深孔加工負(fù)壓抽屑裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真?

趙麗琴,王 彪,楊瓊瑤

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,山西太原 030051;2.北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司,山西大同 037036)

深孔加工是機(jī)械制造業(yè)孔加工中最困難的一種,隨著深孔加工技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展,深孔鉆削逐步形成了 4個(gè)典型系統(tǒng),即:槍鉆系統(tǒng),ST S(Single Tube System)系統(tǒng),噴吸鉆系統(tǒng)和 DF(Double Feeder)系統(tǒng)[1].深孔加工需要用切削液來排屑、潤滑和冷卻,由于切削液用量大且含有毒物質(zhì),會(huì)造成大量油品及能源的浪費(fèi),危害工人健康且污染環(huán)境[2].

準(zhǔn)干式深孔加工系統(tǒng)是在“綠色制造技術(shù)”的大背景下應(yīng)運(yùn)而生的,它是針對(duì)深孔加工中普遍存在的冷卻潤滑難、排屑難及加工液用量大等問題,而研制開發(fā)的一種適用于 DF深孔加工的系統(tǒng).它綜合了多種現(xiàn)代綠色冷卻潤滑的優(yōu)點(diǎn),并結(jié)合深孔加工的特點(diǎn)以油水復(fù)合霧為冷卻潤滑介質(zhì),使用氣體介質(zhì)抽屑裝置,構(gòu)成新型的深孔冷卻潤滑排屑系統(tǒng).它使傳統(tǒng)的澆注式深孔加工變?yōu)樾滦铜h(huán)保的亞干加工,實(shí)現(xiàn)了深孔鉆削的準(zhǔn)干式切削[2].

為了解決 DF深孔加工系統(tǒng)排屑難的問題,目前科研工作者已經(jīng)研制開發(fā)了配套的采用單錐面負(fù)壓通道的負(fù)壓抽屑裝置,在一定程度上解決了中等口徑深孔加工的排屑難問題.但對(duì)于直徑較小的難加工深孔零件,還存在負(fù)壓效果不明顯,排屑能力弱,加工精度低等現(xiàn)象;如果在準(zhǔn)干式深孔鉆削環(huán)境下,這種現(xiàn)象表現(xiàn)的將更加明顯.因此,設(shè)計(jì)一種負(fù)壓效果更好,排屑能力更強(qiáng),高精度,高效率,實(shí)用的孔徑范圍更廣的新型的準(zhǔn)干式深孔加工工藝裝備有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.本課題就是在研究現(xiàn)有 DF深孔鉆削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,分析了影響負(fù)壓抽屑的因素,對(duì)負(fù)壓抽屑裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析,為設(shè)計(jì)準(zhǔn)干式深孔加工負(fù)壓抽屑裝置提供理論參考.

1 DF鉆削技術(shù)的負(fù)壓抽屑系統(tǒng)

國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)中使用的帶有負(fù)壓抽屑裝置的DF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

圖1 帶負(fù)壓抽屑裝置的 DF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Local structural schemes of DF system with negative-pressure chip removing device

由系統(tǒng)供給的冷卻潤滑液經(jīng)流量控制閥(節(jié)流閥)后分成兩部分,一部分通過排屑通道輸入切削區(qū);另一部分經(jīng)負(fù)壓通道及負(fù)壓裝置(單錐面)噴嘴射入排屑通道,分流后進(jìn)入負(fù)壓通道的冷卻潤滑液經(jīng)負(fù)壓裝置錐形噴嘴射入排屑通道后部,在排屑通道中形成局部真空區(qū),對(duì)切削區(qū)的冷卻潤滑液和切屑產(chǎn)生抽吸作用[3].

2 影響負(fù)壓抽屑效果的主要參數(shù)

運(yùn)用流體力學(xué)理論中的動(dòng)量定理,對(duì)負(fù)壓抽屑裝置錐形噴嘴的負(fù)壓射流進(jìn)行分析,其具有的動(dòng)量F及其軸向分量 Fx和徑向分量 Fy分別為

式中:Qn為負(fù)壓通道的流量;S為負(fù)壓噴嘴錐環(huán)通道的間隙;d為負(fù)壓噴口的直徑;TOn為負(fù)壓噴口處的動(dòng)量修正系數(shù);k為負(fù)壓噴嘴的噴射角.

由式 (1)～ (3)可知,負(fù)壓通道的流量 Qn,負(fù)壓噴嘴錐環(huán)通道的間隙 S和負(fù)壓噴嘴的噴射角 k直接影響錐形噴嘴負(fù)壓射流動(dòng)量及其分量,即影響負(fù)壓抽屑效果.

3 深孔加工負(fù)壓抽屑裝置總體結(jié)構(gòu)的確定與模型的建立

根據(jù)流體力學(xué)理論,在研究原有液體介質(zhì)負(fù)壓抽屑裝置的基礎(chǔ)上,建立了負(fù)壓抽屑裝置模型——圓錐形噴嘴,如圖 2所示.孔徑 d0(取 d0=14 mm),d1=d0+ 2Scos k,L=3d1.負(fù)壓抽屑裝置的局部 3D結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示.

