任麗娟 沈興全② 申 浩

(①中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051；②太原理工大學(xué)，山西 太原 030051)

長(zhǎng)徑比超過(guò)10的孔加工稱為深孔加工[1]。BTA深孔鉆在深孔加工中主要用于較大直徑深孔的加工。它是一種由鉆桿和鉆頭外部供入切削液，從鉆頭和鉆桿內(nèi)腔排出切屑的內(nèi)排屑深孔鉆頭[2]。在使用BTA深孔鉆加工深孔的過(guò)程中，存在排屑困難，特別是喉部的切屑難以排出，且在加工中孔易發(fā)生偏斜等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)BTA深孔鉆結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究切削液流體力、流量對(duì)深孔偏斜、排屑情況等的影響規(guī)律，建立切削液的流量、流速、流態(tài)與鉆桿切削之間的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化BTA深孔鉆，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)及鉆孔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。

1 切削液消除鉆孔偏差原理

當(dāng)鉆桿進(jìn)入切削液的作用區(qū)，由于切削液流體力是非線性變化的[3]，對(duì)深孔加工孔軸線偏斜影響較大。因此重點(diǎn)考慮切削液流體力對(duì)深孔加工孔軸線偏斜產(chǎn)生的影響。

由圖1可知流量Q[4]為：

(1)

式中：b為鉆頭錐體受液力作用微弧度段，b=rdθ(r為錐體微弧度段對(duì)應(yīng)圓半徑，dθ為微弧度段所取局部圓心角)；μ為流體絕對(duì)粘度；h是圓錐和深孔壁之間的距離。

由公式(1)可得：

(2)

由圖1可知：

h=h1+xtanα

(3)

因?yàn)閐p/dx不是常數(shù)，它隨x而變化，我們因此可以得到：

(4)

和

(5)

整合以上方程可以得到：

(6)

接下來(lái)從邊界條件確定積分常數(shù)C。

當(dāng)x=0,p=p1時(shí)：

(7)

通過(guò)將式(3)和式(7)代入公式(6)中，可以獲得：

(8)

如圖1所示，如果x=l，h=h2，p=p2，通過(guò)將tanα=h2-h1/l代入方程(8)，可得流速為：

(9)

針對(duì)如圖2所示的同軸圓錐環(huán)形間隙，可以得到深孔加工過(guò)程中流體流量方程：

(10)

其中：d是孔直徑；δ1、δ2是圓錐大、小端與孔壁間隙高度。

在圖3中，δ1<δ2。圓錐的半角是α，圖3b中h是圓錐和深孔壁之間的距離。h隨著θ和x而變化。

如果x=0，那么：

h=h1=δ1-ecosθ

(11)

如果x=l(l為不同位置處外圓錐軸向長(zhǎng)度)，那么：

h=h2=δ2-ecosθ

(12)

任何一點(diǎn)的間隙距離由下式給出：

h=h1+xtanα=δ1-ecosθ+xtanα

(13)

為簡(jiǎn)化，如果考慮一個(gè)微小的控制面“dA”并定義：

dA=rdθdL

(14)

由此可得：

df=prdθdx

(15)

其中：df是作用于微小控制面“dA”的徑向力。

將公式(15)兩邊積分，可以得到：

(16)

將公式(13)兩邊微分可得：

(0≤x≤l)

將公式(8)代入f中得：

(17)

將公式(9)代入式(17)中得：

(18)

如果定義：

(19)

(20)

可得：

(21)

由公式(21)可得出一些結(jié)論：

(1)如果h1=h2，即Δh=0。那么：

(22)

其中：r、l、p1、p2都是常量，f隨著dθ變化，但不隨著θ變化，因此，作用在錐體上的力處于平衡狀態(tài)。也就是說(shuō)，流體f的合力等于零。

(2)如果h1≠h2,e=0。在圖2中，h1≠h2,e=0,Δh=(δ1-δ2)/2,hm=(δ1+δ2)/2，因此Δh和hm是常量。根據(jù)公式(22)，f不隨θ變化，所以作用在錐體上的力處于平衡狀態(tài)。也就是說(shuō)，流體f的合力等于零。

(3)如果h2>h1,e≠0。

由于h2>h1，流體流向左邊，錐度是正錐度。同時(shí)，由于h2>h1,Δh>0,hm>0，根據(jù)公式(21)，有：

(23)

因此f根據(jù)|Δh/hm|來(lái)取值?？梢宰C明：

(24)

