深孔加工變負(fù)壓抽屑裝置的設(shè)計(jì)與研究
2018-4-25 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：馬騰，沈興全，高偉佳，魏杰
摘要: 深孔加工技術(shù)一直是機(jī)械制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，其中加工過(guò)程中高效排屑又是深孔加工過(guò)程中尤為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。針對(duì)深孔加工過(guò)程中切屑形態(tài)不穩(wěn)定所形成的輕微堵塞的問(wèn)題，通過(guò)分析研究現(xiàn)有的負(fù)壓抽屑裝置，設(shè)計(jì)脈沖式變負(fù)壓抽屑裝置，并研究其變負(fù)壓的形成理論關(guān)系，從理論上證明形成變負(fù)壓的可行性，通過(guò) ANSYS FLUENT 軟件進(jìn)行仿真分析。脈沖式變負(fù)壓抽屑裝置使負(fù)壓抽屑裝置所形成的抽吸力可以脈沖式的變化，使切屑受到松緊不一的抽吸力，輕微堵塞的切屑在變化的抽吸力的作用下改變方向后能順利的排出，從而盡可能的避免加工失敗，提高工作效率。
關(guān)鍵詞: 深孔加工; 高效排屑; 負(fù)壓抽屑
0 、引言
深孔加工技術(shù)起源于對(duì)槍炮管的制造過(guò)程，后被廣泛用于民用領(lǐng)域。所謂深孔，就是孔深L與孔徑 d之比大于5的孔。但由于孔的深度與直徑之比較大，帶來(lái)了工藝系統(tǒng)的剛度低，切屑排出難及冷卻潤(rùn)滑難等問(wèn)題，其中排屑難又首當(dāng)其沖。目前解決排屑難的常用方法: 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)壓排屑裝置很好的解決了排屑困難的問(wèn)題，該裝置采取增加排屑動(dòng)力的方法，通過(guò)噴吸效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸力來(lái)提供排屑動(dòng)力。實(shí)踐證明該裝置的效果是顯著的，但是在高速加工過(guò)程中切屑快速累積，并會(huì)產(chǎn)生尺寸不合格的切屑，極易產(chǎn)生塞堵現(xiàn)象。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。現(xiàn)有的負(fù)壓排屑裝置提供的抽吸力是定值，在遇到不合格的切屑時(shí)不能有效排出，只能使切屑不斷增加，最終造成加工失敗。針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)優(yōu)化負(fù)壓排屑裝置，設(shè)計(jì)出脈沖式負(fù)壓排屑裝置，該裝置可以使負(fù)壓排屑裝置中產(chǎn)生變化的負(fù)壓，切屑在一松一緊的抽吸力作用下容易改變方向后排出，降低切屑堵塞幾率，提高加工效率。
1、負(fù)壓抽屑裝置分析
在傳統(tǒng)的負(fù)壓抽屑裝置中，切削液由定量油泵輸送同時(shí)供給兩條支流，如圖 1。其中前一條支流的切削液Q1進(jìn)入排屑通道中的輸油器后，經(jīng)過(guò)鉆套 、已加工孔壁與鉆桿、鉆頭體上的通油間隙后流向切削區(qū)的切削刃，給刀齒降溫的同時(shí)，將切屑推入鉆桿后排到抽屑器; 另外一支切屑液Q2進(jìn)入負(fù)壓抽屑裝置，在經(jīng)過(guò)前、后噴嘴之間的狹窄間隙，因流道變小而獲得加速，在鉆桿末端形成圓錐面形狀的射流，使鉆桿末端出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生對(duì)切屑的抽吸力作用，加速鉆桿內(nèi)腔整個(gè)排屑通道中的介質(zhì)流動(dòng)，達(dá)到高效排屑的目的。其抽吸力的大小由經(jīng)過(guò)負(fù)壓通道形成的噴射流與排泄通道切削液的流速差決定。在由負(fù)壓形成的抽吸力的作用下，切屑能高速在鉆桿中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速高效排屑。
圖 1 負(fù)壓抽屑裝置原理示意圖
影響負(fù)壓排屑效率的因素很多，其中射流噴嘴的間隙和射流噴嘴的噴射角是主要的影響因素，一般射流間隙取0.2 ～ 0．5mm，噴射角取15°～ 30°。此外還有一些其他的因素，因主要討論負(fù)壓通道中流量對(duì)負(fù)壓的影響，其余因素假設(shè)不變。
2 、脈沖式變負(fù)壓抽屑裝置分析
2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在負(fù)壓抽屑裝置中想實(shí)現(xiàn)負(fù)壓脈沖式變化，勢(shì)必需要使負(fù)壓通道的射流流量脈沖式變化。考慮到負(fù)壓通道的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的變流器并放入負(fù)壓通道中。變流器的原理: 通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子上的通道周期性的與負(fù)壓通道連接，則轉(zhuǎn)子通道與負(fù)壓通道聯(lián)通的橫截面積也周期性的變化，使射流通過(guò)的流量發(fā)生周期性變化，從而改變負(fù)壓值。變流器的原理見(jiàn)圖 2。
圖2 變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
