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
2018-5-4 來源：轉(zhuǎn)載 作者： 李忠秋，沈興全，張繼明，曹衛(wèi)衛(wèi)，倪雪婷
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。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。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.
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，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.
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。
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。
圖2 三級(jí)負(fù)壓抽屑裝置結(jié)構(gòu)原理圖
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.
圖 3 射流間隙結(jié)構(gòu)示意圖
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:
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 化 建 立 切 削 液 流 場 的 二 維 平 面 模型。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
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 4 全壓力云圖
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5 速度云圖
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。
來源：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
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