高偉佳 沈興全 黃曉斌 雷 韶

(中北大學(xué)山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

高速鉆削深孔鉆的設(shè)計(jì)與研究

高偉佳 沈興全 黃曉斌 雷 韶

(中北大學(xué)山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

高速鉆削加工對(duì)深孔鉆提出了較高的要求，因此根據(jù)深孔加工技術(shù)、高速切削技術(shù)和流體機(jī)械知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種在高速運(yùn)動(dòng)中能夠保持平穩(wěn)鉆削和實(shí)現(xiàn)高效排屑的深孔鉆。并且運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)其排屑通道優(yōu)化進(jìn)行分析，驗(yàn)證了高速鉆削深孔鉆的排屑效果，為以后新型深孔鉆的設(shè)計(jì)與研究提供了新的思路。

高速鉆削；深孔鉆；ANSYS Fluent

孔加工技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域中占有重要地位，而深孔加工又占到孔加工的40%以上，目前深孔鉆仍然是應(yīng)用最廣泛的孔加工刀具[1]。高速鉆削技術(shù)對(duì)提高深孔加工的效率和實(shí)現(xiàn)高效排屑具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。然而刀具鉆削速度提高，對(duì)深孔鉆的平穩(wěn)鉆削和順利排屑提出了更高的要求，迫切需要對(duì)應(yīng)用于高速鉆削的深孔鉆作進(jìn)一步深入研究[2]。本文重點(diǎn)考慮深孔鉆頭在高速鉆削下的平衡、以及應(yīng)用流體知識(shí)解決高速鉆削排屑難的問(wèn)題[3]，對(duì)切削刃、流道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。應(yīng)用流體機(jī)械理論設(shè)計(jì)出的高速鉆削深孔鉆，為優(yōu)化深孔鉆結(jié)構(gòu)和解決高速鉆削排屑問(wèn)題提供新的思路和方法。隨后建立了高速鉆削深孔鉆的流體分析模型，運(yùn)用CATIA軟件建立三維模型，然后利用ANSYS Fluent軟件對(duì)流體特性進(jìn)行了仿真，得到此深孔鉆內(nèi)部流體分析結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[4]。本文設(shè)計(jì)出的高速鉆削深孔鉆，對(duì)深孔加工的發(fā)展具有理論意義的價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)高速鉆削提供了理論依據(jù)。采用3D打印技術(shù)，使用光敏樹(shù)脂材料，將設(shè)計(jì)出的高速鉆削深孔鉆做成實(shí)物，如圖1所示。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于深孔加工中的工件內(nèi)部空間有限，因此深孔鉆結(jié)構(gòu)要保證有足夠的排屑空間。經(jīng)典深孔鉆的結(jié)構(gòu)為不對(duì)稱的切削刃，雖然一定程度上解決了上述問(wèn)題，但是導(dǎo)致在高速運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生較大的振幅，不利于高速鉆削[5]。本文以剛體系統(tǒng)平衡為入手點(diǎn)，重新分布切削刃位置，并進(jìn)行排屑通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了高速鉆削深孔鉆。具體結(jié)構(gòu)為采用四段對(duì)稱式切削刃。切削刃關(guān)于中心對(duì)稱，形成兩對(duì)大小相等，方向相反的力偶，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果。確保新型深孔鉆的平衡，實(shí)現(xiàn)高速平穩(wěn)鉆削；創(chuàng)新設(shè)計(jì)出沖擊流道，解決BTA鉆排屑不暢的情況；并通過(guò)改進(jìn)中間齒流道來(lái)促進(jìn)切削液的高效排屑。

1.1 四段式對(duì)稱刃結(jié)構(gòu)

高速鉆削深孔鉆頭的最大改進(jìn)是采用四段對(duì)稱式切削刃結(jié)構(gòu)，四個(gè)切削刃受到的切削力分成兩對(duì)力偶，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果，如圖2所示。