如圖2 所示，變流器主要由殼體與轉(zhuǎn)子構(gòu)成，殼體與轉(zhuǎn)子均為圓柱結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子中間部位設(shè)計(jì)兩個(gè)通道且互相垂直，用來(lái)提供切削液通過(guò)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子通道與負(fù)壓通道聯(lián)通的橫截面積是變化的，于是切削液 Q 在由前連接進(jìn)入變流器轉(zhuǎn)子通道時(shí)，流速必然會(huì)變化。切削液 Q 在通過(guò)變化的轉(zhuǎn)子通道與負(fù)壓通道聯(lián)通的橫截面積后，進(jìn)入轉(zhuǎn)子通道，最后經(jīng)過(guò)后連接進(jìn)入負(fù)壓裝置。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是由傳動(dòng)軸連接的電動(dòng)機(jī)提供的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的大小直接影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與切削液的脈沖頻率關(guān)系是:
2．2 原理分析
變流器的原理是通過(guò)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)使負(fù)壓通道的切削液周期性的通過(guò)，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓通道的抽吸力脈沖式變化。現(xiàn)分析轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)脈沖頻率的影響，轉(zhuǎn)子的剖視圖如圖3。
圖3 轉(zhuǎn)子剖面圖
圖4 轉(zhuǎn)子與通道位置示意圖
圖5 轉(zhuǎn)子截面與通道截面位置示意圖
通過(guò)分析可知，負(fù)壓通道的通過(guò)橫截面積由通道直徑 d 和時(shí)間 t 決定，當(dāng)進(jìn)入變流器中的切削液壓力一定時(shí)，切削液通過(guò)的流速一定，則切削液流量與負(fù)壓通道橫截面積為正比關(guān)系，可以定量計(jì)算。但在實(shí)際工作中，由于切削液的慣性和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，會(huì)使流量有所偏差。
3、 變負(fù)壓系統(tǒng)仿真分析
3．1 仿真條件設(shè)置
本文采用的結(jié)構(gòu)為雙進(jìn)油口圓錐形結(jié)構(gòu)，同時(shí)將其他參數(shù)設(shè)定為定值，在不考慮切屑存在的情況下分析負(fù)壓通道中變流對(duì)負(fù)壓的影響。應(yīng)用 GAMBIT 建立模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件。由于裝置內(nèi)部流體是規(guī)則結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化建立切削液流場(chǎng)的二維平面模型，如圖6。
圖 6 流場(chǎng)二維仿真模型
3．2 仿真結(jié)果
(1) 當(dāng)排泄通道進(jìn)口流速為 5． 4m /s，射流口流速為 31． 6m /s 時(shí)，總壓力云圖、速度云圖、對(duì)稱(chēng)軸上壓力XY 散點(diǎn)圖和負(fù)壓區(qū)徑向截面壓力 XY 散點(diǎn)圖分別如圖7 所示。
圖7 射流口流速為 31． 6m/s 時(shí)仿真結(jié)果
圖8 射流口流速為 20m/s 時(shí)仿真結(jié)果圖
圖9 射流口流速為 6． 3m/s 時(shí)仿真結(jié)果圖
（3） 當(dāng)排泄通道進(jìn)口流速為 5． 4m /s，射流口流速為 6． 3m /s 時(shí)，總壓力云圖、速度云圖、對(duì)稱(chēng)軸上壓力XY 散點(diǎn)圖和負(fù)壓區(qū)徑向截面壓力 XY 散點(diǎn)圖分別如圖9 所示。
3．3 結(jié)果分析
從上邊各圖可以看出，射流口速度為31．6m / s、20m / s、6． 3m / s 時(shí)均可以產(chǎn)生負(fù)壓，且作用于切屑上，形成對(duì)切屑的抽吸力，加快切屑的排出。仿真結(jié)果表明當(dāng)負(fù)壓通道中的流量變化時(shí)，負(fù)壓值也隨之變化，負(fù)壓所形成的抽吸力也隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)脈沖式的變負(fù)壓抽屑。在遇到輕微堵塞的情況時(shí)，由于切屑在脈沖式負(fù)壓的效應(yīng)下，受到一緊一松的抽吸力能改變切削的排出方向，緩解堵塞后順利把切屑高效的排出。避免由于切屑輕微堵塞時(shí)不能盡快排出所造成的切屑不斷累積，最終使加工失敗。
4 、結(jié)束語(yǔ)
本文研究了高速深孔加工過(guò)程中排屑難的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了脈沖式變負(fù)壓排屑裝置。該裝置可以使排屑通道中形成脈沖式變負(fù)壓，從而切屑受到變化的抽吸力。在遇到因不合格切屑形成的輕微堵塞情況，因抽吸力一緊一松所以使堵塞的切屑也一松一緊改變方向然后便于排出。該裝置使負(fù)壓抽屑裝置更加穩(wěn)定高效，提高了工作效率。
來(lái)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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