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孔加工中負壓排屑、斷屑的分析

時間:2011-05-31 09:13:01 來源:未知

一、引　言

在機械加工中，孔加工屬于封閉式加工，加工時刀具被工件包圍，切削液難以達到切削區，加之切屑不易排除等原因，使孔的加工較為困難，尤其是加工深徑比較大的孔時，加工難度更大。七十年代由日本冶金株式會社首先推出的DF系統深孔加工技術是一種很好的孔加工方法，并于八十年代引入我國。
隨著多種設備的小型化，機械零件上的小直徑深孔不斷增多，并且加工精度也不斷提高，從而使DF系統深孔加工技術日益顯示出其優越性。國內在九十年代對DF系統逐步引起重視，但對其多進行的是實驗研究，理論分析尚不完善。此外，外排屑槍鉆深孔加工系統還不能完全被別的加工方法所取代，同樣可以采用負壓原理來提高它的加工效率和加工質量，同時也可以把這種方法擴展到其它加工系統中。在孔加工系統中增加負壓裝置后，可以明顯提高系統的排屑能力，同時斷屑情況也有所好轉。

圖1　一種帶負壓深孔加工系統

二、負壓排、斷屑原理分析

  1. 液流橫截面為圓形
    圖1為一帶負壓深孔加工系統(臥式狀態)示意圖，加工時一路油(或切削液P2，Q2)從前端輸入，另一路油(或切削液P，Q)從后端輸入，通過圖示裝置產生負壓效應，從而實現抽吸切屑。
    首先在加工系統后端部分，在不考慮流過縫隙的局部和沿程壓力損失情況下，臥式條件下列出1－1、2－2截面的伯努利方程如下：
    Po+V2o=Pa+V2g2gg2g
    (1)
    式中g——切削液的比重，g＝r*g(r為切削液的比密)g——重力加速度Vo，V——1-1，2-2處液體流速Po，Pa—1-1，2-2處壓力，除特殊說明外，均為絕對壓力，因2-2截面直接接回油箱，故Pa為環境大氣壓力
    由流量公式Q＝VA及連續性方程A1V1＝A2V2可得
    V1=QA0
      (2)
    V2=QA
      (3)式中　A0——1-1截面液流面積，A0＝pdd
    A——2-2截面液流面積，A=p#p#分頁標題#e#D2/4
    將式(2)，(3)代入式(1)，注意到V0＝V1cosf，并整理可得
    P0=ParQ2[(24)-(cosf)2]2p2Ddd
      (4)
    當考慮液體流過縫隙時的沿程壓力損失時，則流量可表示為
    Q=pdd3(P-Pa)12µx
      (5)式中　µ——流體的粘度
    x——縫隙長度
    將式(5)代入式(4)得
    P0=Pa+16d2d2-4cos2f·rd4(P-Pa)2D4288µ2x2
    (6)
    由式(6)可以看出，因P≥Pa，d≤D，所以P0很容易形成負壓，即在刀桿內孔中很易產生負壓。
    設在加工系統中的前輸油部分壓力為P2，流量為Q2，則對切屑就很易形成前拉(吸)后推的作用，從而使切屑方便、快捷地排除。
    前供油壓力P2到達刀頭即切削區時壓力降為P2，則由流量式 Q2=pd2(d1-d2)3(P2-P1)96µl
    得
    P1=P2-96µlQ2pd2(d1-d2)3
      (7)
    在鉆削過程中，如果待加工孔徑d12確定，不論采用什么樣的內排屑鉆削方式加工，d2不會有太大差異，故為了使切屑能在此切削液壓力作用下順利地從刀桿內孔d3中排出，需要較大的P2才能完成。
    又由管中流動式 P1=P0#p#分頁標題#e#+128µlQpd43
    得
    P1=P0+128µlQpd43
    (8)
    圖2　負壓斷屑示意圖
    如果僅從排屑的角度來分析，可以由(7)、(8)兩式得知，有了負壓抽吸裝置后，在同樣的排屑能力下，前輸油部分要求壓力可明顯降低。同時由我們的《深孔加工的負壓外排屑探討》可知，即使在這種情況下，排屑效果也會比原來的情況要好。如果還維持原來的前輸油供油壓力，則排屑能力會大大提高，不僅如此，同時由于在切削刃處，切屑的兩面形成一定壓差，如圖2所示，假設忽略負壓效應沿刀桿管的沿程損失(實際上相當于管內空氣的沿程壓力損失)，那么切屑會在P1、P0作用下，很容易被拉斷，此時的拉力F為 F=(P1-P0)l1r1h(9)
    切屑能承受的極限拉力F1為 F1=dr1f(10)
    式中　l1——切屑長度
    r1——切屑寬度
    h——切屑承壓面占切屑總面積的比例
    d——切屑的抗拉強度
    f——加工時的每轉進給量
    顯然當F＞F1時，切屑將被拉斷，由此可見切削系統中增加負壓抽吸裝置后，不僅對排屑能起到非常明顯的作用，而且對斷屑也會有很大幫助。所以，在設計時若要達到此目的，可以由(6)～(10)式進行理論計算。
    此外，由式(6)、(7)、(8)可得
    P2=(96l+128L)µQ2+Pa+rdd3[(2)4-(cosf)2](P-Pa)pd2(d1-d2)3pd4324µxpDdd
    (11)
    圖3　另一帶種負壓深孔加工系統
    由此式可以看出，如果P2等于環境壓力，即不加前輸油器，這在一些情況下是可能的，因有些零件結構不允許，前面無法安裝輸油器，則傳統上認為不能采用上述系統加工，筆者認為此時可將工件浸入潤滑液中(甚至不用前潤滑液輸入，就直接進風，進行空氣冷卻)，僅借助于負壓裝置P來使前輸入油口吸入潤滑液，完成加工，從而使此種加工系統應用范圍擴大，故稱為強力負壓孔加工系統，設計時，可借助式(11)進行有關計算。#p#分頁標題#e#
  2. 液流截面為非圓截面
    圖3為另一種帶負壓深孔加工系統示意圖，所用刀具為槍鉆，后面輸入切削液，前面為負壓輸出口。切削液流入通道和切屑流出通道均為非圓橫截面，借助于非圓截面流量公式，可以推出對應于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式
    P0=Pa+rd4(P-Pa)2[(pdd)2-A21cos2f]288µ2x2
      (12)
    P1=P2-35grLSQ216A3
      (13)
    P1=P0-35grlS1Q216A31
      (14)式中　S，A——分別為進油口即刀桿內孔周長和面積
    S1，A1——分別為出屑口即刀桿V型槽周長和面積

三、小　結

本文對孔加工中的兩種帶有負壓抽吸裝置的加工系統進行分析所建理論公式，為進一步開發利用帶負壓孔加工系統及其設計合理化提供了理論依據。