基于FLUENT軟件的深孔加工負壓抽屑裝置分析研究

董　振　沈興全　蒿風花　權保羅

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

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基于FLUENT軟件的深孔加工負壓抽屑裝置分析研究

董振沈興全蒿風花權保羅

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

摘要：負壓抽屑裝置是保障深孔加工排屑順暢的有力手段。本文提出建立充分考慮流量、流速、間隙寬度、噴射夾角等影響因素的負壓抽屑數學模型，分析這些因素對抽屑效果的影響，并利用FLUENT軟件對有無負壓抽屑裝置情況下分別進行仿真對比，量化研究其抽屑效果。結果表明：射流噴嘴的間隙和噴射角是影響負壓抽屑效果的關鍵因素；無負壓裝置時，切屑在排屑通道中只受到推力，并且隨位移逐漸減弱；當推力減小到小于阻力時，切屑容易在排屑口尾部滯留，發生堵屑現象；加載負壓抽屑裝置時，在排屑通道尾部形成壓力差，產生3倍于排屑通道推力的吸力，使切屑在通道尾部受到一個強力的加速度，克服切屑阻力，排屑效果提高了200%。

關鍵詞：深孔加工負壓抽屑FLUENT軟件仿真分析

引言

近年來，隨著制造業的迅猛發展，深孔加工技術加工效率及精度的提高成為制約整個制造裝配技術的發展瓶頸。排屑不暢是影響深孔加工技術發展的主要問題之一，特別是在高速加工小深孔時，極易發生堵屑現象，造成廢品率較高［1-2］。如何保證深孔加工排屑順暢，成為各大科研院所及院校關注的熱點。

目前，解決排屑困難的常規途徑有三種：拓展排屑空間，控制切屑形態和增強排屑動力。負壓抽屑技術就是采用第三種排屑途徑的一種方式。它增加其抽吸力，實現主動排屑［3］。

1 負壓抽屑工作原理

圖1 負壓抽屑裝置示意圖

如圖1所示，高壓切削液經節流閥分為兩支液流：前一支液流經排屑通道流向切削刃，推切屑進入出屑口；后一支液流穿過負壓通道，形成環形射流，產生負壓抽吸效應，從而增加鉆桿內部前后壓力差，即通過產生的負壓來增強系統的排屑動力［4］。實踐證明，它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為負壓抽屑匯流模型，沿程流動過程中存在流體匯流的情況：截面1-1為排屑通道，通道直徑為D1，流經其流量為Q1，流速為v1；截面2-2為負壓通道，射流間隙為δ，流經其流量為Q2，流速為v2；截面0—0為匯流后的總通道，通道直徑為D2，流經其流量為Q0，流速為v0［5-7］。

圖2 負壓抽屑匯流模型

如圖2所示，對于支流與總流，根據質量守恒定律，有

沿流動方向分別寫出過流截面1-1與0-0、2-2與0-0之間總流的伯努利方程：

式中：z1為截面1-1處的切削液位能（cm）；z2為截面2-2處切削液位能（cm）；z0為截面0-0處切削液位能（cm）；p1為截面1-1處的平均壓力（kgf/cm2）；p2為截面2-2處的平均壓力（kgf/cm2）；p0為截面0-0處的平均壓力（kgf/cm2）；α1為截面1-1處動能修正系數；α2為截面2-2處動能修正系數；α0為截面0-0處動能修正系數；ρ為切削液密度（kg/m3）；g為重力加速度（N/kg）。將式（2）的兩個方程分別乘以Q1與Q2后，再將兩式相加，然后再利用式（1）合并，可得：

式（3），即為匯流伯努利方程［8］。且Q=v·A（4）

即Q0=v0·A0，Q1=v1·A1，Q2=v2·A2

式中，A0、A1、A2為各通道的橫截面積。所以，負壓抽屑各參數必須滿足關系式（3）及式（4）。

圖2中，單位時間內從截面1-1（排屑通道）處與從截面2-2（負壓通道）處流出的切削液相匯合，在軸向（x軸）方向動量守恒，得：

假設Q1/Q2=β，則式（5）可簡化為

可知，ΔP吸即為負壓值。將式（5）、式（6）、式（7）、式（8）代入式（9），并簡化得：

式中，θ為射流噴嘴的噴射角。

以上所建數學模型的假設條件為：①排屑通道與負壓通道中切削液的溫度相同；②切削液無粘性作用；③切削液無雜質且不可壓縮；④排屑通道與負壓通道中的切削液均為二維無旋流動。

