深孔加工變（biàn）負（fù）壓（yā）抽屑裝置的設計與研究-數控機床（chuáng）市場網

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深孔加工變負壓抽（chōu）屑裝置的設計（jì）與研究

2018-4-25 來（lái）源（yuán）：轉載作（zuò）者：馬騰，沈興全，高偉佳（jiā），魏傑

摘要: 深孔加工技術一直是機械（xiè）製造（zào）業中的關鍵（jiàn）技（jì）術，其中加工過程中高效排屑又是深孔加工過程中尤為重要的一個環節。針對深孔加工過程中切屑（xiè）形態不穩定所（suǒ）形成的輕微堵塞的問題（tí），通過分析研究現有的負壓抽屑裝置，設計脈衝式變負壓抽屑裝置，並研究其變負壓（yā）的形成理論關係，從理論上證（zhèng）明形成變負壓的可行性，通（tōng）過 ANSYS FLUENT 軟件進行仿真分析。脈衝（chōng）式變負壓抽屑裝置使負壓（yā）抽屑裝置所形成的抽吸力可（kě）以脈衝式的變化，使切屑受（shòu）到鬆緊不一的抽吸（xī）力，輕微堵塞的切屑在變化（huà）的抽吸力的作用下改變方向後能順利的排出，從（cóng）而盡可能的避（bì）免加工失敗，提高工作效率。

關鍵詞: 深孔加工; 高效排屑; 負壓抽屑

0 、引言

深孔加工技術起源（yuán）於對槍炮管的製造過（guò）程，後（hòu）被廣泛用於民用領域。所謂深（shēn）孔，就是孔深L與孔徑（jìng） d之（zhī）比大於5的孔。但由於孔的深度與直徑之比較大（dà），帶來了工（gōng）藝係統的剛度低，切屑排出難及冷卻潤滑難等問題，其中排屑難又首當其衝。目前解決排屑難的常用方法: ①拓展排屑空間; ②控製切屑（xiè）形態; ③增強排屑動力。

負壓排（pái）屑裝置很好的解決了排屑（xiè）困難的問（wèn）題，該裝置（zhì）采取增加排屑動力的方法，通過噴吸效應產生的負壓（yā）抽（chōu）吸（xī）力來提供排屑動力。實踐證明該裝置的效果是（shì）顯著的，但是在高速加工過（guò）程中（zhōng）切屑快速累積，並會產生尺寸不合格的切屑，極易產（chǎn）生塞堵現象。如不能及時排出，會產生切屑堆積，影響加工質量和生產效率以及設備使用壽命，從而現（xiàn）有負壓抽（chōu）屑設備（bèi）將不能滿足使用需求。現有的負壓（yā）排屑裝置提供的抽吸力是定值，在遇到不合格的切屑時不能有效排出，隻能使切屑不斷增加，最（zuì）終造成加工（gōng）失敗。針對上述問題通（tōng）過優（yōu）化負壓排（pái）屑（xiè）裝置（zhì），設計出脈衝式負壓排屑裝置，該裝置可以使負壓排屑裝置中產生變（biàn）化的負（fù）壓，切屑（xiè）在一鬆一緊的抽吸力作用下容易（yì）改變方向後排出，降低切屑堵塞幾率，提高加工（gōng）效率。

1、負壓抽屑裝置分析

在傳統的負壓抽屑裝置中，切（qiē）削液由定量油泵輸送同時供給兩條支流，如圖 1。其（qí）中前一條支流的切削液Q1進（jìn）入排屑通道中的（de）輸油器後，經過鑽套、已加工孔壁與鑽杆、鑽頭體上的通油間隙（xì）後流向切削（xuē）區的切削刃（rèn），給刀（dāo）齒降溫的同時，將切屑推入（rù）鑽（zuàn）杆後排到抽屑器; 另外一支切屑液Q2進入負壓抽屑裝置，在經過前、後噴嘴之間的狹窄間隙，因流道變小而獲得加速，在鑽（zuàn）杆末端形成圓錐麵形狀的射流，使鑽杆末端出現負壓區，從而產生對（duì）切屑的抽吸力作用，加速（sù）鑽杆內腔整個排屑通道中的介質流動，達到高效排屑的目的。其抽（chōu）吸力的（de）大小由經過負壓通道（dào）形成的噴射流與排泄通道切削液的流速差決定。在由負壓形成的抽吸力的作用下，切屑（xiè）能（néng）高速（sù）在鑽杆中（zhōng）流動，實現高速高效排屑。

圖 1 負壓（yā）抽屑裝置原理示意圖

影響負壓排屑效率的因（yīn）素很（hěn）多，其中射流噴嘴的間隙和射流噴嘴的（de）噴（pēn）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（cǐ）外還有一些其他的因（yīn）素，因主要討論負壓通道中流量對負壓的影響（xiǎng），其餘因素假設不變。

2 、脈衝式變負壓抽屑裝置分析

2．1 結構設計

在負（fù）壓抽屑裝置中想實現負壓（yā）脈衝式變化，勢（shì）必需要使負壓通道的射流流量脈衝（chōng）式變化（huà）。考慮到負壓通道的結構，設計簡易（yì）的變流器並放入負壓通道（dào）中。變流器的原（yuán）理: 通過電動機控製轉子的（de）旋轉，使轉子上的通道周期性的與負壓通道連（lián）接，則轉子通道（dào）與負壓通道聯通的橫截麵（miàn）積也周期性的變化，使射流通過（guò）的流（liú）量發生周期性變化，從而改變負壓值。變流器（qì）的原理見圖 2。

