深孔加工多级曲面负压抽屑系统的设计与研究*

李忠秋，沈兴全，张继明，曹卫卫，倪雪婷

(中北大学 机械与动力工程学院 山西省深孔加工工程技术研究中心，太原　030051)



深孔加工多级曲面负压抽屑系统的设计与研究*

李忠秋，沈兴全，张继明，曹卫卫，倪雪婷

(中北大学 机械与动力工程学院 山西省深孔加工工程技术研究中心，太原030051)

摘要：针对深孔加工过程中的排屑难问题，在分析现有负压系统理论的基础上，设计多级曲面负压抽屑系统，研究其工作效率与负压喷射系数及喷射间隙倾斜角度之间的关系，从理论上推导并证明其工作效率优于传统负压抽屑装置，建立仿真模型，并利用ANSYS FLUENT软件对其进行仿真分析，多级曲面负压抽屑系统能够很好的降低了切削液的入口压力，大大提高了工作效率，实现了高效排屑的目的。

关键词：深孔加工；高效排屑；负压抽屑；DF系统

0引言

在机械制造业中，一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔(内圆柱面)称为深孔[1-2]。深孔加工技术由于其加工过程的特殊性，形成其经典难题：排屑难、冷却难、润滑难、工具系统刚度低等，而排屑难问题更是成为重中之重[3-4]。现有解决排屑难问题的常规途径有三种：①拓展排屑空间；②控制切屑形态；③增强排屑动力[5]。

负压抽屑系统采用上述第三种排屑途径，很好的解决了排屑难问题。但随着高速切削技术的发展，深孔加工也向高速高效方向发展，单位时间内将会产生大量切屑[6]，如不能及时排出，会产生切屑堆积，影响加工质量和生产效率以及设备使用寿命，从而现有负压抽屑设备将不能满足使用需求。针对此问题，本文对原有负压抽屑系统进行改进和创新，研究设计多级曲面负压抽屑系统，利用FLUENT软件对该装置进行仿真分析，从而更深入的研究并验证排屑效果。

1深孔加工负压抽屑装置工作原理

1.工件 2.BTA钻 3.导向套 4.钻杆 5.输油器 6.抽屑装置 7.前喷嘴 8.后喷嘴

图1深孔加工负压抽屑装置结构示意图

深孔加工负压抽屑装置，如图1所示。由油泵输送的切削液分为前后两支：对于前一支切削液进入输油器后，经过钻套、已加工孔壁和钻杆、钻头体上的通油间隙之后流向切削刃，将切屑推入钻头喉部，经由钻头内腔进入钻杆后，进入抽屑器；而对于后一支，切削液进入负压抽屑装置的均压腔中，由前、后喷嘴之间锥形间隙射入，因流道的逐渐变小而获得加速，在钻杆末端形成圆锥面形状的高速射流，在钻杆处形成一个负压区，当负压足够大时，出屑口处切削液流速会在负压作用下变大，从而使切屑加速通过出屑口，达到高效排屑的目的[7]。

2多级曲面负压抽屑系统的研制

多级曲面负压抽屑装置与传统深孔加工负压抽屑装置的工作原理相同，而其结构是在原有装置的基础之上进行优化设计和创新，成为一种新型高效的负压抽屑装置，减小了深孔加工切削液入口的流体压力，同时提高了工作效率。为研究方便，本文以三级曲面负压抽屑装置为例进行设计与研究。

如图2所示，为三级负压抽屑装置的结构原理图，由曲面间隙流入负压液流，与切削液流产生冲击混合，产生的混合液流作为新的切削液流进入下一级负压腔，与新的负压液流继续产生新的冲击混合，此过程按新型负压抽屑装置设计的级数不同，依次递推循环，直至混合切削液由后排屑口排出。

1.切削液流 2.一级负压液流 3.一级混合压缩流 4.二级负压液流 5.二级混合液流 6.三级负压液流 7.三级混合流

图2三级负压抽屑装置结构原理图

由图2所示结构原理图可以分析看出，多级负压抽屑装置的工作结果会产生压力差，最后形成负压作用，从而我们可以定义全压缩比p3′/p1,其中p1是第一级的抽吸压力，p3′为最后一级(第三级)的压缩压力。在这个三级的串联系统中，有以下等式成立，p1′=p2，其中，p1′为第一级的压缩压力，p2为第二级的混合切削液流压力。以此类推，第二级的压缩压力等于第三级的混合切削液流压力，即p2′=p3。在此系统中，各级负压结构共同作用，最终形成压力差，得到全压缩比。

多级负压结构的工作效率，可以用同一时间内，被引射流体所得的能量(有效功率)与工作流体所失去的能量(输入功率)的比值来表示，即切削液流所获得的能量与负压流体所失去的能量之比：

(1)

式中ep、eH、ec，分别表示负压、排屑和混合流体的单位工作能力，λ表示多级负压结构的总喷射系数。

由(1)式可以看出，多级负压结构的总喷射系数λ越大，则效率越高。而总喷射系数等于第一级(低压级)的负压喷射流流量与结构中其它各级的混合切削液流总流量之比，即：

(2)

对于一级、二级、三级系统分别研究，其总喷射系数与各级喷射系数之间存在如下关系：

一级系统：

λ=λ1

(3)

二级系统：

(4)

三级系统：

(5)

式中λ1、λ2、λ3分别为第一、二、三级的喷射系数。GH1为第一级的负压喷射流流量；Gp1、Gp2、Gp3为第一、二、三级的切削液流流量。

(6)

