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        深孔機床DF系統(tǒng)射流間隙的結(jié)構與參數(shù)分析

        2018-10-16 06:55:58常豆豆
        裝備機械 2018年3期
        關鍵詞:切削液因數(shù)射流

        □常豆豆□潘 杰

        1.運城職業(yè)技術學院 機電工程系 山西運城 044000

        2.太原鵬躍電子科技有限公司 太原 030000

        1 研究背景

        深孔廣泛應用于機械制造行業(yè)中,并且有不可替代的功能。但因為深孔加工設備和加工工藝特殊,封閉的加工環(huán)境和較大的鉆削長徑比,造成了排屑困難、無法直接觀察切削狀況、加工系統(tǒng)剛度低等問題[1-3]。

        DF(Double Feeder)系統(tǒng)雖然緩解了小直徑深孔加工的排屑難題,但其負壓抽吸效果卻未充分發(fā)揮,主射流能量的利用率較低[4-5]。

        為此,筆者以現(xiàn)有深孔機床DF系統(tǒng)為基礎,對影響利用率的重要結(jié)構——射流間隙進行深入研究,并優(yōu)化相關參數(shù)。

        2 深孔機床DF系統(tǒng)工作原理

        圖1所示為深孔機床DF系統(tǒng)工作原理。通過油泵供給的切削液經(jīng)節(jié)流閥分成前后兩支。前一支為排屑流Q1,進入輸油器,并經(jīng)過鉆套、已加工孔壁與鉆桿的通油間隙流向切削區(qū),將切屑沖入鉆頭內(nèi)腔,沿鉆桿排屑通道流出。后一支為主射流Q2,經(jīng)噴嘴副間的射流間隙進入抽屑器。主射流在流經(jīng)噴嘴副通道時,因流道面積變小而獲得較高的流速,噴入鉆桿末端產(chǎn)生負壓區(qū)域,促使排屑流被加速吸入抽屑器,并與主射流混合。通過剪切作用,排屑流的速度和能量再次提高,最后加速排出加工切屑。

        圖1 深孔機床DF系統(tǒng)工作原理圖

        3 DF系統(tǒng)仿真分析

        3.1 數(shù)學模型

        假定切削液為不可壓縮流體,且黏度為常數(shù),建立質(zhì)量方程、動量方程和k-ε方程[6-7]:

        式中:ui為沿xi方向的速度;uj為沿xj方向的速度;p為靜壓力;μ為切削液的運動黏度;μt為切削液的紊流運動黏度;ρ為切削液的密度;Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k產(chǎn)生項;σk和σε分別為與湍動能 k 和耗散率 ε 對應的普朗特數(shù),σk=σε=1.39;C1ε和C2ε為經(jīng)驗常數(shù),C1ε=1.42,C2ε=1.68。

        3.2 仿真前處理

        DF系統(tǒng)射流間隙的結(jié)構分析通過Fluent軟件完成。因其幾何模型是旋轉(zhuǎn)體,故選取旋轉(zhuǎn)面作為計算域模型,如圖2所示。計算域為流體,深孔切削液密度為887 kg/m3,動力黏度為0.019 36 kg/(m·s)。前排屑通道和抽屑器入油口為質(zhì)量流量入口邊界,其值為0.45 kg/s。后排屑通道尾部為壓力出口邊界,因與大氣相通,其值為0。旋轉(zhuǎn)中心為軸邊界,射流間隙、排屑通道和抽屑器腔室內(nèi)壁邊界設置為Wall。選取RNG k-ε模型、壓力速度耦合隱式算法、二階迎風離散格式進行求解[6]。

        圖2 DF系統(tǒng)計算域模型

        3.3 仿真分析

        圖3所示為現(xiàn)有DF系統(tǒng)直線型射流間隙的總壓力云圖,壓力在間隙中迅速下降,并且間隙內(nèi)壁附近數(shù)值更低。在間隙出口處,中心區(qū)總壓從1.5 MPa降到1 MPa,壁面處則低至0.5 MPa,說明相比于間隙的寬度,直線型縫隙已顯得狹長,由于結(jié)構不合理而導致主射流與間隙內(nèi)壁產(chǎn)生較多的摩擦損耗。因此,需要對目前的直線型射流間隙進行優(yōu)化,以提高主射流能量的利用率。

        圖3 直線型射流間隙總壓力云圖

        目前關于DF系統(tǒng)射流間隙結(jié)構優(yōu)化方面的文獻較少,但對流液在射流噴嘴中的研究則較多[8-9]。在射流噴嘴中,錐型噴嘴造成的能量損失明顯低于直線型噴嘴。通過分析可知,主射流在射流間隙中的運動原理與在噴嘴中相似,為此,參照錐型噴嘴的結(jié)構,將DF系統(tǒng)的間隙入口段修改為漸縮的錐線型入口。

        圖4所示為錐型射流間隙的總壓力云圖,間隙錐形段與排屑器油腔相接,壓力在1.5 MPa左右。錐型段內(nèi)壁附近壓力降低較小,為1.24 MPa~1.37 MPa,高于直線型間隙同位置的壁面壓力(0.98 MPa~1.11 MPa)。在錐型間隙的直線段內(nèi),依舊保持著較高的壓力,為1.37 MPa~1.5 MPa,比直線型間隙同位置的壓力值(1.11 MPa~1.24 MPa)高出兩個等級。當射流從錐型間隙噴出后,對排屑流的影響范圍和影響力度也遠大于直線型間隙。

