張猛，吳伏家

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

基于綠色制造的深孔加工附件設(shè)計(jì)

張猛1，吳伏家2

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

設(shè)計(jì)了一種利用微量霧化切削液進(jìn)行冷卻排屑的深孔加工附件，對(duì)其工作原理、實(shí)施方式及其組件高壓霧化裝置、旋轉(zhuǎn)接頭和簡(jiǎn)易輸油器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析。加工實(shí)例表明，使用該附件能夠有效地降低深孔加工的成本和能耗。

深孔加工;綠色切削技術(shù);內(nèi)排屑;高壓霧化裝置

深孔加工難度大且專業(yè)化程度高，需使用專用的深孔刀具及機(jī)床，而深孔加工裝備行業(yè)處于壟斷狀態(tài)，裝備產(chǎn)品的價(jià)格居高不下，絕大多數(shù)企業(yè)既買不起，也用不起，只能望洋興嘆;另外，加工中要以高壓切削液來(lái)冷卻潤(rùn)滑刀具，并帶走切屑，這不僅要消耗大量切削液，增加制造成本，而且會(huì)對(duì)加工場(chǎng)所造成油污染，威脅操作人員的身體健康。鑒于此，深孔加工要獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，需要尋求一種新的制造模式——綠色制造。

綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造到使用、報(bào)廢的整個(gè)生命周期中，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響最小，資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化［1］?；谶@一理念，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易且成本低廉的深孔加工附件，它利用高壓空氣霧化微量切削液的方法進(jìn)行刀具的冷卻、潤(rùn)滑及排屑，可方便地安裝在普通車床上完成深孔鉆削，采用這種方法不僅使深孔加工脫離了專用深孔鉆機(jī)器的限制，有效降低了加工成本，還能節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 附件裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理及實(shí)施方式

該附件由高壓霧化裝置、旋轉(zhuǎn)接頭 (負(fù)壓抽屑裝置）和簡(jiǎn)易輸油器組成，其工作原理是通過高壓空氣將專用的冷卻液霧化，并以脈沖的形式輸入切削區(qū)，冷卻、潤(rùn)滑刀具，并排出切屑。采用內(nèi)排屑方式，以便更好地保護(hù)鉆頭和保證孔的加工精度;同時(shí)采用刀具旋轉(zhuǎn)、工件進(jìn)給的加工方式，以擴(kuò)大其加工范圍?，F(xiàn)以該附件在普通車床上使用為例進(jìn)行說明，其配置方案如圖1所示，加工方法如下:

(1）根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)工裝，將輸油器和工件一起固定在車床的中拖板上，輸油器的鉆套頂緊工件。

(2）將旋轉(zhuǎn)接頭的錐柄端通過錐形套筒安裝在機(jī)床主軸的錐孔內(nèi)，刀具安裝在旋轉(zhuǎn)接頭另一端，機(jī)床主軸通過旋轉(zhuǎn)接頭帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。

(3）調(diào)整中拖板，使輸油器中心與主軸中心重合，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由大拖板提供。

(4）高壓霧化裝置產(chǎn)生霧化切削液通過輸油器高速噴向切削區(qū)，進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑及排屑。

(5）從高壓霧化裝置中另引出一路高壓空氣，通過旋轉(zhuǎn)接頭高速射入，產(chǎn)生負(fù)壓，幫助排屑。

圖1 深孔加工附件在普通車床上的配置

1.2 高壓霧化裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 高壓霧化裝置原理分析

高壓霧化裝置的原理是利用高壓空氣驅(qū)動(dòng)微量切削液，混合霧化后，通過加工零件孔壁與鉆桿之間的環(huán)形通道高速噴射到切削區(qū)，進(jìn)行刀具的冷卻及潤(rùn)滑;同時(shí)，高速壓縮空氣推動(dòng)切屑向外排出，完成加工過程。這種方式可極大減少刀具與切屑、刀具與已加工表面間的摩擦，起到降低切削溫度、減少刀具磨損和提高加工表面質(zhì)量的作用。在加工中，切削液幾乎可完全被吸附在導(dǎo)向塊與孔壁之間以及刀－屑接觸區(qū)內(nèi)，充分發(fā)揮冷卻功效，節(jié)約冷卻液的使用，減少對(duì)環(huán)境的污染;同時(shí)切削液幾乎可全部被熱量蒸發(fā)，清潔干凈的切屑很容易回收利用;而且系統(tǒng)對(duì)刀具和設(shè)備的要求不高［2］。

霧化裝置按其供液的方法可分為大氣壓式、供油式和吸液式3種類型［3］。其中吸液式霧化裝置原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)小巧、使用方便，制造容易，而且在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要方便調(diào)節(jié)風(fēng)量和切削液量，同時(shí)，在使用時(shí)可實(shí)現(xiàn)不停車連續(xù)加注切削液，是一種較為理想的切削液霧化方式，故在此采用吸液式霧化裝置。

