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深孔（kǒng）加工（gōng）多（duō）級曲麵負壓抽屑係統的設（shè）計與（yǔ）研究（jiū）

2018-5-4 來源：轉載（zǎi）作者：李忠秋，沈興全，張繼明，曹衛衛，倪雪婷

摘要: 針對深孔加工過程中的排屑難問題，在分析現有（yǒu）負壓（yā）係統（tǒng）理論的基礎上，設計多級曲（qǔ）麵負壓抽屑係統，研究（jiū）其工作效率與負壓噴射係數及噴（pēn）射間（jiān）隙傾斜角度之間的關係，從理論上推導並證明其工作效率優於（yú）傳統負壓（yā）抽屑裝置，建立仿真模型，並利用 ANSYS FLUENT 軟件對其進（jìn）行仿真分析，多級曲麵負壓抽屑係統（tǒng）能夠很好的降低了切削液的入口壓（yā）力，大大提高了工作效率，實現了高效排屑的目的。

關鍵詞: 深孔加工; 高效排屑; 負壓抽屑; DF 係統

0 、引言（yán）

在機械（xiè）製造業中，一（yī）般將孔深超過孔徑 5 倍的圓柱孔( 內圓柱麵) 稱（chēng）為深孔（kǒng）。深孔加工技術由於其加工過程（chéng）的特殊性，形成其經典難題: 排屑難、冷卻難、潤滑難、工具係統（tǒng）剛度低等，而排屑難問題更是成為重中之重（chóng）。現有解決排屑難問題的（de）常規途徑有三種:①拓展排屑空間（jiān）; ② 控（kòng）製切屑（xiè）形態; ③ 增強排（pái）屑動力.

負壓抽屑係統采用上述第三種排（pái）屑途徑，很好的解決了排屑難問題。但隨（suí）著高速切削（xuē）技術的發展，深（shēn）孔加工也向高速高效方向發展，單位時間內將會產（chǎn）生大量切屑，如不能及時排出，會產（chǎn）生切屑堆積，影響加工質量和生產效率以及設備使用壽命，從而現有負壓抽屑設備將不能滿足使用需求。針對此（cǐ）問（wèn）題，本文對原有（yǒu）負（fù）壓抽屑係統（tǒng）進行改進（jìn）和創新，研（yán）究設（shè）計多級曲麵負（fù）壓抽屑係統，利用 FLUENT 軟（ruǎn）件對該裝置進行仿真（zhēn）分析，從而更深入的研究並驗證排屑（xiè）效果.

圖1 深孔加工負（fù）壓抽屑（xiè）裝置結構示意圖

深孔加工負壓抽屑裝置，如（rú）圖 1 所（suǒ）示（shì）。由油泵輸送的切削液分為前後兩支（zhī）: 對於前一支切削液進入輸（shū）油器後，經過鑽套、已加工孔壁和鑽杆、鑽頭體上的通油間隙之後流向切削刃，將切屑推入鑽頭喉（hóu）部，經由鑽頭內腔進入鑽杆後，進入抽屑（xiè）器; 而對於（yú）後一（yī）支，切削液進入負壓（yā）抽屑裝置的均壓腔中，由前、後噴嘴之間錐形間隙射入，因流道的逐漸（jiàn）變小而獲得加速，在鑽杆末（mò）端形成圓（yuán）錐麵形狀的高速射流，在鑽杆處形成一個負壓區，當負壓足夠大時，出屑口處切削液流速會在負壓作用下變大，從而使切屑加速通過出屑口，達到高效排屑的目的。

2 、多級曲麵負（fù）壓抽屑係（xì）統的研製

多級曲麵負壓抽（chōu）屑裝置與（yǔ）傳統深（shēn）孔加工負壓抽屑裝置的工（gōng）作原理相同，而其（qí）結構是在原有（yǒu）裝置的基礎之上進行優化設計和（hé）創新，成為一（yī）種新型（xíng）高效的負（fù）壓（yā）抽（chōu）屑裝置，減小了深孔（kǒng）加工切削液入口的流體壓力，同時提高了工作效率（lǜ）。為研究方便，本文以三級曲麵負壓（yā）抽屑裝置為例進行設計與（yǔ）研究。

如圖 2 所示，為三級負壓抽屑裝置的結構原理圖，由曲麵（miàn）間隙流入負壓液（yè）流，與切削液流產（chǎn）生衝擊混合，產生的混合（hé）液流作為新的切削（xuē）液流進入下一級（jí）負壓腔，與新的負壓液流繼（jì）續產生新的衝擊混合，此過程按新（xīn）型（xíng）負壓抽屑裝置設計的級數不同，依次遞推循環，直至混合切削液由後排屑口排出。

圖2 三級負（fù）壓抽屑裝置結（jié）構原理圖

由（yóu）上述推導分析可知，多級噴射結構的（de）總噴射（shè）係數比單級噴（pēn）射係（xì）數要高，從而可知多級負壓結構的負（fù）壓效果優於單（dān）級負壓裝置.