圖2 圓錐形噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Local structural schemes of conical nozzle

本結(jié)構(gòu)采用的是雙進(jìn)油孔的負(fù)壓抽屑裝置,可以使射流通道中的切削液在射流前均壓,保證圓錐形射流均勻,以提高負(fù)壓效應(yīng);同時(shí)在保證均壓效果的基礎(chǔ)上,盡量減小均壓腔的空間,以便減小擴(kuò)壓的能量損失,減小負(fù)壓裝置的體積[2].

圖3 負(fù)壓抽屑裝置局部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Local structural schemes of negativ e-pressure chip removing device

單個(gè)因素只能表明某個(gè)因素對(duì)負(fù)壓的影響,但是實(shí)際加工中影響負(fù)壓抽屑效果的因素很多,而這種影響是負(fù)壓通道流量 Qn,負(fù)壓噴嘴錐環(huán)通道的間隙 S和負(fù)壓噴嘴的噴射角 k通過不同的組合來體現(xiàn)的.因此,必須考慮各因素的綜合影響,從多因素角度考慮,優(yōu)化出合乎切合實(shí)際的參數(shù).由相關(guān)資料查得最適宜的噴射間隙 S=0.3～0.5 mm,噴射角 k=25°～ 35°,結(jié)合已有的研究成果,在此分別對(duì)表 1所列各組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬仿真.

表1 仿真分析分組表Tab.1 The table of simulation analysis g roup

在確定了負(fù)壓抽屑裝置的基礎(chǔ)上,給仿真模型施加外界條件,分析仿真負(fù)壓裝置內(nèi)部的液體特性,可以更形象直觀地觀察負(fù)壓裝置內(nèi)部壓力場、速度場和能量場等的情況.在不考慮存在切屑的情況下,研究負(fù)壓裝置內(nèi)切削液的受力情況,建立一個(gè)與實(shí)際加工情況相近的數(shù)學(xué)模型.其仿真的實(shí)驗(yàn)條件為:噴嘴處噴入運(yùn)動(dòng)粘度為(40℃)11.83 mm2/s的硫化切削液;在正常的情況下,油路系統(tǒng)中循環(huán)的切削液的溫度大概在 40℃左右,從切削區(qū)流出來的切削液溫度大概在 60℃左右;對(duì)于深孔鉆削過程中油路系統(tǒng)的排屑通道來說(在一定壓力下的雷諾數(shù) Re計(jì)算可知),深孔鉆削過程中油路系統(tǒng)的流動(dòng)屬于湍流狀態(tài)[14].

1)采用 Soildworks對(duì)負(fù)壓裝置進(jìn)行三維建模,如圖 4所示.

2)將模型導(dǎo)入 gambit里,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義邊界條件,輸出*msh格式文件.

3)將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入 Fluent,檢查網(wǎng)格,統(tǒng)一單位,定義求解器,迭代運(yùn)算之后查看結(jié)果.

圖4 負(fù)壓抽屑三維模型Fig.4 3D model of negativ e-pressure chip removing device

4 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究

結(jié)合深孔加工負(fù)壓裝置的具體應(yīng)用場合,分別就內(nèi)部壓力、速率、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度 4個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比研究[15].

4.1 內(nèi)部壓力的對(duì)比

觀察對(duì)比圖 5中的圖片,可明顯看出 k=30°,S=0.4 mm;k=29°,S=0.5 mm;k=30°,S=0.5 mm以及 k=31°,S=0.5 mm時(shí),負(fù)壓效果都比較明顯.

4.2 速率對(duì)比

對(duì)比圖 6中的圖片,可知 k=30°,S=0.4 mm以及 k=29°,S=0.5 mm時(shí),速率效果都比較明顯.

4.3 湍流動(dòng)能的對(duì)比

觀察分析圖 7中的圖片,可知 k=30°,S=0.4 mm和 k=33°,S=0.4 mm時(shí),在噴嘴處動(dòng)能比較高,有利于排屑,且縫隙小的湍流動(dòng)能大.

4.4 湍流強(qiáng)度的對(duì)比

觀察分析圖 8中的圖片,可知 k=30°,S=0.4 mm和 k=33°,S=0.4 mm時(shí),在噴嘴處湍流強(qiáng)度大,有利于排屑,且縫隙小的湍流強(qiáng)度較大.

圖5 各組模擬仿真的內(nèi)部壓力對(duì)比Fig.5 Internal pressure contrast of each simulation group

圖6 各組模擬仿真的速率對(duì)比Fig.6 Rate contrast of each simulation group

圖7 各組模擬仿真的湍流動(dòng)能對(duì)比Fig.7 Turbulent kinetic energy contrast of simulation g roup

圖8 各組模擬仿真的湍流強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Turbulence intensity contrast of simulation g roup

5 分析與結(jié)論

由分析仿真結(jié)果可以看出,噴射角 k和間隙S的變化對(duì)于負(fù)壓效果的作用明顯.

