CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化

刘兴东 张德臣 王育博 高先一 马国清

刘兴东, 张德臣, 王育博, 高先一, 马国清. 大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(4): 485-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137
引用本文: 刘兴东, 张德臣, 王育博, 高先一, 马国清. 大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(4): 485-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137
LIU Xingdong, ZHANG Dechen, WANG Yubo, GAO Xianyi, MA Guoqing. Analysis and optimization of traveling wave vibration of large diamond thin-wall drill bits[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(4): 485-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137
Citation: LIU Xingdong, ZHANG Dechen, WANG Yubo, GAO Xianyi, MA Guoqing. Analysis and optimization of traveling wave vibration of large diamond thin-wall drill bits[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(4): 485-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137

大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137
详细信息
    通讯作者:

    张德臣,男,1964 年生,教授。主要研究方向:机械动力学及其结构优化。E-mail:zhang1964ab@163.com

  • 中图分类号: TG713+.1 ;TG74;TQ164

Analysis and optimization of traveling wave vibration of large diamond thin-wall drill bits

  • 摘要: 针对大型金刚石薄壁钻头在钻切中出现的振动和噪声问题,用Ansys Workbench有限元软件对无开孔、开孔、开孔且夹层和安装定位轮的薄壁钻头进行模态分析,进一步用行波振动理论计算薄壁钻头共振裕度δ,分析避开行波共振的效果,研究开孔、夹层对行波振动的影响。结果表明:钻切转速为187.32 r/min时,无开孔薄壁钻头的共振裕度δ为0,出现后行波共振;在无开孔薄壁钻头出现后行波共振固有模态变形大的区域开8组圆孔(每组3个)和8个S形孔,薄壁钻头的共振裕度δ为5.18%,避开行波共振效果良好;开孔且夹层的薄壁钻头的共振裕度δ为6.11%,避开行波共振效果最好。为提高孔的加工精度,在薄壁钻头周围安装定位轮,分析定位轮数对行波振动的影响,发现安装6个和12个定位轮的薄壁钻头的共振裕度δ分别为4.59%和4.79%,避开行波共振效果好。比较2~12个定位轮薄壁钻头的共振裕度δ,而且考虑安装方便,最后确定最佳安装定位轮数为6个。

     

  • 图  1  钻头结构

    Figure  1.  Structure of drill bit

    图  2  方案一钻头结构

    Figure  2.  Scheme 1 drill bit structure

    图  3  方案一钻头的网格划分

    Figure  3.  Mesh division of Scheme 1 drill bit

    图  4  方案一钻头的235.54 Hz(2,4)模态图

    Figure  4.  235.54 Hz (2, 4) modal diagram of Scheme 1 drill bit

    图  5  方案一钻头坎贝尔图

    Figure  5.  Campbell diagram of Scheme 1 drill bits

    图  6  方案二钻头结构

    Figure  6.  Structure of Scheme 2 drill bit

    图  7  方案二钻头的233.25 Hz(2,4)模态图

    Figure  7.  233.25 Hz (2, 4) modal diagram of Scheme 2 drill bit

    图  8  方案三钻头结构

    Figure  8.  Structure of Scheme 3 drill bit

    图  9  方案三钻头的201.82 Hz(2,4)模态图

    Figure  9.  201.82 Hz(2,4)modal diagram of Scheme 3 drill bit

    图  10  方案四钻头结构

    Figure  10.  Structure of Scheme 4 drill bit

    图  11  4种方案钻头固有频率分布图

    Figure  11.  Distribution diagram of four schemes natural frequencies

    图  12  方案四钻头的234.01 Hz(2,8)模态图

    Figure  12.  234.01 Hz (2, 8) modal diagram of Scheme 4 drill bit

    图  13  4种方案$ \mathbf{\delta } $分布图

    Figure  13.  Distribution diagram of four schemes of $ \mathbf{\delta } $

    图  14  方案六钻头结构

    Figure  14.  Structure of Scheme 6 drill bit

    图  15  安装定位轮的4种方案钻头固有频率分布图

    Figure  15.  Four schemes for installing positioning wheels: natural frequency distribution of drill bits

    图  16  4种方案钻头的模态图

    Figure  16.  Modal diagram of four schemes drill bits

    图  17  安装不同定位轮数钻头的$ \mathbf{\delta } $分布图

    Figure  17.  Distribution diagram of installing different number of positioning wheels $ \mathbf{\delta } $