忽略管路長(zhǎng)度與損耗，吸液式霧化裝置可簡(jiǎn)化成如圖2所示的回路結(jié)構(gòu)。

圖2 吸液式霧化裝置原理圖

霧化裝置里空氣的流動(dòng)基本都處于不可壓縮流動(dòng)的范圍，由一維定常等熵伯努利氣體方程［4］可以得到任意兩截面上氣流壓力之間的關(guān)系如下:

式中:p0為進(jìn)氣口1處氣體壓力;

p為切削液管出口2處壓力;

k為等熵指數(shù) (又稱氣體絕熱指數(shù)）;

Ma為切削液管出口2處氣流馬赫數(shù);

Ma0為進(jìn)氣口1處氣流馬赫數(shù)。

從公式 (1）可以看出，進(jìn)氣口處氣體壓力與切削液管出口處氣體壓力之比，只與兩處氣流馬赫數(shù)有關(guān)，由于進(jìn)氣口處氣體壓力p0是由氣源 (壓縮機(jī)）壓力決定的，理論上可以認(rèn)為此時(shí)的壓力與馬赫數(shù)都是恒定不變的，因此，切削液管出口處氣體壓力p僅由此處氣流馬赫數(shù)決定，如果想使此處壓力p降低，只需要增大馬赫數(shù)Ma即可，根據(jù)氣流馬赫數(shù)的定義，氣流馬赫數(shù)是氣流速度與當(dāng)?shù)匾羲僦?，所以它只取決于氣體的流速，因此可以通過提高氣流速度來(lái)提高氣流馬赫數(shù)，從而達(dá)到降低切削液管出口處氣流壓力的目的。

由于在噴管內(nèi)，氣體被認(rèn)為是不可壓縮的，因此，在噴管內(nèi)氣體流量是恒定的，其質(zhì)量也是恒定的，由質(zhì)量守恒定律［4］可得

式中:ρ1，ρ2分別為氣流進(jìn)、出口處的密度;

μ1，μ2分別為氣流進(jìn)、出口處的速度;

A1，A2分別為氣流進(jìn)、出口處的截面面積。

從公式 (2）可以看出，噴管的進(jìn)口與切削液管出口處的氣流速度與兩處的通道截面積成反比，截面積越小，氣流速度越大。因此，為了提高氣流出口的速度，在切削液管口采用縮管結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)氣流速度提高時(shí)，其流經(jīng)切削液管出口時(shí)，會(huì)降低此處壓力，對(duì)管口產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，使切削液流出。

1.2.2 霧化噴嘴設(shè)計(jì)

高壓霧化冷卻裝置需要獲得速度快、霧化均勻的霧滴，而噴嘴的結(jié)構(gòu)決定了噴霧的效果從而決定了系統(tǒng)的冷卻效果［5］。因此選擇合適的噴嘴結(jié)構(gòu)十分重要。噴嘴的結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)混式、外混式和Y型三種［6］。其中外混式噴嘴，具有霧化效果好、射流速度高的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故文中選用外混式霧化噴嘴。

可通過實(shí)驗(yàn)確定噴嘴的尺寸參數(shù)，以使霧化效果達(dá)最佳［7］?，F(xiàn)取入氣口直徑D1=8 mm，入液口直徑D2=0.6 mm，漸縮管傾角θ=15°。切削液流量用節(jié)流針閥調(diào)節(jié)，進(jìn)液量為0～10 mL/min，關(guān)閉針閥即停止噴霧。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)接頭是整套裝置的核心部件，它具有連接、傳遞扭矩和排屑的功能。為了提高排屑效果，參照DF系統(tǒng)，在接頭內(nèi)增加錐孔結(jié)構(gòu)，使其具備負(fù)壓抽屑的能力;另外，抽屑效果與噴嘴間隙有關(guān);因此，為獲得理想的抽屑效果，還設(shè)計(jì)了噴嘴間隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

其結(jié)構(gòu)方案如圖4所示，工作原理為:轉(zhuǎn)軸1通過錐柄部分與機(jī)床主軸連接，通過導(dǎo)向平鍵7與前錐套10連接，以傳遞扭矩;前錐套通過彈簧夾頭13及鎖緊螺母12連接鉆桿，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。殼體4，軸承3、15，軸承擋圈6、20與泛塞圈5、18組成一個(gè)旋轉(zhuǎn)支承和密封系統(tǒng);前錐套與后錐套之間裝有兩個(gè)O形密封圈16、17，用于靜密封。銷釘8和調(diào)整螺母9用于調(diào)整射流間隙，銷釘8的螺紋段與調(diào)整螺母9配合，光滑段嵌入轉(zhuǎn)軸1左端的圓槽中;調(diào)整間隙時(shí)，松開銷釘8，旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母9，使前錐套10發(fā)生軸向移動(dòng)，調(diào)整好后，擰緊銷釘8。彈性擋圈2用于軸向固定與定位，檔桿19與機(jī)床床身接觸，阻止殼體4轉(zhuǎn)動(dòng)。高壓空氣通過殼體4上的進(jìn)氣孔及轉(zhuǎn)軸上的小孔從錐形噴嘴高速射入產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，其噴嘴間隙的大小通過調(diào)整螺母調(diào)節(jié)，以達(dá)到最理想的負(fù)壓效果。

