负压排屑装置楔形结构优化设计与仿真

董伟康1 关世玺1 郭镇豪1 刘 亚2 1.中北大学机电工程学院,太原, 030051 2.首都航天机械有限公司,北京, 100076

China Mechanical Engineering - - CONTENTS - 董伟康 关世玺 郭镇豪等

摘要:为解决超大长径比深孔加工排屑困难问题,在分析DF系统负压排屑作用机理的基础上,建立负压射流模型,通过采用填充部分前/后分离区所占区域的方法,设计了一种位于射流喷嘴处的楔形结构,以减少前/后分离区的能量损耗。理论计算及Fluent仿真优化实验结果表明,该楔形尺寸在长度L1= 75 mm、宽度L2= 1 mm时效果最好,切削液流速增大约10.07%,湍流动能增大约11.39%,负压区压力值减小约79.26%,该楔形结构提高了负压排屑能力,最大程度地减少了前/后分离区的能量损耗。

关键词:负压排屑;前/后分离区;楔形结构;仿真优化

中图分类号: TH16;TG52

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.17.008 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

Optimized Design and Simulation of Wedge Structures for Negative

Pressure Chip Removal Devices

DONG Weikang1 GUAN Shixi1 GUO Zhenhao1 LIU Ya2

1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering,North University of China,Taiyuan,030051

2.Capital Aerospace Machinery Corporation Limited,Beijing,100076

Abstract: In order to solve the problems that the large⁃length⁃diameter ratios deep⁃hole machining had difficulty to chip removal,the negative pressure jet model was established on the basis of analyzing the mechanism of DF(double feeder)system s negative pressure chip removal. A wedge structure at the jet nozzle was designed to reduce the energy loss in the areas by the method of filling in the partial areass of the front and rear separation zones. Through theoretical calculation and Fluent simulation optimization experiments,the results show that the wedge size is the best when the length is L1 = 75 mm and the width is L2 = 1 mm,which enhances the cutting fluid flow rates by about 10.07%,increases the turbu⁃ lent kinetic energy by about 11.39%,and reduces the negative pressure values by about 79.26%. The wedge structure enhances the ability of negative pressure chip removal,and reduces the front and rear separation area energy loss maximally.

Key words: negative pressure chip removal;front and rear separation area;wedge structure;simu⁃ lation optimization

0 引言在机械制造领域,深孔加工占到孔加工的40%以上 。深孔加工具有不可观测、排屑难、油

[] 1

温高等特性 ,对于超大长径比( L/D> 10)的深孔

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加工,其排屑更是一个难题 。目前常用技术是内

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排屑 DF(double feeder)系统,通过油泵供给的切削液分成前后两支:前一支油液流经切削刃,将切屑推入钻头喉部,经钻头内腔进入钻杆,流入负压

收稿日期: 2017-07-25

基金项目:山西省工业科技攻关计划资助项目( 20140202ZX) 装置;后一支液流经负压装置喷嘴处的射流间隙,由于射流通道窄小而获得较大的流速和能量,在钻杆末端产生负压区域,使排屑流被吸入并与被加速的主射流混合,通过剪切作用,排屑流速度和能量增大,从而加速排出切屑。但现有负压排屑装置对长距离抽吸切削液的效果不太理想 。本

[] 4文重点研究如何提高内排屑DF系统负压排屑能力。通过对现有深孔加工负压装置的结构及工作原理的分析,采用减少前后分离区能量损耗的方法,设计楔形结构负压装置填充该区域,减少非必要的能量损耗 ,以达到增强排屑动力的效果。

[] 5

1 现有负压射流技术简介在现有深孔负压排屑装置中,喷嘴处附近的切削液与射流油液进行能量交换,在喷嘴处形成真空区、前分离区、射流区、后分离区、能量转换区、混流区6个区域 ,见图1。

[] 6

图1 负压射流模型

Fig.1 Negative pressure jet model

( 1)射流区——喷嘴流体通道。

( 2)前/后分离区——射流区外侧与主排屑通道交汇处。射流区流体从喷嘴进入排屑通道的过程中,通道截面急剧扩大,流体与固体壁面脱离形成分离区,该区具有强烈的紊动性,伴随着很大的能量损失。

( 3)能量转换区——射流区外侧与后排屑通道交汇处。此区内两相流进行能量转换,使得主排屑通道内流体速度增大。

( 4)真空区——喷嘴前部锥形流束。由射流与主排屑通道流体能量交换形成负压区,对排屑通道内的切削液起到抽吸作用。

( 5)混流区——后排屑通道中间部分。两股切削液得到充分的混合,能量转换结束。

根据以上分析可以看出,现有装置的前/后分离区造成了能量损失,对负压抽屑效果产生了消极影响,因此需要在喷嘴前/后分离区分别设计楔形结构,以填充原有部分前/后分离区所占区域。新设计的楔形结构负压装置见图2。 图2 楔形结构负压装置的负压射流模型Fig.2 Negative pressure jet model of wedge structure

for negative pressure devices 2 楔形结构负压装置理论分析对该楔形结构负压装置进行理论分析,讨论楔形结构对DF系统负压装置切削液流速、负压区压力值及湍流动能的提升效果。

