BTA 深孔鉆削智能糾偏技術(shù)研究

李 楠，吳伏家

（1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710032）

1 引言

深孔鉆削軸線糾偏是現(xiàn)今深孔加工領(lǐng)域面臨的一個技術(shù)難題，國外刀具權(quán)威某公司、德國某公司都對此進行過深入研究[3]。但都未取得突破進展，只是被動的提出一些提高鉆孔直線度的途徑。設(shè)計一種新型方案，采用φ30mmBTA 實體鉆進行鉆削作為實例，將實體鉆刀體進行改進，通過切削液在流道中產(chǎn)生的液壓差現(xiàn)象進行智能糾偏。運用FLUENT 對切削液在鉆頭未走偏和初始走偏過程中，鉆桿與工件內(nèi)壁之間的環(huán)形流道產(chǎn)生的液壓差進行數(shù)值分析。利用理論依據(jù)，解釋智能糾偏方案的可行性。

2 FLUENT 模擬分析

2.1 CAD 結(jié)構(gòu)建模

由于BTA 實體鉆刀頭部呈現(xiàn)復(fù)雜的錐形結(jié)構(gòu)，在不影響最終仿真結(jié)果的情況下，進行模型簡化，從而方便劃分網(wǎng)格[4]。采用SolidWroks 建立刀具鉆削中未走偏與走偏時的三維簡圖，如圖1所示。模型的鉆孔直徑：φ30mm；工件內(nèi)壁與鉆桿之間的環(huán)形通道徑向尺寸：4mm；鉆桿壁厚為5mm；鉆桿內(nèi)腔直徑：φ12mm；孔深：150mm。

圖1 BTA 深孔鉆削切削液流道半剖簡圖Fig.1 The Half Section Diagram of Cutting Fluid Flow of Bta Deep-Hole Drilling

2.2 劃分網(wǎng)格

將三維模型分別導(dǎo)入到GAMBIT 模塊中，進行切削液流道網(wǎng)格的劃分[5]。其中，刀具未走偏模型的切削液環(huán)形區(qū)域和鉆桿內(nèi)腔區(qū)域采用cooper 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余區(qū)域采用TGrid 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；刀具走偏模型的切削液流道區(qū)域采用TGrid 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

2.3 數(shù)值結(jié)果分析

采用FLUENT6.3.26 進行模擬，兩者迭代前的設(shè)置相同：均采用壓力基求解器求解；選用k－epsilon 粘性模型；湍流液體設(shè)置機械油（engie－oil）[6]；切削液由環(huán)形流道流入經(jīng)鉆腔內(nèi)部流出，則入口邊界條件intlet=3.0MPa，出口邊界條件outlet=0.2MPa，wall邊界條件默認(rèn)；求解方程計算差分格式為二階迎風(fēng)。經(jīng)過迭代，得出刀具未偏時刻流道壓力分布云圖，如圖2 所示。及刀具走偏時刻流道壓力分布云圖，如圖3 所示。

圖2 刀具未偏流道壓力分布云圖Fig.2 Contours of Static Pressure of Cutting Fluid Flow of Drilling without Deviation

圖3 刀具走偏流道壓力分布云圖Fig.3 Contours of Static Pressure of Cutting Fluid Flow of Drilling Deviation

通過壓力云圖，可以看出隨著流道橫截面積的不同，切削液壓力同時會發(fā)生變化。根據(jù)刀具走偏時的鉆柄端徑向剖面壓力云圖，得出切削液壓力的大小與流道面積的改變成正比，即在連通流道中面積增大的區(qū)域流液的壓力也會增加。由FLUENT 模擬分析，可導(dǎo)出流道中任意位置的壓力值，將入口邊界端指定為鉆體軸向長度的起始點。其中細(xì)流道為走偏刀體剖切平面流道逐漸變細(xì)一側(cè)，粗流道為細(xì)流道的反向端，直流道為未走偏刀體的軸向流道，如表1 所示。如表1 中的位置是指從鉆體軸向長度的起始點開始，定義8 個位置長度/m，其對應(yīng)的切削力壓力值/MPa。

