深孔加工多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

李忠秋，沈興全，張繼明，曹衛(wèi)衛(wèi)，倪雪婷

(中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原　030051)

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深孔加工多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

李忠秋，沈興全，張繼明，曹衛(wèi)衛(wèi)，倪雪婷

(中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，太原030051)

摘要：針對(duì)深孔加工過程中的排屑難問題，在分析現(xiàn)有負(fù)壓系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)，研究其工作效率與負(fù)壓噴射系數(shù)及噴射間隙傾斜角度之間的關(guān)系，從理論上推導(dǎo)并證明其工作效率優(yōu)于傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置，建立仿真模型，并利用ANSYS FLUENT軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)能夠很好的降低了切削液的入口壓力，大大提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了高效排屑的目的。

關(guān)鍵詞：深孔加工；高效排屑；負(fù)壓抽屑；DF系統(tǒng)

0引言

在機(jī)械制造業(yè)中，一般將孔深超過孔徑5倍的圓柱孔(內(nèi)圓柱面)稱為深孔[1-2]。深孔加工技術(shù)由于其加工過程的特殊性，形成其經(jīng)典難題：排屑難、冷卻難、潤(rùn)滑難、工具系統(tǒng)剛度低等，而排屑難問題更是成為重中之重[3-4]。現(xiàn)有解決排屑難問題的常規(guī)途徑有三種：①拓展排屑空間；②控制切屑形態(tài)；③增強(qiáng)排屑動(dòng)力[5]。

負(fù)壓抽屑系統(tǒng)采用上述第三種排屑途徑，很好的解決了排屑難問題。但隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，深孔加工也向高速高效方向發(fā)展，單位時(shí)間內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生大量切屑[6]，如不能及時(shí)排出，會(huì)產(chǎn)生切屑堆積，影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及設(shè)備使用壽命，從而現(xiàn)有負(fù)壓抽屑設(shè)備將不能滿足使用需求。針對(duì)此問題，本文對(duì)原有負(fù)壓抽屑系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，研究設(shè)計(jì)多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)，利用FLUENT軟件對(duì)該裝置進(jìn)行仿真分析，從而更深入的研究并驗(yàn)證排屑效果。

1深孔加工負(fù)壓抽屑裝置工作原理

1.工件 2.BTA鉆 3.導(dǎo)向套 4.鉆桿 5.輸油器 6.抽屑裝置 7.前噴嘴 8.后噴嘴

圖1深孔加工負(fù)壓抽屑裝置結(jié)構(gòu)示意圖

深孔加工負(fù)壓抽屑裝置，如圖1所示。由油泵輸送的切削液分為前后兩支：對(duì)于前一支切削液進(jìn)入輸油器后，經(jīng)過鉆套、已加工孔壁和鉆桿、鉆頭體上的通油間隙之后流向切削刃，將切屑推入鉆頭喉部，經(jīng)由鉆頭內(nèi)腔進(jìn)入鉆桿后，進(jìn)入抽屑器；而對(duì)于后一支，切削液進(jìn)入負(fù)壓抽屑裝置的均壓腔中，由前、后噴嘴之間錐形間隙射入，因流道的逐漸變小而獲得加速，在鉆桿末端形成圓錐面形狀的高速射流，在鉆桿處形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，當(dāng)負(fù)壓足夠大時(shí)，出屑口處切削液流速會(huì)在負(fù)壓作用下變大，從而使切屑加速通過出屑口，達(dá)到高效排屑的目的[7]。

2多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑系統(tǒng)的研制

多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑裝置與傳統(tǒng)深孔加工負(fù)壓抽屑裝置的工作原理相同，而其結(jié)構(gòu)是在原有裝置的基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，成為一種新型高效的負(fù)壓抽屑裝置，減小了深孔加工切削液入口的流體壓力，同時(shí)提高了工作效率。為研究方便，本文以三級(jí)曲面負(fù)壓抽屑裝置為例進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