圖 3 射流（liú）間隙結構示（shì）意圖

相比於傳統的錐麵負壓結構（gòu），見圖 3 所（suǒ）示，由流體力學中的動力學理論可知，射流間隙（xì）對主射流產生的動量 P 為:

3 、仿真模（mó）型（xíng）建立（lì）及（jí）參數（shù）設置

在不考慮切屑存在的情況下，由於裝置內部流體的對稱性，可簡化建立切削（xuē）液流場的二維平麵模型。利用 GAMBIT 軟件進行（háng）建（jiàn）模、劃分網格並設置邊界條件。設置加工工件的（de）直徑為 38mm，選擇鑽削加工方式（shì），刀（dāo）具為 BTA 實體鑽直徑為 37． 8mm，鑽杆內流道直徑為 24mm。仿真流（liú）體按硫化切削液（yè）( Sulfur-Liquid) 設置，其密度為 2000kg / m3，粘度（dù）為 1．72x10－5kg / m·s; 邊界條件（jiàn）設置為（wéi）: 排屑通道流量為 Q1= 62L / min。分析每個負壓通道中流量為 Q2= 10． 3L / min時所產生負（fù）壓效應，即: 排（pái）屑通（tōng）道進油口速度為2. 29m / s，射（shè）流口速度為 5． 6m / s; 收斂準（zhǔn）則選擇差分方程表示的連續方（fāng）程兩（liǎng）邊的計算差值小於（yú） 0．0001 為準。

3．1 仿真結果及分析

如圖 4 所（suǒ）示，為負壓仿真裝置（zhì）的全壓力（lì）圖。由圖可以（yǐ）看出，三個負壓通道均能產生負（fù）壓作用。排屑通道中，最（zuì）大壓力分布在靠近壁麵處。第二級負壓通（tōng）道處比第（dì）一（yī）級所產生壓力大，第

三級負壓通道處所產生（shēng）壓力最大。三級負壓通道所產生（shēng）的負壓抽吸力相（xiàng）互作用並疊加，並直接作用於切屑上（shàng），使得切屑能夠隨著切削液加速順暢（chàng）排出。

圖 4 全壓力雲圖

圖（tú） 5 為負壓仿真裝置的速度雲圖，由圖中可以直觀看出排屑（xiè）通道（dào）中切削液流速分布規律，在負壓通（tōng）道正對的區域，會形（xíng）成一股速度很（hěn）大的噴射流，其中負壓裝置通道後半（bàn）部分流體的流速明顯大於前半部分（fèn），孔壁麵邊緣處流速大於孔（kǒng）心處流速（sù）。後一級流體流速會在前一級流速的基礎（chǔ）上產生綜合疊加效應，大大提高了負壓射流效果。如圖 6 所示，為負壓仿真裝置的對稱軸上全壓力的 XY 散點圖。進一步論證圖 4 所（suǒ）示分析，可明顯看出負壓產生位置及（jí）效果，第一級負壓（yā）通道所產生的負壓效果最明顯，第二級（jí）次（cì）之，第三級負壓（yā）效果相對減弱，這是由於（yú）隨（suí）著負壓級數的增多，排屑通內流體壓力逐級增（zēng）大所致，相比於單級負壓裝置，多級負壓相（xiàng）互疊加所產生的排屑效果更加明顯。圖 7、圖 8、圖 9 分別為第一、二、三級負壓（yā）區徑向截麵全壓力 XY 散點圖。可以（yǐ）看出，孔壁麵邊緣處壓力明顯大於孔心處，後一級壓力大於前一級。

圖5 速度雲圖

圖6 對稱軸上全壓力的（de） XY 散點圖

圖7 第一負（fù）壓區（qū）徑向截麵全壓力 XY 散點圖

圖8 第二負壓區徑向截麵（miàn）全壓力（lì） XY 散點圖

圖（tú）9 第三負壓區徑向截麵全壓力 XY 散點圖

4 、結束語

針對深孔加工中排屑難題，設計一種新（xīn）型高效負壓抽（chōu）屑裝置，即多級曲麵負壓抽屑裝置，從理論上（shàng）驗證了負壓（yā）抽吸效果，第一級（jí）的抽吸力能夠直接作用於（yú）切屑上，後一級則在前一級的基礎上（shàng）產生新的抽吸作用，多級負壓相互作用疊加，抽吸效（xiào）果明（míng）顯，相比於單（dān）級負壓裝置，可以顯（xiǎn）著降低切削液入口壓力，從而很好（hǎo）的解（jiě）決了液壓係統密封問題，使其密封簡單化，排屑更為順暢，加工過程更加穩定（dìng），生產效率（lǜ）和加工（gōng）質量更高。大大提高了工作效率和工作能力。

來源：中（zhōng）北大學機械與動力工程學院山西省深（shēn）孔加工工程技術研究（jiū）中心

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