表1 三種流道等距壓力值/MPaTable.1 The Equidistant Pressure Value of three Flow/mpa

根據(jù)表1 中的數(shù)值，繪出壓力曲線坐標(biāo)圖，如圖4 所示。由數(shù)據(jù)得出，鉆削φ30mm 內(nèi)孔，入口油壓為3.0MPa 時，鉆柄端油壓：細(xì)流道＜直流道＜粗流道，且粗細(xì)流道端的壓力差約為0.08MPa。可見壓力差值變化比較明顯。

圖4 切削液流道壓力分布圖Fig.4 The Pressure Distribution Chart of Cutting Fluid Flow

3 智能糾偏方案設(shè)計

根據(jù)流量方程及伯努利方程：

即管道越細(xì)，流速越高，液體壓力則越低[7]。此定理通過FLUENT仿真數(shù)值分析得到驗證。

由于BTA 實體鉆的鉆柄端的材料厚度最大，便于鑲嵌構(gòu)件，其次鉆柄環(huán)形流道區(qū)域油壓變化明顯，如圖5 所示。

圖5 BTA 實體鉆結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 The Sketch Diagram of Bta Drilling

方案設(shè)定在BTA 實體鉆的鉆柄炳端徑向鑲嵌四個相隔的微型單項閥，如圖6 所示。在深孔鉆削中，當(dāng)鉆桿發(fā)生走偏，就會導(dǎo)致環(huán)形流道削液液油壓發(fā)生徑向改變，即流過鉆頭偏斜一側(cè)的切削液流速快，油壓降低。反向與鉆頭偏斜一側(cè)的切削液流速慢，油壓相對為走偏情況有所增加。在鉆柄端安放的四個微型單向閥設(shè)定要求：在未走偏情況下，其鉆柄端的油壓值為單向閥開閉的臨界值，即油壓大于此時的壓力，閥門打開：小于或等于此時的壓力，閥門關(guān)閉。

在本例中，未走偏時鉆柄端的油壓為2.57MPa。當(dāng)發(fā)生走偏時，鑲嵌于鉆柄端油壓增加一側(cè)，其對應(yīng)的微型單向閥。切削液從口流入，油壓克服彈簧3的作用力，頂開閥芯2，經(jīng)閥芯2 上四個徑向孔a 及內(nèi)孔b，從口流出，切削液流進鉆體內(nèi)腔，在內(nèi)腔產(chǎn)生局部負(fù)壓效應(yīng)，利于排屑。當(dāng)流液出現(xiàn)反流時，由于閥芯緊緊壓在閥體1的閥座上，因此油液無法通過[7]。

由于油壓減小一側(cè)的單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時油液在這個細(xì)小空間內(nèi)，隨著切削液流速的增加，切削液必將對偏斜一側(cè)鉆桿產(chǎn)生沖擊，其湍流油液作用與鉆柄的力指向刀體回轉(zhuǎn)體中心，力的大小取決于油液的沖擊能力[8]。此方式可以產(chǎn)生很好的糾偏效果。當(dāng)鉆桿糾正，四個單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，鉆頭繼續(xù)鉆削。

圖6 微型單向閥結(jié)構(gòu)分布圖Fig.6 The Structure Distribution Diagram of Miniature Check Valve

4 結(jié)論

通過液壓變化的角度設(shè)計，巧妙的使鑲嵌于鉆柄內(nèi)的微型單向閥智能開閉，達(dá)到深孔鉆削糾偏效果。可降低廢品，提高生產(chǎn)效率。此方案對今后深孔加工領(lǐng)域的生產(chǎn)和研究提出新的進展。

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［6］朱林，肖德明.基于CAXA 和FLUENT的深孔套料切削液流動三維數(shù)值模擬［J］.機械設(shè)計與制造，2009（3）：227－229.（Zhu Lin，Xiao De－ming.Three－dimensional numerical simulation of the cutting fluid in deep hole trepanning based on CAXA and FLUENT［J］.Machinery Design＆Manufactuer，2009（3）：227－229.）

［7］沈興全，吳秀玲.液壓傳動與控制［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：140－141.（Shen Xing－quan，Wu Xiu－ling.Hydraulic Transmission and Control［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005：140－141.）

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