如圖2所示，為三級(jí)負(fù)壓抽屑裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，由曲面間隙流入負(fù)壓液流，與切削液流產(chǎn)生沖擊混合，產(chǎn)生的混合液流作為新的切削液流進(jìn)入下一級(jí)負(fù)壓腔，與新的負(fù)壓液流繼續(xù)產(chǎn)生新的沖擊混合，此過程按新型負(fù)壓抽屑裝置設(shè)計(jì)的級(jí)數(shù)不同，依次遞推循環(huán)，直至混合切削液由后排屑口排出。

1.切削液流 2.一級(jí)負(fù)壓液流 3.一級(jí)混合壓縮流 4.二級(jí)負(fù)壓液流 5.二級(jí)混合液流 6.三級(jí)負(fù)壓液流 7.三級(jí)混合流

圖2三級(jí)負(fù)壓抽屑裝置結(jié)構(gòu)原理圖

由圖2所示結(jié)構(gòu)原理圖可以分析看出，多級(jí)負(fù)壓抽屑裝置的工作結(jié)果會(huì)產(chǎn)生壓力差，最后形成負(fù)壓作用，從而我們可以定義全壓縮比p3′/p1,其中p1是第一級(jí)的抽吸壓力，p3′為最后一級(jí)(第三級(jí))的壓縮壓力。在這個(gè)三級(jí)的串聯(lián)系統(tǒng)中，有以下等式成立，p1′=p2，其中，p1′為第一級(jí)的壓縮壓力，p2為第二級(jí)的混合切削液流壓力。以此類推，第二級(jí)的壓縮壓力等于第三級(jí)的混合切削液流壓力，即p2′=p3。在此系統(tǒng)中，各級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)共同作用，最終形成壓力差，得到全壓縮比。

多級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)的工作效率，可以用同一時(shí)間內(nèi)，被引射流體所得的能量(有效功率)與工作流體所失去的能量(輸入功率)的比值來表示，即切削液流所獲得的能量與負(fù)壓流體所失去的能量之比：

(1)

式中ep、eH、ec，分別表示負(fù)壓、排屑和混合流體的單位工作能力，λ表示多級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)的總噴射系數(shù)。

由(1)式可以看出，多級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)的總噴射系數(shù)λ越大，則效率越高。而總噴射系數(shù)等于第一級(jí)(低壓級(jí))的負(fù)壓噴射流流量與結(jié)構(gòu)中其它各級(jí)的混合切削液流總流量之比，即：

(2)

對(duì)于一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)系統(tǒng)分別研究，其總噴射系數(shù)與各級(jí)噴射系數(shù)之間存在如下關(guān)系：

一級(jí)系統(tǒng)：

λ=λ1

(3)

二級(jí)系統(tǒng)：

(4)

三級(jí)系統(tǒng)：

(5)

式中λ1、λ2、λ3分別為第一、二、三級(jí)的噴射系數(shù)。GH1為第一級(jí)的負(fù)壓噴射流流量；Gp1、Gp2、Gp3為第一、二、三級(jí)的切削液流流量。

(6)

Gp3=Gp1+Gp2

(7)

圖3　射流間隙結(jié)構(gòu)示意圖

由上述推導(dǎo)分析可知，多級(jí)噴射結(jié)構(gòu)的總噴射系數(shù)比單級(jí)噴射系數(shù)要高，從而可知多級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)的負(fù)壓效果優(yōu)于單級(jí)負(fù)壓裝置[8]。

相比于傳統(tǒng)的錐面負(fù)壓結(jié)構(gòu),見圖3所示，由流體力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)理論可知，射流間隙對(duì)主射流產(chǎn)生的動(dòng)量p為：

(8)

將A0=πD0δ代入上式，有

(9)

其軸向分量px、徑向分量py分別為：

(10)

