深孔DF系統(tǒng)脈沖排屑機(jī)理的研究

藥芳萍，董振，張瀟，張志兵

(中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

排屑不暢一直是制約深孔加工技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。針對這一難題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。龐俊忠教授等設(shè)計(jì)了刀具旋轉(zhuǎn)式DF系統(tǒng)，即一種帶負(fù)壓抽屑裝置的深孔內(nèi)排屑加工系統(tǒng)，分析了負(fù)壓裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)壓效應(yīng)的影響，得出了排屑效果最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[1]。賀彩彩等對BTA鉆的喉部進(jìn)行了改進(jìn)，并采用Fluent軟件對其排屑特性進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得出了改進(jìn)后的BTA鉆能夠加快排屑速度，緩解堵屑現(xiàn)象的發(fā)生[2]。趙武教授等分析了切削液擾動對BTA系統(tǒng)鏜削時(shí)橫向振動頻率的影響，得出了BTA系統(tǒng)橫向振動頻率與切削液流速之間的變化規(guī)律[3]。GUO Z H等建立了DF系統(tǒng)負(fù)壓射流模型，提出了兩段射流注入法來提高負(fù)壓效應(yīng)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明新型噴嘴的噴射角為33°、間隙為0.4mm時(shí)，負(fù)壓排屑效果最佳[4]。

以上針對排屑問題所取得研究成果中，主要通過改造鉆桿、刀頭以及負(fù)壓裝置的結(jié)構(gòu)來提高排屑效率，其供油方式仍采用恒壓恒流供油，切削液在排屑通道中保持相對恒定的流動狀態(tài)。這種狀態(tài)下，切屑受到的沖擊力變化有限，排屑過程仍存在堵屑風(fēng)險(xiǎn)。而本文在DF系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，提出了脈沖負(fù)壓供油方式，使得切削液呈現(xiàn)脈沖式供給，并對其脈沖排屑特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與仿真模擬，得出了脈沖供油能夠增強(qiáng)排屑過程中的沖擊、擾動效果，緩解堵屑現(xiàn)象的發(fā)生，取得更好的排屑效果。

1 DF系統(tǒng)脈沖排屑機(jī)理的研究

1.1 DF系統(tǒng)脈沖排屑工作原理

DF系統(tǒng)脈沖負(fù)壓排屑裝置如圖1所示。該裝置中，DF系統(tǒng)前置通道上安裝有可控制流量的脈沖調(diào)流器。調(diào)流器可在電機(jī)的帶動下不斷旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子通道與前置通道周期性連通，可實(shí)現(xiàn)切削液的脈沖式供給[5]。切削液以不斷變化的流量、流速進(jìn)入到切削區(qū)以及鉆桿內(nèi)部時(shí)，將對切屑產(chǎn)生一個(gè)不斷變化的沖擊力，增強(qiáng)排屑過程中的沖擊、擾動效果，加快切屑的折斷、排出過程[6]。

1.2 DF系統(tǒng)前通道排屑數(shù)學(xué)模型

DF系統(tǒng)的前排屑通道與BTA系統(tǒng)相似，切削液由授油器輸出，在鉆桿與工件間的縫隙處形成一個(gè)封閉油環(huán)進(jìn)入切削區(qū)，并帶動切屑從鉆頭的排屑孔流入鉆桿內(nèi)部，進(jìn)行排屑[7]。圖2為DF系統(tǒng)前排屑通道模型，排屑過程中，切削液壓力損失主要發(fā)生在鉆桿縫隙、刀頭切削區(qū)以及鉆桿排屑通道3個(gè)部分。

圖1 脈沖負(fù)壓排屑裝置示意圖

圖2 DF系統(tǒng)前排屑通道模型

設(shè)授油器輸出油壓為P1；輸出流量為Q1；P2為排屑通道末端油壓；L1為切削液流經(jīng)縫隙長度；L2為排屑路徑總長度；d1為油環(huán)外徑；d2為鉆桿外徑；d3為鉆桿內(nèi)徑；P吸為負(fù)壓效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸力。

由流體力學(xué)可知，切削液從授油器流向切削區(qū)的過程中沿程壓力損失ΔP1為

(1)

當(dāng)切削液經(jīng)縫隙進(jìn)入鉆削區(qū)時(shí)，由于流動截面發(fā)生變化，將產(chǎn)生局部壓力損失ΔP2：

(2)

式中：ζ為局部損失因子；v1為液體流經(jīng)縫隙的平均速度；ρ為切削液密度。

當(dāng)切削液經(jīng)鉆削區(qū)進(jìn)入鉆桿內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生的油壓損失為鉆桿內(nèi)部沿程壓力損失ΔP3以及推動切削進(jìn)行排屑所產(chǎn)生的油壓損失ΔP4。

(3)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；v2為斷面平均流速。

排屑通道內(nèi)切削液推動切屑所需消耗的能量W為

W=F阻L2=ρ材v3wapgfL2

(4)

式中：F阻為切屑在排屑通道中受到的阻力；ρ材為工件密度；w為切屑刃寬度；ap為背吃刀量；f為切屑與管壁的摩擦系數(shù)；g為重力加速度；v3為進(jìn)給速度。

則推動切屑進(jìn)行排屑所產(chǎn)生的油壓損失ΔP4為

(5)

因此，在考慮負(fù)壓吸力P吸的作用下，鉆桿末端的油壓P2為

P2=P1-(ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4)+P吸=

(6)

由壓強(qiáng)公式，得鉆桿末端排屑力F排為

F排=P2S=

(7)

