入ANSYS之中。
为增强微小钻头的刚性，防止切削部分摆动，且便于制造和装夹，所以把钻头设计为阶梯型，基本几何参数如图1所示：分别改变钻头的各种参数（如螺旋角，钻芯厚度，螺旋槽长度等），建立钻头的三维实体模型，再分别进行有限元分析，并观察结果，可以明显看见微钻头在钻削过程中受轴向压力变短变粗，同时螺旋槽受压变形导致螺旋角增大，而横刃处的应力较大，且钻尖刀刃外缘转点和尾根转点有应力集中的现象，但最大应力都远小于钻头材料的屈服强度。
最终通过对比观察，可得出以下结论：
（1）必须合理选择钻芯厚度t0。因为适当增大钻芯厚度可增强钻头刚度，但如钻芯厚度过大，则横刃变宽，使钻尖在工件表面滑移，造成定位不准确，可能导致钻头折断；同时钻芯厚度过大则螺旋槽过浅，将导致容屑能力变差，切屑易堵塞且排屑困难，从而影响钻削孔的表面质量；又由于切削液难以流入切削区，使冷却润滑效果极差，使钻头的磨损加大。所以要选择合适的钻芯厚度，以提高钻头的综合性能。因此微钻头2t0/ d0一般为0.3—0.4甚至更大，而对与硬质合金钻头一般选0.25—0.35为最优。
（2）合理选择钻头螺旋槽长度。在保证加工孔长的情况下要尽量选择较短螺旋槽长度的钻头，以提高刚度，保证加工孔的质量。
（3）合理选择钻头螺旋角。钻头螺旋角越大，则前角越大，能使切削轻快，降低轴向力和转矩，有利于排屑，但螺旋角过大，将降低切削刃的强度，使散热条件变差，容易崩刀，同时增大了排屑路程和排屑阻力。一般螺旋角选择20°—30°时的综合性能较好。
四、结束语
本设计是利用ANSYS对微钻头进行结构分析，从获取的应力分布云图可知，当微钻头有关参数发生变化时，会对钻头的强度、刚度和排屑产生影响；同时从应力应变分布图上可了解微钻头内部应力应变的分布规律，从而能较精确地掌握钻头钻尖各处的受力情况，以便找出微钻上的危险点。通过人机对话方式可寻找到适于具体加工对象和切削条件的最优钻头结构，使得钻削时的应力应变极值最小且能按最合理的形式分布，以保证钻头强度、刚度最大且排屑最好，使微钻头的切削效果达到最佳工作状态。这对于设计和使用微钻头都具有重要的指导意义。
参考文献
[1]梁洁萍.微小孔加工与微细钻头[J].湘潭师范学院学报2004，26（4）：56-58.
[2]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程.清华大学出版社，2004.10.
[3]时党勇、李欲春、张盛民等.基于ANSYS/LS-DYN3D 8.1进行显示动力分析.清华大学出版社，2004.
[4]王庆五，左肪，胡仁喜.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例（第二版）.2006.1.
[5]曾忠.微型钻头结构优化设计[J].工具技术，1996年04期.
[6]言兰.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[D].湖南大学.2006.
[7]周志雄，袁建军，林丞.微钻头螺旋槽的数学模型及其CAD方法.中国机械工程，2000.11（10）：1284～1288.
[8]孙铨.高精度微孔加工刀具的研究[D].东华大学.2013.
[9]黎正科深孔麻花钻三维参数化设计及其优化[D].湖南大学.2012.
[10]汤宏群.印刷电路板微孔钻削加工过程的动态特性研究[D].广东工业大学.2012.
[11]杨兆华.国内外微小孔钻削加工的工艺现状究[J].汽车工艺与材料.1997年12期.
[12]谢大纲，赵清亮，袁哲俊，卢政君.麻花钻刚度的有限元分析[J].2000年04期.
（作者单位：1.湖北工业大学；2.武汉重型机床集团）