式中，m1為負(fù)壓射流的質(zhì)量流量，v1A為A-A截面處負(fù)壓射流的流速，ρ1為負(fù)壓射流的密度，D0為前排屑通道內(nèi)徑，A0為射流間隙管壁 面積，δ為射流間隙寬度，θ為射流間隙的角度。由公式可以看出，射流間隙的傾斜角度θ對(duì)動(dòng)量?jī)煞至康挠绊戄^大，當(dāng)θ減小時(shí)，px增大，轉(zhuǎn)換的能量也隨之增大，后排屑通道所獲得的能量也增大。當(dāng)θ=0時(shí)，能量轉(zhuǎn)換率最大，效率也達(dá)到最高。從而，本文將負(fù)壓射流通道設(shè)計(jì)成曲線，且與排屑通道相切，從而巧妙的減小了θ的角度，提高了負(fù)壓抽吸效率[9]。

3仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

在不考慮切屑存在的情況下，由于裝置內(nèi)部流體的對(duì)稱性，可簡(jiǎn)化建立切削液流場(chǎng)的二維平面模型[10]。利用GAMBIT軟件進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件。設(shè)置加工工件的直徑為38mm，選擇鉆削加工方式，刀具為BTA實(shí)體鉆直徑為37.8mm，鉆桿內(nèi)流道直徑為24mm。仿真流體按硫化切削液(Sulfur-Liquid)設(shè)置，其密度為2000kg/m3，粘度為1.72x10-5kg/m·s;邊界條件設(shè)置為：排屑通道流量為Q1=62L/min。分析每個(gè)負(fù)壓通道中流量為Q2=10.3L/min時(shí)所產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，即：排屑通道進(jìn)油口速度為2.29m/s，射流口速度為5.6m/s；收斂準(zhǔn)則選擇差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計(jì)算差值小于0.0001為準(zhǔn)。

3.1仿真結(jié)果及分析

圖4　全壓力云圖

如圖4所示，為負(fù)壓仿真裝置的全壓力圖。由圖可以看出，三個(gè)負(fù)壓通道均能產(chǎn)生負(fù)壓作用。排屑通道中，最大壓力分布在靠近壁面處。第二級(jí)負(fù)壓通道處比第一級(jí)所產(chǎn)生壓力大，第三級(jí)負(fù)壓通道處所產(chǎn)生壓力最大。三級(jí)負(fù)壓通道所產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸力相互作用并疊加，并直接作用于切屑上，使得切屑能夠隨著切削液加速順暢排出。

圖5　速度云圖

圖5為負(fù)壓仿真裝置的速度云圖，由圖中可以直觀看出排屑通道中切削液流速分布規(guī)律，在負(fù)壓通道正對(duì)的區(qū)域，會(huì)形成一股速度很大的噴射流，其中負(fù)壓裝置通道后半部分流體的流速明顯大于前半部分，孔壁面邊緣處流速大于孔心處流速。后一級(jí)流體流速會(huì)在前一級(jí)流速的基礎(chǔ)上產(chǎn)生綜合疊加效應(yīng)，大大提高了負(fù)壓射流效果。

如圖6所示，為負(fù)壓仿真裝置的對(duì)稱軸上全壓力的XY散點(diǎn)圖。進(jìn)一步論證圖4所示分析，可明顯看出負(fù)壓產(chǎn)生位置及效果，第一級(jí)負(fù)壓通道所產(chǎn)生的負(fù)壓效果最明顯，第二級(jí)次之，第三級(jí)負(fù)壓效果相對(duì)減弱，這是由于隨著負(fù)壓級(jí)數(shù)的增多，排屑通道內(nèi)流體壓力逐級(jí)增大所致，相比于單級(jí)負(fù)壓裝置，多級(jí)負(fù)壓相互疊加所產(chǎn)生的排屑效果更加明顯。圖7、圖8、圖9分別為第一、二、三級(jí)負(fù)壓區(qū)徑向截面全壓力XY散點(diǎn)圖。可以看出，孔壁面邊緣處壓力明顯大于孔心處，后一級(jí)壓力大于前一級(jí)。