由式(6)和式(7)可知，隨著鉆桿長度L2的增加，排屑過程的油壓損耗將隨之增加，鉆桿末端的油壓P2及排屑力F排將不斷減小。當(dāng)F排≤F阻時(shí)，排屑速度將會降低，且當(dāng)F排過小，可能導(dǎo)致堵屑現(xiàn)象的發(fā)生。由于目前DF系統(tǒng)采用恒壓恒流供油方式，切削液以一個(gè)相對恒定的壓力、流速在管道中流動，因此在堵屑現(xiàn)象發(fā)生后，切屑的受力將保持相對平衡，其運(yùn)動狀態(tài)不會改變。隨著排屑過程不斷進(jìn)行，后續(xù)的切屑不斷涌來，堵屑現(xiàn)象將變得更加嚴(yán)重。而脈沖供油排屑方式能夠提高排屑動力峰值，產(chǎn)生更為強(qiáng)勁的瞬時(shí)沖擊力，緩解堵屑現(xiàn)象的發(fā)生。

2 DF系統(tǒng)脈沖排屑效果實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證脈沖式供油的實(shí)際排屑效果，本次實(shí)驗(yàn)測試了脈沖裝置工作時(shí)，切削液在排屑通道中的流量變化特性。如圖3所示，將調(diào)流器安裝于機(jī)床供油通道上，使通過供油通道的切削液呈脈沖式供給，并在授油器與脈沖裝置之間的管路上安裝流量檢測裝置，以測試切削液流量的變化信號。

圖3 脈沖排屑實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)中，通過改變脈沖頻率，采集、記錄不同脈沖頻率下流量的變化數(shù)據(jù)，并將采集記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以得到切削液的流量變化曲線。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

脈沖排屑實(shí)驗(yàn)測得的各頻率流量變化信號的原始波形及濾波后的波形如圖4所示。

圖4 切削液流量變化曲線

通過對示波器采集得到的流量變化信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到切削液流量的變化范圍如表2所示。

表2 脈沖流量變化范圍

通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：1)脈沖式供油下，切削液流量變化曲線呈現(xiàn)周期性的上下連續(xù)波動；2)在無脈沖狀態(tài)下(即恒定供油)，切削液的流量變化幅度較小，而脈沖裝置開啟后，切削液的流量變化幅度明顯增大，且當(dāng)f=0.33Hz時(shí)，切削液流量的變化差值達(dá)到最大。較大流量差值將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)排屑動力峰值，增強(qiáng)排屑過程中的沖擊、擾動效果，緩解排屑過程中堵屑現(xiàn)象的發(fā)生。

3 脈沖排屑仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

本次仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是觀察脈沖切削液在通道中的流動特性。依據(jù)實(shí)際的脈沖排屑裝置，在UG中建立如圖5(a)所示的排屑通道模型。所建模型中，脈沖閥進(jìn)油孔內(nèi)徑為30mm，鉆頭采用30BTA鉆，鉆桿內(nèi)徑為25mm，外徑為21mm，長度為1m。將所建立的模型導(dǎo)入至Fluent軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所得到的流體域網(wǎng)格模型如圖5(b)所示。

圖5 仿真模型

仿真實(shí)驗(yàn)通過觀察調(diào)流閥轉(zhuǎn)過0°、22.5°、45°、67.5°時(shí)的流體運(yùn)動規(guī)律，來分析脈沖流體的排屑效果。實(shí)驗(yàn)選用的物理模型為湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，內(nèi)部流體選取硫化切削液[8]。在邊界條件的設(shè)置中，將進(jìn)油口設(shè)置為速度進(jìn)口，高壓油泵的供油量為5m3/h，即進(jìn)口速度為2m/s，出油口設(shè)置為自由流出(out flow)，wall保持默認(rèn)設(shè)置，收斂準(zhǔn)則將松弛因子設(shè)置為0.000 1，仿真步數(shù)設(shè)置為1 000[9]。

3.2 仿真結(jié)果分析

在Fluent計(jì)算完成后，可進(jìn)入CFD-POST中對仿真結(jié)果進(jìn)行處理。從圖6所示的轉(zhuǎn)角為0°、22.5°、45°、67.5°時(shí)的z-y截面速度分布云圖中可以看出：調(diào)流器轉(zhuǎn)過不同角度時(shí)，切削液在鉆削區(qū)和鉆桿前端的高低流速區(qū)域分布情況各不相同。而從圖7所示的中軸線速度分布曲線圖中也可以看出：隨著調(diào)流閥轉(zhuǎn)角的變化，排屑通道內(nèi)中軸線上的流速呈現(xiàn)先上升后下降而后恢復(fù)平穩(wěn)的變化趨勢。其中，轉(zhuǎn)角θ=45°時(shí)，鉆桿前端的流速最高；轉(zhuǎn)角θ=67.5°時(shí)，鉆桿前端的流速最低。高流速將提高排屑動力峰值，低流速也能使切屑保持受沖擊的狀態(tài)。在這種高低流速結(jié)合的流動特性下，切屑在鉆桿前端受到的沖擊、擾動效果將得到增強(qiáng)，其斷屑、排屑的效率將得到提升。

圖6 z-y截面速度分布云圖

圖7 中軸線速度曲線圖

4 結(jié)語

本文在深孔DF系統(tǒng)排屑機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，提出了脈沖負(fù)壓排屑方式，建立了DF系統(tǒng)前排屑通道數(shù)學(xué)模型；并對脈沖排屑效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采集了不同脈沖頻率下的鉆桿內(nèi)流量變化信號，得到了脈沖效果最佳的頻率參數(shù)；基于Fluent軟件對采用脈沖流體排屑時(shí)的切削液流動特性進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出脈沖供油下，切削液在鉆桿前端能夠產(chǎn)生大小不一的流速，增強(qiáng)排屑過程中的沖擊、擾動效果，加速切屑的折斷、排出過程，緩解堵屑現(xiàn)象的發(fā)生。