Gp3=Gp1+Gp2

(7)

图3　射流间隙结构示意图

由上述推导分析可知，多级喷射结构的总喷射系数比单级喷射系数要高，从而可知多级负压结构的负压效果优于单级负压装置[8]。

相比于传统的锥面负压结构,见图3所示，由流体力学中的动力学理论可知，射流间隙对主射流产生的动量p为：

(8)

将A0=πD0δ代入上式，有

(9)

其轴向分量px、径向分量py分别为：

(10)

式中，m1为负压射流的质量流量，v1A为A-A截面处负压射流的流速，ρ1为负压射流的密度，D0为前排屑通道内径，A0为射流间隙管壁 面积，δ为射流间隙宽度，θ为射流间隙的角度。由公式可以看出，射流间隙的倾斜角度θ对动量两分量的影响较大，当θ减小时，px增大，转换的能量也随之增大，后排屑通道所获得的能量也增大。当θ=0时，能量转换率最大，效率也达到最高。从而，本文将负压射流通道设计成曲线，且与排屑通道相切，从而巧妙的减小了θ的角度，提高了负压抽吸效率[9]。

3仿真模型建立及参数设置

在不考虑切屑存在的情况下，由于装置内部流体的对称性，可简化建立切削液流场的二维平面模型[10]。利用GAMBIT软件进行建模、划分网格并设置边界条件。设置加工工件的直径为38mm，选择钻削加工方式，刀具为BTA实体钻直径为37.8mm，钻杆内流道直径为24mm。仿真流体按硫化切削液(Sulfur-Liquid)设置，其密度为2000kg/m3，粘度为1.72x10-5kg/m·s;边界条件设置为：排屑通道流量为Q1=62L/min。分析每个负压通道中流量为Q2=10.3L/min时所产生负压效应，即：排屑通道进油口速度为2.29m/s，射流口速度为5.6m/s；收敛准则选择差分方程表示的连续方程两边的计算差值小于0.0001为准。

3.1仿真结果及分析

图4　全压力云图

如图4所示，为负压仿真装置的全压力图。由图可以看出，三个负压通道均能产生负压作用。排屑通道中，最大压力分布在靠近壁面处。第二级负压通道处比第一级所产生压力大，第三级负压通道处所产生压力最大。三级负压通道所产生的负压抽吸力相互作用并叠加，并直接作用于切屑上，使得切屑能够随着切削液加速顺畅排出。

图5　速度云图

图5为负压仿真装置的速度云图，由图中可以直观看出排屑通道中切削液流速分布规律，在负压通道正对的区域，会形成一股速度很大的喷射流，其中负压装置通道后半部分流体的流速明显大于前半部分，孔壁面边缘处流速大于孔心处流速。后一级流体流速会在前一级流速的基础上产生综合叠加效应，大大提高了负压射流效果。

如图6所示，为负压仿真装置的对称轴上全压力的XY散点图。进一步论证图4所示分析，可明显看出负压产生位置及效果，第一级负压通道所产生的负压效果最明显，第二级次之，第三级负压效果相对减弱，这是由于随着负压级数的增多，排屑通道内流体压力逐级增大所致，相比于单级负压装置，多级负压相互叠加所产生的排屑效果更加明显。图7、图8、图9分别为第一、二、三级负压区径向截面全压力XY散点图。可以看出，孔壁面边缘处压力明显大于孔心处，后一级压力大于前一级。

图6　对称轴上全压力的XY散点图

图7　第一负压区径向截面全压力XY散点图

图8　第二负压区径向截面全压力XY散点图

图9　第三负压区径向截面全压力XY散点图

4结束语

针对深孔加工中排屑难题，设计一种新型高效负压抽屑装置，即多级曲面负压抽屑装置，从理论上验证了负压抽吸效果，第一级的抽吸力能够直接作用于切屑上，后一级则在前一级的基础上产生新的抽吸作用，多级负压相互作用叠加，抽吸效果明显，相比于单级负压装置，可以显著降低切削液入口压力，从而很好的解决了液压系统密封问题，使其密封简单化，排屑更为顺畅，加工过程更加稳定，生产效率和加工质量更高。大大提高了工作效率和工作能力。

[参考文献]

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[2] 王世清.深孔加工技术[M].西安：西北工业大学出版社，2003.

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[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] 赵丽琴，李建，王彪，等.深孔加工负压排屑系统的优化设计仿真研究[J].机械设计与制造，2013(4):33-35.

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[7] 张银东，陈磊，李文华，等.深孔加工中负压抽屑效果影响因素研究[A].2005年中国机械工程学会年会论文集，2005.

[8] 张斐，关世玺，辛春虹.深孔钻削双锥面负压排屑系统数值模拟与试验研究[J].机械设计与制造，2012(12):186-188.

[9] 庞俊忠，潘杰，常豆豆.深孔机床DF系统的数学建模与效率分析[J].制造技术与机床，2014(10):89-93.

[10] 李文亮，王爱玲，刘兆华.利用FLUENT研究DF系统的负压装置[J].现代制造工程，2009(2):77-79.

(编辑李秀敏)

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

中图分类号：TH122;TG529

文献标识码：A

作者简介：李忠秋(1988—)，男，满族，辽宁锦州人，中北大学硕士研究生，研究方向为深孔加工技术，(E-mail)251744228@qq.com。

*基金项目：国家国际科技合作专项项目(2013DFA70770)

收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-08-13

文章编号：1001-2265(2016)01-0134-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.037