        圖4 錐型射流間隙總壓力云圖

        圖5、圖6所示分別為不同結(jié)構射流間隙的速度和壓力損失沿程對比。兩者在入口處(x=34.5 mm)幾乎沒有能量損失,且由于直線型間隙的入口截面積較小,入口速度略大。在x=34.5~35.5 mm范圍內(nèi),直線型間隙的速度和壓力損失都急劇增大,速度由10 m/s加快至31 m/s,壓力損失由0增大至0.15 MPa,說明在入口段已有較多的靜壓轉(zhuǎn)化為動壓,速度梯度較高,且轉(zhuǎn)化中流液間碰撞劇烈。而錐型間隙內(nèi)速度只是略微增大,由4 m/s增大至8 m/s,能量幾乎沒有損耗。在x=35.5~41 mm范圍內(nèi),直線型間隙的壓力損失呈現(xiàn)為一條斜率較高的直線,說明高速流液與壁面發(fā)生持續(xù)的摩擦損耗,且靜壓向動壓轉(zhuǎn)換得較少,導致速度加快的幅度較小,相反,錐型間隙的漸縮口結(jié)構使壓力由靜壓向動壓轉(zhuǎn)換平穩(wěn),避免了高速流液與間隙內(nèi)壁產(chǎn)生的較大摩擦損失,保證了速度的穩(wěn)步增大,最終速度值在x=39 mm時超過直線型間隙,帶著大量的動能噴入后排屑通道。

        圖5 不同結(jié)構射流間隙速度沿程對比

        圖6 不同結(jié)構射流間隙壓力損失沿程對比

        研究表明,將DF系統(tǒng)的射流間隙入口修改為漸縮的錐型結(jié)構,可以有效減小能量在間隙中的損耗。但是,這只是在一種射流間隙寬度下流道線型的對比,并不能證明這種結(jié)構的通用性。為此針對兩種間隙結(jié)構,比較不同射流間隙寬度下切削液在射流間隙中的損失因數(shù),損失因數(shù)k為:

        式中:P1、P2分別為切削液進出射流間隙時的總壓力;v為切削液的出口速度。

        圖7所示為不同射流間隙寬度下,兩種間隙結(jié)構的損失因數(shù)對比。當間隙寬度為0.7 mm時,直線型間隙的損失因數(shù)與錐型間隙較為接近,因為當間隙較寬時,錐型間隙的直線段在間隙長度中所占的比例較大,與直線型相差較小。隨著間隙寬度的減小,損失因數(shù)均逐漸增大,但直線型增大更快。當間隙寬度為0.3 mm時,直線型間隙的損失因數(shù)已經(jīng)高出錐型間隙一倍??梢?,不同射流間隙寬度下,錐型間隙和錐型噴嘴一樣,相比直線型均能減小切削液的能量損失,且間隙寬度越小,效果就越明顯。

        圖7 不同射流間隙寬度時損失因數(shù)對比

        通過資料得知[10-11],射流間隙的主要結(jié)構參數(shù)有入口與出口的直徑D1和D2、噴嘴收縮角α、過渡段長度l、過渡段長度和出口直徑之比l/D2,如圖8所示。射流經(jīng)過收縮段時,以高度紊流的狀態(tài)噴出,過渡段使紊亂的射流穩(wěn)定,降低紊流形態(tài)。過渡段太長,會增大射流與噴嘴內(nèi)壁的摩擦損耗,降低射流能量。過渡段太短,又起不到對射流的穩(wěn)定作用。噴嘴收縮角決定著射流的流動阻力,收縮角較大時,入口流動阻力較小,但收縮角過大會造成流動射流不能充分發(fā)展從而影響射程。收縮角較小時,可有效減小流體在間隙內(nèi)產(chǎn)生的渦流損失,但過小又會增大高速流液與間隙內(nèi)壁摩擦的長度。可見,噴嘴過渡段長度與出口直徑之比l/D2和噴嘴收縮角α存在使流液能量損失最小的數(shù)值。

        圖9所示為在不同噴嘴收縮角α和l/D2時損失因數(shù)的對比,其中 α 選擇為 5°、10°、15°,l/D2選擇為1、3、5、7。在不同的α下,損失因數(shù)均在l/D2=1時最小,并且隨l/D2的增大而增大。α=5°和α=15°時,損失因數(shù)曲線幾乎重合,且損失因數(shù)均在α=10°對應的曲線之上,說明射流間隙結(jié)構參數(shù)α=10°、l/D2=1時,射流間隙造成的能量損失最小。

        圖9 不同錐型間隙噴嘴收縮角時損失因數(shù)對比

        4 試驗驗證

        為減小試驗模型數(shù)量和試驗成本,選取α=10°、α=15°,以及 l/D2=1、l/D2=3、l/D2=5 進行損失因數(shù)試驗研究,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比見表1。

        表1 損失因數(shù)試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

        從表1中可以看出,損失因數(shù)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差較小,均在合理的范圍內(nèi)。同時,試驗結(jié)果也符合仿真中所得結(jié)論,即對于DF系統(tǒng),射流間隙結(jié)構參數(shù)α=10°、l/D2=1時,可獲得最佳的噴射效果,具有實踐參考價值。

        5 結(jié)論

        在深孔機床DF系統(tǒng)中,直線型射流間隙對射流能量造成的損失較大,改用錐型間隙后,能量損失明顯減小。射流間隙結(jié)構參數(shù)α=10°、l/D2=1時,射流間隙造成的能量損失最小,射流間隙的噴射效果最佳。

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