圖4 旋轉(zhuǎn)接頭

1.4 簡(jiǎn)易輸油器設(shè)計(jì)

輸油器是內(nèi)排屑深孔加工中重要的輔具，要求同時(shí)具備以下三項(xiàng)重要功能:(1）將高壓霧化液輸向鉆頭切削刃，以實(shí)現(xiàn)冷卻、潤(rùn)滑刀具和排出切屑;(2）對(duì)工件定心和實(shí)行軸向夾緊;(3）對(duì)鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向。

要求該附件中的輸油器和工件一起做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，故省去支架，使用夾具將其和工件一起裝夾在車床的中拖板上。其結(jié)構(gòu)方案如圖5所示，工作原理為:工作時(shí)，松開后鎖緊螺母8，旋轉(zhuǎn)前鎖緊螺母10，使移動(dòng)軸3前移，從而使橡膠密封圈12與工件端面貼緊，霧化切削液從移動(dòng)軸3的孔口進(jìn)入空腔，由于其右方是封閉的，霧化切削液只能向左通過鉆套1與鉆桿之間的環(huán)狀空隙和切削刃與導(dǎo)向條之間的空隙流向切削刃部，然后將切屑以反方向推入鉆頭出屑口，進(jìn)入鉆桿內(nèi)腔并向后排出;加工結(jié)束后，松開前鎖緊螺母10，移動(dòng)軸3后移而脫開工件表面。組合密封件5裝于鉆桿支承環(huán)4、6之間，并用鎖緊螺母7鎖緊。

圖5 簡(jiǎn)易輸油器

2 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)并制造出該深孔加工附件后，將其安裝在一臺(tái)普通車床上進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)。采用中北大學(xué)工藝研究所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金B(yǎng)TA鉆頭，鉆桿選用45無(wú)縫鋼管;試件材料為正火45鋼棒料，尺寸為φ40 mm×100 mm，鉆削孔徑為φ20 mm;選取切削用量:主軸轉(zhuǎn)速v=1 000 r/min，刀具軸向進(jìn)給量f=0.05 mm/r;切削液選用20#機(jī)械油，流量為3 mL/min;空氣壓力為1 MPa，流量為0.5 m3/min;DF系統(tǒng)的噴嘴間隙調(diào)節(jié)為0.2 mm。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，切削過程均很平穩(wěn)，排屑順暢，加工完成試件的孔徑誤差為±0.2～±0.3 mm，軸線偏斜度達(dá)到1/1 000 mm，孔壁表面粗糙度達(dá)Ra3.2μm以下。結(jié)果證明，使用該深孔加工附件，可以在普通機(jī)床上加工出滿足精度要求的深孔，且切削液的用量極少，加工過程中被完全蒸發(fā)，產(chǎn)生的切屑清潔干凈，回收利用方便，達(dá)到了節(jié)約能源、降低成本和減少污染的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用此套深孔加工附件進(jìn)行深孔加工與傳統(tǒng)深孔加工方法相比不僅能降低加工成本，而且能減少對(duì)工作場(chǎng)所及環(huán)境的污染，提高了綜合效益。隨著“綠色制造”理念的深入人心，該裝置必然有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。

【1】崔海云，賈育秦，王培霞，等．綠色制造技術(shù)在機(jī)床全生命周期中的應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(24）:10－12．

【2】彭海，王水航．亞干式深孔加工中的低溫冷風(fēng)霧化技術(shù)［J］．機(jī)械制造，2006，44(9）:42 －44．

【3】朱穎，張汝春．金屬切削加工噴霧冷卻方法［J］．煤礦機(jī)械，2005(6）:73－75．

【4】林建忠，阮曉東．流體力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

【5】劉寶運(yùn)，張小華，金士良，等．射流技術(shù)在油液霧化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(5）:85－87．

【6】侯凌云，侯曉春．噴嘴技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2002．

【7】王云峰．基于綠色制造的低溫氣動(dòng)噴霧冷卻的基礎(chǔ)研究［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2005．

Design of Deep-holes Machining Accessories Based on Green Manufacturing

ZHANG Meng1，WU Fujia2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi030051，China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi710032，China）

A setof deep-holemachining accessories for internal chip removaland coolingwas designed by using one kind ofmicro spraying cutting-fluid，and its working principle，implementation method and structure principle of its subassembly of high-pressure spray equipment，rotary joint and simple oil transmission device were analyzed．Results of themachining experiments show that the purpose of reducing costs and energy consumption in deep-holemachining can be achieved by using this accessory．

Deep-holemachining;Green cutting technology;Internal chip removal;High-pressure spray equipment

TH6

A

1001－3881(2013）4－010－4

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.003

2012－01－09

張猛 (1987—），男，碩士，主要從事深孔加工設(shè)備、工具及加工方法的研究。E－mail:aerocraft1@163.com。