3 負壓抽屑裝置仿真分析

（1）建立模型。為了分析比較負壓通道中流量變化對負壓的影響，將圖2所示的其他參數均設置成定值，所以令D1=17mm，δ=0.45mm，θ=30°，D2=D1+2δcosθ。

利用前處理器GAMBIT軟件進行建模、劃分網格并設置邊界條件。設置入口邊界條件為速度入口邊界（VELOCITY_INLET），出口邊界為自然流出（OUTFLOW），其他邊界均為壁面邊界（WALL），最后將文件保存成.msh格式。所建流場的二維仿真模型及其局部放大圖如圖3所示。

圖3 流場二維仿真模型

（2）求解器的設置。將GAMBIT生成的.msh網格文件導入FLUENT中，首先檢查網格質量，如果沒問題，便可對模型進行仿真。

所設流體材料為硫化切削液（Sulfur-Liquid），其密度為2000kg/m3，粘度為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，分析負壓通道中流量為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兩邊的計算差值小于0.0001為準。

（3）仿真結果。經仿真運算，總壓力云圖、速度云圖及負壓區徑向截面全壓力XY散點圖分別如圖4（a）、（b）所示。

圖4 仿真結果圖

4 無負壓抽屑裝置的仿真分析

（1）建立模型。建立無負壓抽屑裝置的三維模型，即僅有排屑通道，D1=17mm。設流體材料為硫化切削液（Sulfur-Liquid），其密度為2000kg/m3，粘度為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，收斂準則選擇差分方程表示的連續方程兩邊的計算差值小于0.0001為準。

（2）仿真結果。經過仿真運算，總壓力云圖如圖5所示。

圖5 仿真結果圖

5 結論

對比圖4、圖5可知，無負壓抽屑裝置中，切屑只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一個負壓。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。負壓所形成的抽吸力直接作用于切屑上，加上來自通道入口的推力，使得切屑隨切削液加速排出，更有利于排屑順暢。

參考文獻

［1］趙麗琴，王彪，楊瓊瑤.深孔加工負壓抽屑裝置的優化設計與仿真［J］.中北大學學報：自然科學版，2012，（3）：266-270.

［2］龐俊忠，潘杰，常豆豆.深孔機床DF系統的數學建模與效率分析［J］.制造技術與機床，2014，（10）：89-93.

［3］王世清，朱林，劉站鋒，彭海.深孔加工技術［M］.西安：西北工業大學出版社，2003：1-239.

［4］王竣.現代深孔加工技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005：1-433.

［5］李文亮.深孔加工DF系統排屑機理研究及建模與仿真［D］.太原：中北大學，2009.

［6］王寶.DF深孔鉆負壓排屑系統的仿真分析及試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2011.

［7］Barani A，Amini S，Paktinat H. Built-up Edge Investigation in Vibration Drilling of Al2024-T6［J］.Ultrasonics，2014，（5）：1300-1310.

［8］周乃君.工程流體力學基礎［M］.北京：機械工業出版社，2012：1-260.

The Deep Hole Processing Negative Pressure FLUENT Software Based on the Chip Sucking Device

DONG Zhen,SHEN Xingquan,HAO Fenghua,QUAN Baoluo
（School of mechanical engineering North Central University, Taiyuan 030051）

Abstract:Suction chip removal device is guarantee smooth chip powerful means of deep hole processing scheduling is proposed in this paper a fully consideration of the flow, velocity of flow, gap width, jet angle influence factors of negative pressure pump crumbs mathematical model and analysis of influence of these factors on the performance of chip, and the use of fluent software simulation of the case of suction chip removal device, quantitative research the chip removing effect. The results show that the gap between the jet nozzle, and the spray angle is litter effects of key factors affecting vacuum pumping; no negative pressure device, chip on chip channel only by the thrust and with displacement gradually weakened, when thrust decreases to less than resistance, chip easily in the lag of the tail of the chip removal mouth left, blocking chip; loading suction chip removal device, in the chip channel of tail formation pressure difference, produces three times suction on chip channel thrust, the chip at the back end of the channel by a strong acceleration overcome cut chip resistance, chip removal is increased by 200%.

Key words:deep processing, vacuumpumpingcrumbs, FLUENT software, simulation analysis

基金項目：國家國際科技合作專項項目（2013DFA70770）。