摘 要：負壓抽（chōu）屑（xiè）裝（zhuāng）置是保障深孔（kǒng）加工排屑順暢的有力手段。本文提出建立（lì）充分考慮流量、流速、間隙（xì）寬（kuān）度、噴射夾角等影響因素的（de）負壓抽屑數學模（mó）型，分析這些因素對抽屑效果的（de）影響，並利用 FLUENT 軟件對有無負壓抽屑裝置情況下分別進行（háng）仿（fǎng）真對比，量化研（yán）究其抽屑效果。結果表明：射流噴嘴（zuǐ）的（de）間隙和噴射角是影響負（fù）壓抽屑效果的關鍵因素；無負壓裝置時，切屑在排屑通道中隻受（shòu）到推力，並且隨位移逐漸減弱；當推力減小到小於阻力時，切（qiē）屑容易在排屑口尾部滯留，發生堵屑現（xiàn）象；加載負壓抽（chōu）屑裝置時（shí），在排（pái）屑通道尾部形成壓力差（chà），產生 3 倍（bèi）於排（pái）屑（xiè）通道推力的吸力，使切屑在通道尾（wěi）部受到一個強力的加速度，克服切（qiē）屑阻力，排屑效果（guǒ）提高了200%。
 
       關鍵詞：深孔加（jiā）工 負壓抽屑 FLUENT 軟件 仿真分析
   
       引言
 
       近年（nián）來，隨著製造業的迅猛（měng）發展，深孔加工技（jì）術加工效率及精度的（de）提高成為（wéi）製約（yuē）整個製造裝配技術的發（fā）展瓶頸。排屑不暢是影（yǐng）響深（shēn）孔加工技術發展（zhǎn）的主要問題之（zhī）一，特別是在高速加工（gōng）小深孔時，極易發生堵屑現象，造成廢（fèi）品率較（jiào）高[1-2]。如何保證深孔加工排屑（xiè）順（shùn）暢，成為（wéi）各大科研院所及院校關注的熱點。
 
       目前，解決排屑困難的常（cháng）規途徑有三種：拓展排屑空間，控製切屑形態和增強排屑動力。負壓抽屑技術就是（shì）采用第三種排屑途徑的（de）一種方式。它增加其抽吸力，實（shí）現主動排屑[3]。
 
       1 、負壓抽屑工作原理
  
  

      
                                 圖 1 負壓抽屑裝置（zhì）示意圖
   
       如圖 1 所示（shì），高壓切削液經節流閥分為兩支液流：前一支液流經（jīng）排屑通道流向切（qiē）削刃，推切屑進入（rù）出屑口；後一支液流穿過負壓通道，形成（chéng）環形射流，產生負壓抽吸效應，從而增（zēng）加鑽杆內部前後壓（yā）力差，即（jí）通過產生的負壓來增強係統的排屑動力[4]。實踐證明，它（tā）在排屑過程中起到了一定的作用。
 
       2、 負壓抽屑裝置數學模型
   
       圖 2 為負壓抽屑（xiè）匯流模型，沿程流（liú）動（dòng）過程中存在流體匯流（liú）的情況：截麵 1-1 為排屑通道，通道直徑為 D1，流經其流量為 Q1，流速為 v1；截麵 2-2 為負壓通（tōng）道，射流間隙為δ，流經其流量為 Q2，流速為 v2；截麵 0—0 為匯流後（hòu）的（de）總通道，通道直（zhí）徑為 D2，流（liú）經其流量為 Q0，流（liú）速為 v0[5-7]。
  
     

                     圖 2 負壓抽屑匯流模型
     
      如（rú）圖 2 所示，對於支流與總流，根據質量守恒定律，有（yǒu）

      Q0=Q1+Q2 （1）
 
      沿 流 動 方 向 分 別 寫 出 過 流（liú） 截 麵 1-1 與 0-0、2-2 與0-0 之間總流的伯努利方程：
  
      

