基于最速降線理論的負壓抽屑裝置優化設計*

楊尚進,陳振亞,馬卓強,石瑞濤,蘇蔚濤,白宇鑫

(中北大學a.機械工程學院;b.惡劣環境下智能裝備技術山西省重點實驗室,太原 030051)

0 引言

深孔是指長徑比大于10的孔,深孔加工技術廣泛應用于航空航天、汽車制造、模具、武器制造等領域[1]。深孔加工是一種封閉、半封閉式的加工方式,刀具的切削狀態只能憑經驗判斷[2],影響深孔加工精度的因素有很多,其中排屑問題對深孔加工質量的好壞起著決定性的作用。解決排屑問題的手段一般有3種,分別是控制切屑形狀、加大排屑空間和提高排屑動力。

在控制切屑形狀方面,KE等[3]建立了螺旋切屑的預測模型,從切屑成型的角度去提高排屑效率;李旭波等[4]通過研究錯齒BTA鉆加工參數對切屑斷裂的影響來提高排屑效率,發現進給量對斷屑的影響比轉速更大,隨著進給量增大,切屑厚度增大,切屑應變增量增大;國內外還有不少學者通過超聲輔助振動切削[5-7]的方法來獲得理想的切屑形狀進而提高排屑效率,增加加工精度。在加大排屑空間方面,自扁鉆、麻花鉆和炮鉆之后又先后出現了槍鉆、BTA鉆、單管噴吸鉆等結構來加大排屑空間,促進排屑; FRAZAO等[8]在BTA鉆頭上設計了3個導向塊,來提高斷屑效果;高偉佳等[9]設計了高速鉆削深孔鉆頭來優化排屑通道使切削液高效排出;瑞典Sandvik、德國TBT等公司也已經將鉆頭鉆桿內壁厚度壓縮到極致以加大排屑空間。

在提高排屑動力方面,XU等[10-11]提出了吸收式內切屑去除系統,并給出了一種求解吸吮式內排屑系統鉆孔負壓值的方法;ASTAKHOV等[12]發現采用環形噴嘴的噴射器并在深孔鉆具組合中精確定位可以提高深孔加工的切屑去除率;TNAY等[13]發現槍鉆加工中當油隙角在0～10°時具有較好的排屑效率;趙麗琴[14]對負壓裝置的噴射角k和負壓間隙s進行了研究,最終通過理論分析與仿真試驗的對比研究,得出當k=30°,s=0.4 mm時負壓效果最好;還有不少學者提出了雙錐面負壓裝置[15]、多級曲面負壓裝置[16]、楔形結構的負壓裝置[17]、脈沖負壓裝置[18]和變負壓裝置[19]等結構,均提高了排屑動力,其中楔形結構的負壓效果提升最大,但也僅能提升79.12%。

為了解決深孔加工中排屑難、易堵屑等問題,本文從提高排屑動力角度入手,通過分析負壓抽屑原理,結合最速降線理論,設計帶有膛線的最速降線負壓抽屑模型,增加負壓效果,提高切削液流動速度,減小能量損失。

1 負壓抽屑原理

負壓抽屑裝置產生負壓的原理是:除了排屑通道的一束切削液將切屑從鉆頭處帶到排屑口外,還有另外一束切削液由負壓噴嘴高速射入排屑通道,兩束切削液混合形成負壓區,并進行能量轉換,排屑通道中的切削液在負壓噴嘴處的能量轉換區獲得大量能量,提高切削液的流速,從提高排屑動力的角度提高排屑效率。由伯努利定理可知切削液的能量=勢能(位能)+壓強能+動能,如式(1)所示,當不可壓流體沿管道做定常流動時,流動速度增加,流體的靜壓將減小,反之,流動速度將減小,流體的靜壓將增加,因此排屑通道前后就會形成壓力差。

(1)

式中:Z1、Z2表示排屑通道入口、出口截面處的勢能,p1、p2表示該截面處的平均壓力,γ=ρg表示切削液的重度,ρ為切削液密度,g為重力加速度,α1、α2為截面處動能修正系數,V1、V2為截面處切削液平均流速,hL表示排屑通道內切削液的能量損失。

有無負壓下的切削液能量方程如式(2)和式(3)所示,由于負壓噴嘴產生的負壓作用,使排屑通道內的壓力差增大,產生更大的抽吸力,帶動切屑以更快的速度排出,從而提高排屑效率。

(2)

(3)

2 帶有膛線的最速降線負壓裝置物理模型

為了更大幅度地提高負壓裝置的性能,本文將最速降線理論應用在深孔加工負壓抽屑裝置中,并添加一定數量的膛線,賦予切屑旋轉的能力,提高切屑運動的穩定性,將切削液的流動速度和負壓效果提升到最佳,進一步從增加排屑動力的角度提高排屑效率。