通過(guò)公式(22)和(24)，可以獲得fθ=0>fθ=π。

鉆頭錐體下邊緣0°處所受液力大于上邊緣180°處液力，因此在徑向方向的側(cè)向力F將增大，它將消除或減小偏心值e，使鉆頭錐度和所鉆孔具有相同的軸線。錐形鉆是為深孔鉆而發(fā)明的，它固定在鉆頭和刀柄間。由于切削液的作用會(huì)消除或減小錐度的偏心或偏斜，因此切削液也可以消除或減小鉆頭的偏心或偏斜。

圖3給出了帶有偏心的正圓錐環(huán)形間隙。圖3所示的錐度與圖1所示的錐度相同，是深孔鉆的一部分。因此，可以得出結(jié)論，鉆頭和鉆柄錐度的偏心或偏差將會(huì)隨著切削液的使用而消除。在圖3中，由于干擾在錐度和所加工的深孔之間存在一個(gè)離心率“e”，結(jié)果表明，當(dāng)切削液流過(guò)偏心間隙時(shí)，深孔和圓錐之間的偏心距將減小或消失[5]。

2 抽屑機(jī)理

2.1 負(fù)壓抽屑機(jī)理

如圖4所示，為負(fù)壓抽屑裝置的結(jié)構(gòu)布置示意圖。油路系統(tǒng)分為前后兩支，對(duì)于前一支油路，切削液進(jìn)入輸油器后，經(jīng)過(guò)鉆套、已加工孔壁和鉆桿、鉆頭體上的通油間隙之后流向切削刃，將切屑推入鉆頭喉部，經(jīng)由鉆頭內(nèi)腔進(jìn)入鉆桿后，向后排出。后一支油路，當(dāng)切削液高速射入負(fù)壓裝置的排屑通道時(shí)，與帶有切屑的正在向外排出的切削液產(chǎn)生混合沖擊并伴隨著能量的交換，排屑通道中，攜帶著切屑向外排出的切削液流體，在負(fù)壓射流噴嘴處獲得能量后，加速向后排出[6]。

2.2 負(fù)壓抽吸數(shù)學(xué)模型

以切削區(qū)的排屑通道入口到負(fù)壓通道噴嘴處之間部分切削液為研究對(duì)象，取其中單元流體進(jìn)行研究并建立數(shù)學(xué)模型。

有負(fù)壓效應(yīng)時(shí)，能量方程為：

(25)

(26)

分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中存在負(fù)壓效應(yīng)時(shí)，其排屑通道內(nèi)的壓差增大ρ(2vΔv+Δv2)/2，所產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸力將會(huì)直接作用于向后排出的切屑上。又BTA深孔鉆在使用中喉部易發(fā)生堵屑，在喉部后方設(shè)計(jì)負(fù)壓抽吸結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)排屑的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抽吸切屑的目的。并且，可以看出，當(dāng)負(fù)壓區(qū)的壓力越小時(shí)，所產(chǎn)生的壓差就會(huì)越大，這樣負(fù)壓抽吸效果就會(huì)越明顯，系統(tǒng)的排屑能力得到了較為明顯的提高[7]。

2.3 多級(jí)負(fù)壓結(jié)構(gòu)

本文在原有雙管噴吸鉆的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在其鉆桿部位設(shè)計(jì)負(fù)壓抽屑孔，與傳統(tǒng)的 DF系統(tǒng)中的負(fù)壓抽屑裝置的工作原理相同，它有效地減小了雙管噴吸鉆加工過(guò)程中切削液入口的流體壓力，降低了對(duì)系統(tǒng)密封的要求，同時(shí)提高了工作效率。

BTA管道中的流動(dòng)式為：

(27)

噴射區(qū)的壓力公式為：

(28)

將式(28)代入式(27)可得：

(29)

其中：pin為入口壓力；pa為大氣壓力；p0為負(fù)壓區(qū)壓力；Q為流量；d為鉆桿內(nèi)徑；θ為噴射角；δ為噴射間隙；x為縫隙長(zhǎng)度。

由式(29)可知，多級(jí)噴射方式通過(guò)分流腔減小入口流量Q,利用多級(jí)噴射可多次實(shí)現(xiàn)能量交換，明顯降低了流體入口壓力pin[8]。