       
    
       式中，θ 為射流噴嘴的噴射角。
   
       以上所（suǒ）建數學模型的假設條件（jiàn）為（wéi）：①排屑通道與負壓通道中切削液的溫度相同（tóng）；②切削液無粘性作用；③切削液無雜質且不可壓縮；④排屑通道（dào）與負壓通道中（zhōng）的切削液均為二（èr）維無旋流動。
 
       3 、負壓（yā）抽屑裝置仿真分析
   
      （1）建立模（mó）型。為（wéi）了分析比較負壓通道中流量變（biàn）化對負壓的影（yǐng）響，將圖 2 所示的其他參數均設置成定（dìng）值，所以令 D1=17mm，δ=0.45mm，θ=30°，D2=D1+2δcosθ。利用（yòng）前處理器 GAMBIT 軟件進行建模、劃分網格並設置 邊 界 條 件 。 設 置 入 口 邊 界 條 件 為 速 度 入 口 邊 界（VELOCITY_INLET），出口邊（biān）界為自然流（liú）出（OUTFLOW），其他邊界均為壁（bì）麵邊界（WALL），最後將文件保存成.msh格式。所建（jiàn）流場的二維仿（fǎng）真模型及其局部放大圖如圖 3所示。
  

     
 
        圖 3 流場二維仿（fǎng）真模型
   
     （2）求解器的（de）設置。將 GAMBIT 生成的.msh 網格文件導入 FLUENT 中，首先檢查網格質量，如果沒（méi）問題，便可對模（mó）型進行仿真。
 
      所（suǒ）設流體材料為硫化切削液（yè） （Sulfur-Liquid），其密度為 2000kg/m3，粘（zhān）度為 1.72×10-5kg/m·s；在邊界條件的設置中，令排屑通道流量為 92L/min，分析（xī）負壓通道中流（liú）量為46L/min，即排屑通道進油口速度為 6.76m/s，射流口速度為 31.9m/s；收斂準則選擇差分方程表示的連續方程（chéng）兩邊的計算差值小於 0.0001 為準。
 
     （3）仿真（zhēn）結果。經仿真運算，總（zǒng）壓（yā）力雲圖、速度雲圖及負壓區徑向截麵全壓力 XY 散點圖分別如圖 4（a）、（b）所示。
  
    

       
  
                                  圖 4 仿真結果圖
 
      4 、無負壓抽屑裝置的（de）仿（fǎng）真分析
 
     （1） 建立模型。建立無負壓抽（chōu）屑裝置的三（sān）維模型，即（jí）僅 有 排 屑 通（tōng） 道 ，D1=17mm。 設（shè） 流（liú） 體 材 料 為 硫 化 切 削 液（Sulfur-Liquid）， 其 密 度 為 2000kg/m3， 粘 度（dù） 為（wéi） 1.72 ×10-5kg/m·s；在邊界條（tiáo） 件的 設置 中， 令 排屑 通道 流量 為92L/min，收斂準則選擇差分方程表示（shì）的連續方程兩邊的計算差（chà）值小（xiǎo）於 0.0001 為準。
   
    （2）仿真結果。經過仿真運算，總壓力雲圖如圖 5 所示。
  
  

     
  
                              圖 5 仿真結果（guǒ）圖
   
     5 、結論
   
     對比圖（tú） 4、圖 5 可知，無（wú）負壓抽屑裝置中，切屑隻受到來自通道入口的推力，壓強為 4.6×104Pa，而負壓抽屑裝置能產生（shēng）一個負（fù）壓（yā）。當負壓通道中流量為 46L/min 時，所產生的負壓值為 1.5×105Pa，是推力的 3 倍（bèi）。負壓所形（xíng）成的（de）抽吸力直接作用於切（qiē）屑上，加上來自通道入口的推力（lì），使得切屑隨切削液加速排出，更有利於排屑順暢（chàng）。