切削刃結(jié)構(gòu)主要分為中心齒區(qū)域、周邊齒區(qū)域和導(dǎo)向條。

中心齒區(qū)域：位于高速鉆削深孔鉆的中心，有兩個(gè)切削刃關(guān)于鉆體幾何中心對(duì)稱排列。作用在兩個(gè)切削刃上的力大小相等，方向相反，構(gòu)成一對(duì)力偶，使鉆頭只呈現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)效果。高速鉆削深孔鉆的中心齒區(qū)域兩個(gè)切削刃之間采用空心的設(shè)計(jì)，運(yùn)用兩個(gè)切削刃切削相互拉扯使切屑斷裂來(lái)排出。

周邊齒區(qū)域：位于高速鉆削深孔鉆周邊，有兩個(gè)切削刃關(guān)于鉆體幾何中心對(duì)稱排列。作用在兩個(gè)切削刃上的力大小相等，方向相反，構(gòu)成力偶。使鉆頭只呈現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)效果。與中心齒周向相位成90°角。前刀面的方向都為逆時(shí)針?lè)较?。周邊齒的最外沿與工件內(nèi)壁相接觸，不僅提高了工件壁的加工精度，同時(shí)也起到了支撐作用，能夠有效減緩高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的橫向振動(dòng)。

導(dǎo)向條區(qū)域：導(dǎo)向條采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與中心齒在同一徑向線上，與周邊齒周向相位成90°。與周邊齒一起承擔(dān)著減緩高速鉆削帶來(lái)的橫向振動(dòng)的作用。

這樣，鉆頭在高速運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，四個(gè)切削刃關(guān)于中心對(duì)稱，受到的切削力偶不會(huì)對(duì)鉆頭的偏移產(chǎn)生影響，切削力動(dòng)平衡。在振動(dòng)方面，周邊齒和導(dǎo)向條與工件內(nèi)部接觸，能有效抵抗高速帶來(lái)的橫向振動(dòng)。

1.2 流道設(shè)計(jì)

與經(jīng)典深孔鉆的不同之處是在高速鉆削深孔鉆的外壁開(kāi)一條沖擊流道，其形狀為梯形，通過(guò)仿真得知不僅不影響鉆體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，而且能提高流體的沖擊速度。沖擊流道的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

切削液從沖擊流道下端開(kāi)始沿著梯形槽流進(jìn)，隨著梯形槽空間逐漸減小，流體靜壓力快速轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓力，促使流體流速加快，達(dá)到噴射效果，直接作用于整個(gè)切削區(qū)域。此后切削液折線反彈進(jìn)入喉部。這樣能夠使切削液流速加快進(jìn)入內(nèi)孔，提高排屑率，并冷卻切削區(qū)域。

現(xiàn)有深孔鉆流道的數(shù)值仿真研究文獻(xiàn)對(duì)深孔鉆內(nèi)部復(fù)雜情況研究較少[6]。通過(guò) Fluent軟件對(duì)深孔鉆內(nèi)流道的仿真，認(rèn)真分析切削液在深孔內(nèi)部壓力損失情況。設(shè)計(jì)出沖擊流道，改善鉆頭喉部漩渦帶來(lái)的動(dòng)能損耗，有利于實(shí)現(xiàn)高效排屑。除了對(duì)沖擊流道的大膽提出，還在中心齒區(qū)域和底部排屑流道交匯于處結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，進(jìn)行了中心齒區(qū)域的流道設(shè)計(jì)，如圖4所示。此通道呈現(xiàn)扇形，增大了流體空間，有利于切削液流入中心齒喉部，把切屑?jí)喝氪怪钡膬?nèi)孔排屑通道。

如圖5所示，底部流道呈中心對(duì)稱形狀，中心齒排屑流道自下而上空間呈比例放大，增大了容屑體積，有利于更好的排屑。周邊齒排屑流道角度上揚(yáng)20°，根據(jù)切削液沖擊切屑反作用形成的折線運(yùn)動(dòng)軌跡而設(shè)計(jì)的流道。兩個(gè)周邊齒排屑流道流速較快，中心齒排屑流道流體是漫流而入，流速相對(duì)較慢，而沖擊流道反作用流入排屑流道，流速較快。與中心齒排屑流道流速形成負(fù)壓，形成吸附作用，促使中心流道加速排屑。