图3为原有负压装置二维结构简图 ,在喷嘴

[] 7 前截面1⁃1与截面2⁃2处孔径均为D1,喷嘴后截面3⁃3处孔径为D2 , D2 = D1 + 2S cos α,其中S为负压喷嘴间隙, α为负压喷嘴的喷射角。

图3 原有负压装置结构

Fig.3 Original negative pressure device structure

图4将楔形结构填充进负压装置中,截面1′⁃1′处孔径仍为D1 ,截面2′ ⁃ 2′处孔径为D3 ,截面3′ ⁃ 3′处孔径为D4 ,在截面2′ ⁃ 2′ 和 3′ ⁃ 3′处减小孔径,使得D3 < D1,D4 < D2。 图4 楔形结构负压装置结构

Fig.4 Structure of wedge-shaped negative

pressure device

图3与图4排屑通道选用相同的流量qV,截面面积 A = πD2 4 ,可 得 A1 ==> A2 A1′ A2′ , A3′ < A3。设定图3与图4具有相同的切削液位能。根据能量方程可得qV = v1 A1 = v2 A2 = v3 A3 = v1′ A1′ = v2′ A2′ = v3′ A3′

( 1)式中, A1、A2、A3、A1 ′、A2 ′、A3 ′分别为截面1⁃1、、、2⁃2 3⁃3 1 ′ ⁃ 1 ′ 、2 ′ ⁃2 ′、3 ′ ⁃3 ′处断面面积; v1、v2、v3、v1 、v2 、v3 分别为截

′ ′ ′

面1⁃1、、、2⁃2 3⁃3 1 ′ ⁃1 ′、2 ′ ⁃2 ′、3 ′ ⁃3 ′处切削液流速。

2.1 速度分析

图中3 A1=A2,由式(1)可得v1 = v2,由于A1= A1′>A2′,从而得出v1 =< v 1′ v 2′。在喷嘴前部,图4处速度要大于图3处速度,增大了切削液流速,增大量为Δv1 = v 2′ - v2。喷嘴处油液进入排屑通道后进行能量交换,大幅增大了切削液流速。图3中A3 > A3′ ,根据式( 1)得出v3 < v 3′ ,在喷嘴后部的能量转换区提高了交换效率,增大了切削液流速,增大量为Δv2 = v 3′ - v3。

2.2 压力分析

将伯努利方程运用到图3与图4的压力对比分析中,可以得到:

v2 z2 + +=+ z 2′ + ( 2)

2 p2 v p 2′

2g ρg 2g ρg

式中, z2为切削区排屑入口截面2⁃2处切削液位能, J; z 2′ 为

负压喷口截面2 ′ ⁃2 ′处切削液位能, J; p2、p2 为截面2⁃2和

2 ′ ⁃2 ′处的平均压力, Pa; g为重力加速度, N/kg; ρ为密度, kg/m3。

由以上分析可知, v 2′ > v2 , Δv = v 2′ - v2 ,由于 z2 = z2′ ,可 得 Δp = p2 - p 2′ = ρ [ 2v 2 Δv + ( Δv ) 2] ,从而表明图4中截面2 ′ ⁃2 ′处负压区压力值更小。负压区压力值的大小决定对切削液抽吸效果的强弱,所以图4效果要强于图3效果。同理 ,在喷嘴油液进入到排屑管道后 ,由 于A3′ < A3,得出v 3′ > v3 ,根据伯努利方程可得出图4中截面3 ′ ⁃3 ′处负压区压力值变小,且抽吸效果增强,提高了排屑能力。

2.3 湍流动能分析

湍流动能值的大小反映了两相流能量传递能力的强弱,传递能力越强,射流油液对切削液的抽吸效果越强。

喷嘴处存在不同的能量区域,楔形结构填充部分前/后分离区可减少该区域能量损耗,若该结构尺寸过大,则将导致楔形结构部分位于混流区,影响混流区内两相流的能量传递,湍流值减小,从而降低负压排屑能力,因此,楔形尺寸应与前/后分离区相匹配。目前前/后分离区尚未有明确的划分标准,通过对不同尺寸的楔形结构进行仿真分析,来确定楔形结构最优解,以保证湍流动能值最大。

3 Fluent仿真实验

3.1 物理模型

该楔形结构负压装置建立在内排屑孔径为20 mm的深孔钻削系统中 ,切削废液流速

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0.5 m/s,负压射流油液流速2 m/s,负压喷嘴间隙0.4 mm,负压喷嘴喷射角30°。在不考虑切屑存在的情况下,运用Fluent进行仿真实验。由于该结构为旋转对称结构,由楔形结构旋转可得,喷嘴前后2个楔形块大小相同,布置方向相反,可选用二维平面模型进行仿真,仿真楔形尺寸见图5。 图5 楔形尺寸

