孔加工中负压排屑、断屑的分析
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技术综合
一、引 言
图1 一种带负压深孔加工系统
二、负压排、断屑原理分析
- 液流横截面为圆形
- 图1为一带负压深孔加工系统(卧式状态)示意图，加工时一路油(或切削液P2，Q2)从前端输入，另一路油(或切削液P，Q)从后端输入，通过图示装置产生负压效应，从而实现抽吸切屑。
- 首先在加工系统后端部分，在不考虑流过缝隙的局部和沿程压力损失情况下，卧式条件下列出1－1、2－2截面的伯努利方程如下： P
o + V2o = Pa + V2 g 2g g 2g(1)
式中 g—— 切削液的比重，g＝r*g(r为切削液的比密) g—— 重力加速度 Vo，V—— 1-1，2-2处液体流速 Po，Pa— 1-1，2-2处压力，除特殊说明外，均为绝对压力，因2-2截面直接接回油箱，故Pa为环境大气压力- 由流量公式Q＝VA及连续性方程A
1V1＝A2V2可得 V1= Q A0 (2)V2= Q A (3)式中 A0——1-1截面液流面积，A0＝pdd- A——2-2截面液流面积，A=pD
2/4- 将式(2)，(3)代入式(1)，注意到V
0＝V1cosf，并整理可得 P0=Pa rQ2 [( 24 )-( cosf )2] 2p2 D dd (4)- 当考虑液体流过缝隙时的沿程压力损失时，则流量可表示为 Q= pdd
3 (P-Pa) 12µx (5)式中 µ——流体的粘度- x——缝隙长度
- 将式(5)代入式(4)得 P
0=Pa+ 16d2d2-4cos2f · rd4(P-Pa)2 D4 288µ2x2(6)- 由式(6)可以看出，因P≥P
a，d≤D，所以P0很容易形成负压，即在刀杆内孔中很易产生负压。- 设在加工系统中的前输油部分压力为P
2，流量为Q2，则对切屑就很易形成前拉(吸)后推的作用，从而使切屑方便、快捷地排除。- 前供油压力P
2到达刀头即切削区时压力降为P2，则由流量式 Q2= pd2(d1-d2)3 (P2-P1) 96µl得 P1=P2- 96µl Q2 pd2(d1-d2)3 (7)- 在钻削过程中，如果待加工孔径d
12确定，不论采用什么样的内排屑钻削方式加工，d2不会有太大差异，故为了使切屑能在此切削液压力作用下顺利地从刀杆内孔d3中排出，需要较大的P2才能完成。- 又由管中流动式 P
1=P0+ 128µl Q pd43得 P1=P0+ 128µl Q pd43(8)
图2 负压断屑示意图- 如果仅从排屑的角度来分析，可以由(7)、(8)两式得知，有了负压抽吸装置后，在同样的排屑能力下，前输油部分要求压力可明显降低。同时由我们的《深孔加工的负压外排屑探讨》可知，即使在这种情况下，排屑效果也会比原来的情况要好。如果还维持原来的前输油供油压力，则排屑能力会大大提高，不仅如此，同时由于在切削刃处，切屑的两面形成一定压差，如图2所示，假设忽略负压效应沿刀杆管的沿程损失(实际上相当于管内空气的沿程压力损失)，那么切屑会在P
1、P0作用下，很容易被拉断，此时的拉力F为 F=(P1-P0)l1r1h (9)- 切屑能承受的极限拉力F1为 F
1=dr1f (10)式中 l1——切屑长度- r
1——切屑宽度- h——切屑承压面占切屑总面积的比例
- d——切屑的抗拉强度
- f——加工时的每转进给量
- 显然当F＞F
1时，切屑将被拉断，由此可见切削系统中增加负压抽吸装置后，不仅对排屑能起到非常明显的作用，而且对断屑也会有很大帮助。所以，在设计时若要达到此目的，可以由(6)～(10)式进行理论计算。- 此外，由式(6)、(7)、(8)可得 P
2=( 96l + 128L )µQ2+Pa+ rdd3 [( 2 )4-( cosf )2](P-Pa) pd2(d1-d2)3 pd43 24µxp D dd(11)
图3 另一带种负压深孔加工系统- 由此式可以看出，如果P
2等于环境压力，即不加前输油器，这在一些情况下是可能的，因有些零件结构不允许，前面无法安装输油器，则传统上认为不能采用上述系统加工，笔者认为此时可将工件浸入润滑液中(甚至不用前润滑液输入，就直接进风，进行空气冷却)，仅借助于负压装置P来使前输入油口吸入润滑液，完成加工，从而使此种加工系统应用范围扩大，故称为强力负压孔加工系统，设计时，可借助式(11)进行有关计算。 - 液流截面为非圆截面
- 图3为另一种带负压深孔加工系统示意图，所用刀具为枪钻，后面输入切削液，前面为负压输出口。切削液流入通道和切屑流出通道均为非圆横截面，借助于非圆截面流量公式，可以推出对应于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式 P
0=Pa+ rd4 (P-Pa)2[(pdd)2-A21cos2f] 288µ2x2 (12)P1=P2- 35grLS Q2 16A3 (13)P1=P0- 35grlS1 Q2 16A31 (14)式中 S，A——分别为进油口即刀杆内孔周长和面积- S
1，A1——分别为出屑口即刀杆V型槽周长和面积 - 图3为另一种带负压深孔加工系统示意图，所用刀具为枪钻，后面输入切削液，前面为负压输出口。切削液流入通道和切屑流出通道均为非圆横截面，借助于非圆截面流量公式，可以推出对应于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式 P
三、小 结
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