3 BTA深孔鉆結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于以上理論分析，在已有雙管噴吸鉆頭的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。首先，將BTA喉部圓柱結(jié)構(gòu)改為正錐結(jié)構(gòu)，可在一定程度上減小深孔加工過(guò)程中的孔偏斜；其次，將BTA排屑通道加工為階梯圓孔，從喉部向后階梯圓孔直徑依次增大，并在直徑改變處的圓周上間隔120°加工3個(gè)入流口，雙管噴吸鉆外徑與已加工孔壁之間的切削液通過(guò)入流口流入BTA內(nèi)孔，通過(guò)入流口流入的液體實(shí)現(xiàn)流體間能量的多次交換，輸入的切削液與攜帶切屑的排屑流混合后進(jìn)入下一級(jí)較大直徑圓柱孔中，整體流動(dòng)速度均衡之后，會(huì)有壓力的相對(duì)升高，同時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定程度的負(fù)壓作用力，且所產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸力將會(huì)直接作用于切屑上，拉動(dòng)切屑向后流動(dòng)。

其工作過(guò)程如下：首先，開啟油泵，在整個(gè)油路形成回流的基礎(chǔ)上，通過(guò)流量計(jì)、調(diào)速閥控制回路流量的大小，切削液沿雙管噴吸鉆外壁流向切削刃部，將切削刃上形成的切屑反向壓入鉆頭的出屑口，在深孔加工過(guò)程中，BTA前段的錐度偏離時(shí)，徑向產(chǎn)生側(cè)向力F。F將自動(dòng)消除或減小偏差或偏心值，鉆頭錐體與已鉆出孔保持同軸線，保持錐體、尖端和柄沿加工深孔軸線移動(dòng)，提高深孔質(zhì)量，隨后，切屑經(jīng)過(guò)鉆桿的中空內(nèi)腔時(shí)，由于鉆桿經(jīng)過(guò)優(yōu)化，每隔一段距離中空內(nèi)腔直徑發(fā)生變化且設(shè)置有入流口，可在一定程度上形成負(fù)壓抽吸力，促進(jìn)切屑的流動(dòng)，拉動(dòng)切屑向后排出。

4 實(shí)驗(yàn)

圖6為所提供的深孔鉆，圖7為其加工的工件，工件外徑為φ100 mm，長(zhǎng)度為1 300 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：當(dāng)使用現(xiàn)有深孔鉆鉆深孔時(shí)，所得到的深孔軸線的偏斜平均值為1.271 mm。根據(jù)每個(gè)深孔壁厚的不同，估算了深孔的偏斜度。在用錐形深孔鉆鉆深孔時(shí)，所得深孔軸線的偏斜平均值小于1.001 mm。這些結(jié)果表明，深孔偏斜度的改善是由錐度產(chǎn)生的側(cè)向力F的結(jié)果。在深孔加工過(guò)程中，F(xiàn)消除或減小了鉆頭錐體與尖端和柄部的偏斜誤差。

5 CFD仿真

5.1 CFD仿真

優(yōu)化后的BTA鉆通過(guò)CFX軟件進(jìn)行流體仿真。利用Solidworks三維軟件建立優(yōu)化后的BTA深孔鉆模型，以X-T格式導(dǎo)入ICEM CFD 14.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9-10]，求解器為CFX。根據(jù)實(shí)際加工時(shí)的工況，所選流體材料為硫化切削液，設(shè)置切削液參數(shù)，其中入口In1處的切削液流量為96 L/min，入口In2處切削液流量為32 L/min,求解器輸出的殘差收斂曲線如圖8所示。

5.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真運(yùn)算，在CFD后處理界面中獲得流線圖、壓力云圖分別如圖 9、圖10所示。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)這種新型正錐度深孔鉆在鉆頭和柄之間設(shè)置錐度。車鉆孔過(guò)程中，如果鉆頭偏離已鉆孔的中心，則在偏離方向的錐體上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向相反的側(cè)向力F，由于F是在徑向形成的，將消除或減小偏心值(偏差)，使錐體和加工的深孔具有相同的軸線。因此，通過(guò)切削液可消除或減小鉆頭所鉆深孔的錐度和軸線偏差，從而提高深孔的質(zhì)量。

(2)通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以看出在BTA鉆桿外壁靠近喉部附近及階梯孔直徑改變處圓周上間隔120°加工6個(gè)入流口，即二級(jí)負(fù)壓抽屑，可形成一定的負(fù)壓空間，有助于切屑向后流動(dòng)，有利于排屑順暢，特別是喉部處不再容易發(fā)生堵屑現(xiàn)象。

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