噴射角 k增大,雖然可以減少壓力損失,但同時(shí)也減少了流體軸向流速,削弱了湍流動(dòng)能和強(qiáng)度,使得負(fù)壓效果減弱;噴射角 k減小,能量損失增大,負(fù)壓效果減弱.

間隙 S增大,流體流速減慢,速率對(duì)比減少,湍流動(dòng)能和強(qiáng)度減弱,負(fù)壓效果削弱;間隙 S減少,流體阻力增大,壓力損失增加,負(fù)壓效果減弱.

通過以上分析可知,影響 DF系統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置的兩個(gè)重要影響因素噴射角 k和間隙 S存在最優(yōu)取值范圍.比較仿真結(jié)果可知,當(dāng)噴射角 k=30°,負(fù)壓間隙 S=0.4mm時(shí),負(fù)壓抽屑裝置產(chǎn)生的負(fù)壓效果最好;當(dāng)噴射角 k=29°,負(fù)壓間隙S=0.5 mm時(shí)次之.理論上可以為提高 DF系統(tǒng)的負(fù)壓效果提供依據(jù),也對(duì)進(jìn)一步研制準(zhǔn)干式深孔加工新型負(fù)壓抽屑裝置時(shí),各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).

[1]程峰,關(guān)世璽.深孔鉆削雙錐面負(fù)壓系統(tǒng)研究 [J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009(1):119-122.Cheng Feng,Guan Shixi.Study on twin cone negative pressure system for deep hole drilling [J].Manufacturing Technology& MachineTool,2009(1):119-122.(in Chinese)

[2]李鑫勇,王彪,劉兆華.準(zhǔn)干式深孔加工系統(tǒng)構(gòu)建[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(3):213-215.Li Xinyong,Wang Biao,Liu Zhaohua.Quasi dry type deep hole processing systerm construction[J].Machinery Design& Manufacture,2011(3): 213-215.(in Chinese)

[3]關(guān)世璽,程峰.一種新型的深孔負(fù)壓裝置研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(5):112-114.Guan Shixi,Cheng Feng.Study on a new style of negative pressure installmentfordeep hole[J].Machinery Design&Manufacture,2009(5):112-114.(in Chinese)

[4]汪志明,米志德.DF深孔鉆削技術(shù)及其負(fù)壓抽屑系統(tǒng)[J].新技術(shù)新工藝,1990(2):30-31.WangZhiming,MiZhide.DF deep well drilling technologyand Chip Drainingsystem by negative pressure[J].New Technology&New Process,1990(2):30-31.(in Chinese)

[5]王慧霖,張平寬.孔加工中負(fù)壓排屑、斷屑的分析 [J].工具技術(shù),1998(10):14-16.Wang Huilin,Zhang Pingkuan.Analysis of the chip draining and breaking with negative pressure in hole drilling[J].Tool Engineering,1998(10):14-16.(in Chinese)

[6]王西彬.綠色切削加工技術(shù)的研究 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006(36):6-10.Wang Xibin.Green machining technology in metal cutting [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2006(36):6-10.(in Chinese)

[7]馬祖軍,代穎.干切削加工及其措施 [J].制造技術(shù)與機(jī)床,2007(1):41-43.Ma Zujun,Dai Yin. Drycuttingprocessingand measures[J].Manufacturing Technology&Machine Tool,2007(1):41-43.(in Chinese)

[8]劉美蘭.淺談干切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007,2(1):87-88.Liu Meilan. Elementary introduction about development and application of dry cutting technique[J].Mechanical Engineering& Automation,2007,2(1):87-88.(in Chinese)

[9]Pawlak Z,Klamecki B E.The tribochemical and micellar aspects of cutting fluids[J]. Tribology International,2005,38:1-4.

[10]Sreejith P S,NgoiB K A. Drymachining:Machining of the future[J].Journal of Material Processing Technology,2003,101:287-291.

[11]彭海,張敏.干式深孔加工技術(shù)的研究[J].新技術(shù)新工藝,2006(5):51-53.Peng Hai,Zhang Min.Research on near-dry cutting method[J]. New Technology& New Process Research on Near-Dry Cutting M ethod,2006(5):51-53.(in Chinese)

[12]吳軻,關(guān)世璽,趙如意.深孔加工可轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)壓抽屑裝置的研究與設(shè)計(jì) [J].機(jī)電技術(shù),2011(3):94-96.Wu Ke,Guan Shixi,Zhao Ruyi.Study and design of the rotating negative pressure smoke flocks device on the deep hole processing[J].Mechanical&Electrical Technology,2011(3):94-96.(in Chinese)

[13]王世清.深孔加工技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[14]吳鳳和,趙武.改善 DF噴吸鉆排屑性能的措施 [J].機(jī)床與液壓,2002(3):164-166.Wu Fenghe,Zhao Wu.Measures for improving chip removal ability of DF ejector drills[J].Machine Tool&Hydraulics,2002(3):164-166.(in Chinese)

[15]牛曉欽,王春燕.低溫微量潤滑切削技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(11):212-214.Niu Xiaoqin,Wang Chunyan. Low-temperature micro-lubrication cutting technology and its applications [J]. Mechanical Engineering &Automation,2011(11):212-214.(in Chinese)