圖6　對(duì)稱軸上全壓力的XY散點(diǎn)圖

圖7　第一負(fù)壓區(qū)徑向截面全壓力XY散點(diǎn)圖

圖8　第二負(fù)壓區(qū)徑向截面全壓力XY散點(diǎn)圖

圖9　第三負(fù)壓區(qū)徑向截面全壓力XY散點(diǎn)圖

4結(jié)束語

針對(duì)深孔加工中排屑難題，設(shè)計(jì)一種新型高效負(fù)壓抽屑裝置，即多級(jí)曲面負(fù)壓抽屑裝置，從理論上驗(yàn)證了負(fù)壓抽吸效果，第一級(jí)的抽吸力能夠直接作用于切屑上，后一級(jí)則在前一級(jí)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新的抽吸作用，多級(jí)負(fù)壓相互作用疊加，抽吸效果明顯，相比于單級(jí)負(fù)壓裝置，可以顯著降低切削液入口壓力，從而很好的解決了液壓系統(tǒng)密封問題，使其密封簡(jiǎn)單化，排屑更為順暢，加工過程更加穩(wěn)定，生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量更高。大大提高了工作效率和工作能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2] 王世清.深孔加工技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 李鑫勇，王彪，劉兆華,等.準(zhǔn)干式深孔加工系統(tǒng)構(gòu)建[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(3):213-215.

[4]Liu Zhaohua,Wang Ailing,Wang Biao. Establishment and application of a mathematic model of negative pressure equipment [J].Applied Mechanics and Materials,2012,217-219:1556-1560.

[5] 趙麗琴，李建，王彪，等.深孔加工負(fù)壓排屑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(4):33-35.

[6] 蒿風(fēng)花，沈興全，王慧榮，等.高速深孔BTA鉆削系統(tǒng)的高效排屑設(shè)計(jì)與研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(10):94-97.

[7] 張銀東，陳磊，李文華，等.深孔加工中負(fù)壓抽屑效果影響因素研究[A].2005年中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2005.

[8] 張斐，關(guān)世璽，辛春虹.深孔鉆削雙錐面負(fù)壓排屑系統(tǒng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(12):186-188.

[9] 龐俊忠，潘杰，常豆豆.深孔機(jī)床DF系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與效率分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(10):89-93.

[10] 李文亮，王愛玲，劉兆華.利用FLUENT研究DF系統(tǒng)的負(fù)壓裝置[J].現(xiàn)代制造工程，2009(2):77-79.

(編輯李秀敏)

Design and Research of Multiple Surfaces Negative pressure Chip pumping During Deep

Hole processing

LI Zhong-qiu,SHEN Xing-quan,ZHANG Ji-ming,CAO Wei-wei,NI Xue-ting

(Shanxi Deep Hole Cutting Research Center of Engineering Technology, School of Mechanical and power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract：For chip removal problems during the deep hole processing,on the basis of analysis of the existing negative pressure chip pumping theory, we design the multiple surfaces negative pressure chip pumping.Study the relationship between the efficiency and negative pressure injection coefficient and negative pressure suction jet clearance inclination angle.Theoretically proved that its efficiency is better than the traditional one.Create a simulation model,and we do the fluid pressure simulation analysis for it by the ANSYS FLUENT,it can reduce inlet pressure of the cutting fluid obviously,improving the work efficiency greatly,and we achieve the purpose of efficient chip removal.

Key words：deep hole processing; efficient chip removal; negative pressure chip pumping; DF system

中圖分類號(hào)：TH122;TG529

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李忠秋(1988—)，男，滿族，遼寧錦州人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯羁准庸ぜ夹g(shù)，(E-mail)251744228@qq.com。

*基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA70770)

收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-08-13

文章編號(hào)：1001-2265(2016)01-0134-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.037