    表  1  钻头基本参数

    Table  1.   Basic parameters of thin-wall drill bit

    参数 数值
    外径 $ D_1/\mathrm{m}\mathrm{m} $ 1200
    内径 $ {d}_{1}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ 300
    厚度 $ {t}_{1}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ 12
    齿数 $ Z\ /\mathrm{个} $ 72
    高度 $ {H}_{1}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ 1500
    基体弹性模量 $ E_1/\ \mathrm{P}\mathrm{a} $ 2.1 × 1011
    基体泊松比 $ {\varepsilon }_{1} $ 0.30
    密度 $ \rho_{1\ }/\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot\mathrm{m}^{-3}\right) $ 7800
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    表  2  方案一钻头前30阶固有频率

    Table  2.   First 30 natural frequencies of Scheme 1 drill bit

    阶数 固有频率 $ P_{ }\left(\mathrm{\mathit{m}},\mathrm{\mathit{n}}\right)/\ \mathrm{H}\mathrm{z} $ 阶数 固有频率 $ P_{ }\left(\mathrm{\mathit{m}},\mathrm{\mathit{n}}\right)\ /\mathrm{\ H}\mathrm{z} $
    1 8.73 16 254.88
    2 8.73 17 285.60
    3 24.19 18 285.63
    4 24.19 19 298.96
    5 27.25 20 298.96
    6 64.88 21 325.28
    7 64.89 22 325.31
    8 122.11 23 348.30
    9 122.11 24 348.31
    10 195.72 25 357.71
    11 195.74 26 391.60
    12 198.41 27 391.67
    13 235.54 28 400.03
    14 235.54 29 400.06
    15 254.87 30 424.89
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    表  3  方案四钻头夹层材料基本参数

    Table  3.   Basic parameters of Scheme 4 drill bit interlayer material

    参数 数值
    外径 $ {D}_{2} $ / mm 1192
    厚度 $ {t}_{2} $/ mm 4
    高度 $ {H}_{2} $/ mm 933
    弹性模量 $ {E}_{2} $/ $ \mathrm{P}\mathrm{a} $ $ 7.86\times {10}^{6} $
    泊松比 $ {\varepsilon }_{2} $ 0.47
    密度 $ {\rho }_{2} $ / ($ \mathrm{k}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}}^{-3} $) 1300
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    表  4  钻头行波振动计算结果

    Table  4.   Calculation results of drill bits traveling wave vibration

    方案 前行波频率
    $ \mathrm{\mathit{P}}_{\mathrm{f}}\ /\ \mathrm{H}\mathrm{z} $
    后行波频率
    $ \mathrm{\mathit{P}}_{\mathrm{b}}\ /\mathrm{\ H}\mathrm{z} $
    $ \mathit{\Delta}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ /\mathrm{\ H}\mathrm{z} $ 共振裕度
    $ \mathrm{\delta }/\mathrm{\%} $
    246.82 224.78 0 0
    244.53 222.49 2.29 1.03
    213.14 191.10 11.64 5.18
    259.50 211.05 13.73 6.11
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    表  5  前30阶固有频率

    Table  5.   First 30 natural frequencies

    阶数 固有频率Pm, n)/Hz
    方案六 方案八 方案九 方案十一
    1 26.65 26.41 26.17 25.72
    2 83.71 76.77 131.21 185.39
    4 99.56 95.88 134.39 200.55
    6 141.06 134.03 150.19 227.90
    8 143.00 191.79 177.82 258.09
    10 222.42 225.04 226.95 269.46
    12 223.23 228.42 240.42 271.27
    13 240.44 301.30 244.29 305.67
    14 280.72 303.58 286.92 308.94
    16 298.43 331.48 307.79 347.72
    18 330.93 341.22 347.05 362.87
    20 344.19 348.57 355.73 380.93
    22 347.35 355.93 390.73 383.65
    24 356.13 400.48 400.47 401.33
    26 399.07 406.26 404.10 411.16
    28 409.79 409.80 411.10 433.30
    30 439.46 448.67 456.11 471.20
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    表  6  行波振动计算结果

    Table  6.   Calculation results of traveling wave vibration

    方案 定位轮
    N' / 个
    前行波
    频率
    $ P_{\mathrm{f}}\ /\ \mathrm{H}\mathrm{z} $
    后行波
    频率
    $ P_{\mathrm{b}}\ /\mathrm{\ H}\mathrm{z} $
    $ \mathit{\Delta}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ /\mathrm{\ H}\mathrm{z} $ 共振
    裕度
    $ \delta\ /\ \mathrm{\%} $
    2 248.03 225.99 1.21 0.54
    4 251.71 229.67 4.89 2.18
    5 250.57 221.75 3.03 1.35
    6 243.28 214.46 10.32 4.59
    8 265.84 217.43 7.35 3.27
    10 290.55 229.35 4.57 2.03
    十一 12 242.82 214.01 10.77 4.79
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-06
  • 修回日期:  2023-09-20
  • 录用日期:  2023-10-26
  • 网络出版日期:  2023-11-06
  • 刊出日期:  2024-08-20

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