在忽略摩擦力和阻力的情況下可將切屑液視為一個質點,流體下降過程中減少的勢能等于所增加的動能,即:

(4)

轉換成弧微分方程為:

(5)

(6)

故切削液從O點流到A點時所用的時間為:

(7)

在O點時y(0)=0,在A點時y(x0)=y0。

求最速降線即確定切削液流動到終點坐標A(x0,y0)時使t取最小值。

令y′=cot(t),1+y′2=csc2t,代入上式得:

(8)

(9)

(10)

故所求最速降線曲線方程為:

(11)

將點O(0,0)和點A(x0,y0)(以排屑通道孔徑為16 mm的負壓抽屑裝置為研究對象,A點坐標大概為x0=3.46 mm,y0=-2.00 mm)代入式(11)得:

(12)

即所求最速降線方程為:

(13)

總結現有的對深孔加工負壓抽屑裝置的研究結論,負壓噴嘴噴射角k越小,噴嘴前后截面之間切削液的流動速度越快,負壓效果也越好;而噴嘴間隙s選擇在0.30～0.50 mm之間能獲得最佳的負壓效果;另外隨著負壓抽屑裝置負壓級數的增加,負壓抽屑裝置所帶來的負壓效果越來越不明顯,因此本文僅對單級負壓抽屑裝置進行研究,并選擇負壓噴射角k=30°,噴嘴間隙s=0.40 mm[14];研究對象為加工孔徑30 mm的BTA鉆頭,排屑通道直徑為16 mm的鉆桿。通過方程驅動曲線繪制帶有膛線的最速降線三維模型,帶有膛線的最速降線負壓裝置如圖1所示。

圖1 帶有膛線的最速降線負壓結構

3 仿真分析

3.1 計算方法

采用三維模型導入、體積抽取的方法進行仿真分析。因負壓噴嘴與排屑通道接觸區域會有能量損失和能量轉化,此處是影響計算結果準確性的關鍵,故對其進行網格細化,然后將劃分好的網格文件導入Fluent軟件,網格劃分后的模型如圖2所示。

圖2 負壓裝置網格劃分模型

(1)為了更精確地模擬圓形射流的擴散速度,使旋轉流計算、帶方向壓強梯度邊界層計算和分離流計算等問題更符合真實情況,選擇標準Realizablek-ε湍流模型;

(2)流體材料選擇深孔加工常用的含硫極壓切削液,密度約為2000 kg/m3,粘度約為1.72×10-5kg/(m·s);

(3)選擇速度入口邊界條件。排屑通道進口速度設置為0.5 m/s,負壓噴嘴進油口速度設置為2 m/s[17];

(4)為了增加計算的穩定性,提高計算速度,設置壓強-速度關聯算法,選擇SIMPLEC格式;

(5)為保證計算穩定性,通過前期調試,將壓力項松弛因子設置為0.3,密度、體積項松馳因子為1,動量項松馳因子為0.5,湍流動能項松馳因子為0.6,湍流耗散率項松馳因子為0.6,湍流黏度項松馳因子為0.6;

(6)在計算過程中通過監視殘差來判斷收斂信息,直到結果收斂為止。

3.2 最速降線負壓抽屑裝置性能分析

根據求解出的最速降線繪制三維模型,并在排屑通道直徑和長度等條件相同的前提下繪制錐面負壓裝置和三種曲面負壓裝置的對比模型,分別進行仿真試驗,并對其負壓效果(圖3a)、速度提升效果(圖3b)和湍流動能情況(圖3c)進行分析,分析結果如下:

(a)最速降線壓強對比曲線

從壓力對比曲線(圖3a)可以看出,負壓裝置的射流與排屑通道內的流體混合后在負壓噴嘴處形成了負壓區,此處的負壓值反映了該負壓裝置的抽吸強度,負壓值越大說明抽吸效果越好。由表1數據可知,由5種曲線繪制的負壓裝置均產生了負壓作用,其中錐面負壓裝置產生的負壓效果最差,負壓值僅有74.693 Pa,3種曲面負壓裝置中對比曲線2的負壓效果最好,負壓值為194.510 Pa,而結合了最速降線理論的負壓裝置產生的負壓效果最佳,達到了388.409 Pa,比錐面的負壓效果提高了4.2倍,比其他曲面的負壓效果提高了1倍。

表1 各曲線負壓值、切削液速度與湍流動能情況

從切屑液速度對比曲線(圖3b)可以看出,流體混合伴隨著能量損失,產生負壓之后切削液的流速開始上升,此處切削液的最大速度反應了負壓裝置對切削液速度的提升效果。由表1數據可知,錐面噴嘴對速度提升效果最差,只提升到了0.342 m/s,3種曲面負壓裝置中同樣是對比曲線2對速度的提升效果最好,達到了1.021 m/s,結合了最速降線理論的負壓裝置提升效果最佳,達到了1.582 m/s,相較于錐面裝置提高了3.6倍,比曲面負壓裝置提高了0.5倍。