圖2 變流器的結構設計圖

如（rú）圖2 所示，變流器主要由殼（ké）體與轉子構成（chéng），殼體與轉子均為圓柱結構。轉子中間部位設計兩個通道且互相垂直，用來提供切削液通過。當轉子旋轉（zhuǎn）時，轉（zhuǎn）子通道與負壓通道聯通的（de）橫截麵積是變化的，於是切削液 Q 在由前連接（jiē）進入變（biàn）流器轉子通道時，流速必然會變化。切削液 Q 在通過變化的轉子通道與負壓通道聯通的橫截麵積後，進入轉子通道，最後經過後連接進（jìn）入負壓裝置。轉子的旋轉是由傳動軸連接的（de）電動機（jī）提供的，電動機轉（zhuǎn）速 n 的大小直接影（yǐng）響轉子的（de）轉速，轉速與切削液的脈衝頻率關係是:

2．2 原理分析

變流器的原（yuán）理是通過轉子的（de）旋轉使負壓通道的切削液周期性的通（tōng）過，實現負壓通道的（de）抽吸力脈衝式變（biàn）化。現分析轉子的參（cān）數對脈（mò）衝頻率的影響，轉子的剖視圖（tú）如（rú）圖3。

圖3 轉子剖麵圖

圖（tú）4 轉子與通道位置示意圖

圖5 轉子截麵與通道截麵位置示意圖

通過（guò）分析（xī）可知，負壓（yā）通道的通（tōng）過橫截麵積由通道（dào）直徑 d 和時間 t 決定，當進（jìn）入變流器中（zhōng）的切削液壓（yā）力一定（dìng）時，切削液通過的流速（sù）一定，則切削液流量與負壓通道橫截麵積為正比關係，可以定量計算。但在（zài）實際工作中，由於（yú）切削液的慣性和轉子的轉動等因素，會使流量有（yǒu）所偏差（chà）。

3、變負壓係統仿真分析

3．1 仿真條件設置

本文采用的結構為雙進油口圓（yuán）錐（zhuī）形結構，同時（shí）將（jiāng）其他參數設定為定值，在不考慮（lǜ）切屑存（cún）在的情況下分析負壓通道中變流對負壓的影響。應（yīng）用 GAMBIT 建立模型、劃分網（wǎng）格、設置邊界條件。由於裝置內部流體（tǐ）是規則結構，可簡化（huà）建立切削液流場的二維平麵模型，如圖6。

圖（tú） 6 流場二維仿真模型

3．2 仿真（zhēn）結果

(1) 當排泄通（tōng）道進口流速為 5． 4m /s，射流口流速為 31． 6m /s 時，總壓力雲圖、速度雲圖、對稱軸上壓力XY 散點圖和負壓區（qū）徑向截麵壓力 XY 散點圖分別如圖7 所示（shì）。

圖7 射流口流（liú）速（sù）為（wéi） 31． 6m/s 時仿真（zhēn）結果

圖8 射流口流速為 20m/s 時仿真結（jié）果圖

圖9 射（shè）流口流速為 6． 3m/s 時仿真結果圖

（3）當排泄（xiè）通道進口流速為 5． 4m /s，射流口流速為 6． 3m /s 時（shí），總壓力雲圖、速（sù）度（dù）雲圖、對稱軸（zhóu）上壓力XY 散點圖和負壓區徑向截麵壓力（lì） XY 散點圖分別如圖9 所示。

3．3 結果分析

從上邊各圖可以看出，射流口速度為31．6m / s、20m / s、6． 3m / s 時均可以產生負（fù）壓，且作用（yòng）於切屑（xiè）上，形成對切屑的抽吸力（lì），加快切（qiē）屑的（de）排出。仿真結果表明當負（fù）壓（yā）通道中的流量變化時，負（fù）壓（yā）值也隨（suí）之變化，負壓所形成的抽吸力（lì）也隨之變化，從而實（shí）現脈衝式的變負壓抽屑。在遇到輕微堵塞的情況時（shí），由於切屑在脈衝式負（fù）壓的效應下，受到一緊一鬆的抽吸力能改變切削的排出方向，緩解堵塞（sāi）後順利把切屑高效的排出。避免由於切（qiē）屑輕微堵塞時不能盡快排出所造成的切屑不斷累積，最終使加工（gōng）失敗。

4 、結束語

本文研究了高（gāo）速深孔加工過程中排屑難（nán）的問題，並設計了脈衝（chōng）式變負壓排屑裝置（zhì）。該裝置可以使排屑通道中形（xíng）成脈衝式變負壓，從而切屑受到變化的抽吸力。在遇到因不合格切屑形（xíng）成的輕微堵塞情（qíng）況，因抽吸力（lì）一緊一（yī）鬆（sōng）所以使堵塞的切屑也一鬆一緊改變方向然後便於排出。該裝（zhuāng）置使（shǐ）負壓抽屑裝置更加穩定高效，提高了工作效率。

來源：中北大學機械與動力工程學院，山西省深孔加工工程（chéng）技術研究中心，

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