Fig.5 Wedge size

图 5 中, ∠BAC值与喷嘴角度相同,取 30°定值;楔形结构长度L1取值为 25 mm、50 mm、 75 mm、100 mm;宽度L2取值为0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm。

由于L1、L2尺寸均可能影响负压效果,对其采用单一变量法进行仿真实验。对L1与L2不同尺寸组合进行仿真数据分析。

3.2 计算方法

( 1)采用压力基隐式求解器,选择标准k⁃ε 湍流模型。

( 2)流体材料属性。选择硫化切削液,密度为2 000 kg/m3,黏度为1.72 kPa · s。

( 3)壁面条件选择。无滑移条件,壁面粗糙度保持默认值0.5。

( 4)选择数值计算差分格式。①压力插值保持默认的Standard方法; ②压力-速度耦合方式选择 SIMPLEC;③动量、湍流动能、湍流耗散率均采用 Second Order Upwind Scheme。

( 5)松弛因子设置。设置压力项松弛因子0.3,密度、质量项松驰因子1,动量项松驰因子0.5,湍流能项松驰因子0.6,湍流耗散率项松驰因子0.6,湍流黏性项松驰因子0.6。

( 6)边界条件设置。排屑通道进油口速度为 0.5 m/s ,射流口速度为2 m/s。

( 7)收敛准则选择。以差分方程表示的连续方程两边的计算差值小于0.000 01 为基准。

3.3 仿真实验结果分析

本文通过监测模型对称轴上速度、负压区压力值、湍流动能值,对楔形结构负压装置进行对比分析以确定最优解。

图6为原始结构( L1,L2= 0)的仿真曲线,图6a所示A点为负压装置前端流速最大值,反映了切削液流速增大程度, A处速度值为0.583 905 m/s。图6b所示B点为真空区切削液液的最小负压区压力值,反映了负压排屑装置对切削液的抽吸效果, B处压力值为- 90.941 4 Pa。图 6c 所示C点为混流区两相流的最大湍流动能值,反映了两相流能量传递的能力, C处湍流动能值为0.043 203 1 m2/s2。

对不同尺寸结构进行仿真分析,监测ABC、、处相应数值得出速度对比(表1)、负压区压力值对比(表2)及湍流动能值对比(表3)。结合图6a 与表1分析可知: ①楔形结构负压装置相对于原始结构,其切削液流速有了一定的增大; ②长度L1增大, A值速度增大; ③宽度L2增大, A处速度增大。结合图6b与表2分析可知: ①楔形结构负压装置相对于原始结构,其最小负压区压力值更小; ②最小负压区压力值出现在喷嘴前部真空区内,可确

定真空区的大致范围; ③长度L1增大,负压区压力值减小,减小幅度相对较小; ④宽度L2增大,负压区压力值减小,抽吸效果增强。结合图6c与表3分析可知: ①楔形结构负压装置相对于原始结构,其湍流动能值增大; ②当长度L1= 75 mm、宽度 L2= 1 mm 时,该负压装置具有最大的湍流动能值0.048 127 1 m2/s2,在混流区两相流能量传递能力

表3 湍流动能对比( C处)

Tab.3 Turbulent kinetic energy contrast( location C)

m2/s2

最强,该楔形结构尺寸与前/后分离区的重合度最高,此时相比于传统负压装置,其切削液流速增大约10.07%,湍流动能增大约11.39%,负压区压力值减小约79.26%。

4 结论

( 1)本文设计的楔形结构负压装置与传统负压装置结构相比,其切削液流速和湍流动能值均增大,负压区压力值减小。

(在2) 20 mm孔径的深孔加工中,确定当长度L1= 75 mm、宽度 L2= 1 mm时楔形结构为最优解,与前/后分离区的重合度最高。

( 3)当长度L1= 75 mm、宽度L2= 1 mm时的楔形结构负压装置相比于传统负压装置,其切削液流速增大约10.07%,湍流动能增大约11.39%,负压区压力值减小约79.26%。

( 4)本文在以上理论研究、仿真实验成果基础上,下一步将采用分析测试方法进行实践验证,开展相关实验论证。

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WANG Huilin,ZHANG Pingkuan. Analysis of the Chip Draining and Breaking with Negative Pressure in Hole Drilling [] J . Tool Engineering,1999(2):14⁃ 16.

(下转第2086页)

( c)湍流动能变化 图6 原始结构仿真曲线 Fig.6 Original structural simulation curve 表1 速度对比( A处) Tab.1 Speed contrast( location A) m/s

( b)压力变化

( a)速度变化

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