從湍流動能對比曲線(圖3c)可以看出,結合了最速降線的負壓裝置湍流動能提升效果最明顯,而湍流動能的大小反映了排屑通道流體與射流口流體混合時能量傳遞的強弱。由表1數據可知,錐面負壓裝置的湍流動能只有0.200 m2/s2,3種曲面中對比曲線2的湍流動能最高也只有0.390 m2/s2,而最速降線負壓裝置的湍流動能達到了0.704 m2/s2,相較于錐面負壓裝置提高了2.5倍,相較于曲面負壓裝置提高了0.8倍。

結合了最速降線理論的負壓抽屑裝置能更大幅度的提高負壓效果、切削液流動速度和湍流動能,進而提高深孔加工排屑動力,從仿真的角度說明最速降線能有效促進流體流動。

3.3 添加膛線的負壓抽屑裝置性能分析

在最速降線負壓抽屑裝置的基礎上添加不同數量、不同深度和不同螺旋角度的膛線,進一步提高深孔加工排屑動力,并建立正交試驗表分析膛線各因素對負壓抽屑裝置排屑性能的影響效果。正交試驗因素水平表如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

通過仿真試驗得到各組變量下的壓強、速度和湍流動能曲線,如圖4所示,通過分析仿真結果計算出每種組合下產生的負壓值、切削液流動速度和湍流動能,正交試驗方案與試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗方案與試驗結果

(a)不同膛線下的壓強對比曲線 (b)不同膛線下速度對比曲線

從表3和圖4的結果可以看出,添加膛線后的最速降線負壓裝置對其負壓效果和湍流動能提升效果并不明顯,與添加膛線前的數據相差不大,但對切削液的流動速度提升效果有明顯的提升,9組正交試驗中有6組切削液的速度值超過了最速降線負壓裝置的速度,另外3組可能受3種因素的交叉影響導致速度有所下降。

3.4 極差方差分析

為了更直觀準確的看出膛線各因素對負壓抽屑裝置性能的影響,并找出能提高負壓抽屑裝置性能的最優組合,故分別對實驗結果進行極差方差分析。

根據仿真得出的數據(表3)進行極差分析,同一變量各水平下的極差值R反映了膛線A(膛線數量)、B(膛線深度)和C(螺旋角度)3種因素對負壓裝置負壓效果、切削液速度和湍流動能的影響效果,R值越大說明該因素對這一結果的影響越大,敏感性越高。加膛線的負壓抽屑裝置極差分析結果如表4所示。

表4 加膛線的負壓裝置極差分析表

從極差分析結果(表4)可以看出膛線各參數對負壓裝置整體的負壓效果、切削液速度和湍流動能都有不同的影響,各變量對負壓效果影響程度從高到低依次為螺旋角度、膛線深度和膛線數量,對切削液速度提升效果影響程度依次是膛線深度、螺旋角度和膛線數量,對湍流動能影響程度較大的是膛線數量和螺旋角度,膛線深度對其影響較小。

為了將膛線各因素各水平引起的偏差和試驗誤差區分,對仿真結果進行方差分析。方差分析結果如表5所示。

表5 加膛線的負壓裝置方差分析

從方差分析結果(表5)可以看出,膛線各因素對最速降線負壓抽屑裝置的負壓值和湍流動能提升顯著性較差,沒有多大的影響。但膛線的深度和膛線螺旋角度對切削液流動速度的提升效果具有一定顯著性,且隨著膛線深度的增加,切削液流動速度逐漸下降,隨著膛線螺旋角度的增加,切削液流動速度逐漸增加。另外膛線深度對切削液流動速度的影響程度大于螺旋角度的影響程度,與極差分析結果一致,進一步驗證了極差分析結果。所以,帶有膛線的最速降線負壓抽屑裝置的最優組合為A3B1C3,即膛線數量8根、膛線深度0.15 mm、膛線螺旋角度9°時能取得更好的排屑效果。

4 結論

(1)采用最速降線理論設計的負壓抽屑裝置相較于普通的負壓抽屑裝置在負壓性能、切削液流動速度和湍流動能上均有所提高,說明最速降線能有效促進流體流動。

(2)最速降線負壓裝置相較于曲面負壓裝置負壓效果和湍流動能提升效果明顯,分別提高了1倍和0.8倍,速度提升效果次之,提高了0.55倍。

(3)在最速降線負壓裝置的基礎上添加膛線有助于提高切削液流動速度,且當膛線數量為8根,膛線深度為0.15 mm,螺旋角度為9°時效果最佳。