2 流體特性分析

在深孔鉆削過(guò)程中，不能直接觀察到切削液在深孔鉆內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況，只能通過(guò)觀察排屑是否順暢和通過(guò)切削液油壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)流量[7]。而流體機(jī)械作為一門新興學(xué)科，能夠闡述流體在外界作用力下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體的運(yùn)動(dòng)情況[8]。ANSYS Fluent軟件提供了很多解決湍流問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，可以比較準(zhǔn)確地模擬流體的運(yùn)動(dòng)情況。因此，運(yùn)用Fluent進(jìn)行模擬仿真，可以間接觀察流體在深孔鉆內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況[9]。

2.1 三維模型建立

高速鉆削深孔鉆流體結(jié)構(gòu)分為沖擊流道、中心齒流道、喉部、排屑通道，如圖6所示。

沖擊流道為深孔鉆外壁開(kāi)的一個(gè)梯型槽，切削液由此進(jìn)入。中心齒流道是切削液進(jìn)入中心切削區(qū)域，然后自下而上垂直進(jìn)入內(nèi)孔排屑通道。排屑通道是喉部交匯成的圓柱排屑區(qū)域。喉部開(kāi)口呈扇形，下半部呈錐棒狀，液壓油通過(guò)供油通道沖刷切削區(qū)域后160°返回至喉部。

本文的切削液為46#液壓油，分析采用Fluent模塊，模擬出此深孔鉆在2.5 MPa流體壓力下各部位的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出全壓損失對(duì)排屑效果的影響，從而確定理想的排屑條件。

高速鉆削深孔鉆三維計(jì)算模型的建立以實(shí)際尺寸為依據(jù)。如圖7所示是用CATIA軟件建立的高速鉆削深孔鉆與工件作布爾運(yùn)算得到的三維計(jì)算模型和用workbench中meshing劃分的網(wǎng)格圖，采用四面體網(wǎng)格，劃分了179 768個(gè)網(wǎng)格單元，46 745個(gè)節(jié)點(diǎn)。

高速鉆削深孔鉆內(nèi)部流場(chǎng)屬于高湍流場(chǎng)，采用RNGK數(shù)學(xué)模型，更符合流道內(nèi)部高湍流動(dòng)的實(shí)際情況。雷諾數(shù)為Re=28 982屬于湍流運(yùn)動(dòng)。深孔鉆內(nèi)部流體進(jìn)行強(qiáng)旋流動(dòng)，壓力的離散項(xiàng)采用中心差分格式法，動(dòng)量方程采用三階精度QUICQ格式進(jìn)行離散，速度與壓力耦合采用乘方格式算法進(jìn)行處理。進(jìn)口用質(zhì)量流量入口Mass Flow Inlet，每小時(shí)提供12 m3液壓油。出口邊界類型選擇outflow自然流場(chǎng)出口。邊界條件包括入口壓力邊界(2.5 MPa)，移動(dòng)固壁邊界繞Y軸31.4 rad/min 等。湍流強(qiáng)度I=0.044，耗散率為923。

2.2 流體壓力分析

如圖8所示，高速鉆削深孔鉆的切削液在梯形槽入口處緩沖了壓力，不會(huì)出現(xiàn)壓力急劇下降的情況。整個(gè)過(guò)程中，切削液靜壓力由3 MPa上升到3.9 MPa，再減小到2.6 MPa，直到流至切削區(qū)域壓力再次升高到3.9 MPa。靜壓力能夠持續(xù)地給切削液帶來(lái)動(dòng)能，保證順暢排屑。供油通道位置流體靜壓為3.7 MPa、動(dòng)壓為0.619 MPa，計(jì)算出切削液全壓為4.33 MPa。同理計(jì)算出排屑通道出口的全壓為3.85 MPa。高速鉆削深孔鉆全壓損失在0.48 MPa，根據(jù)流體基礎(chǔ)理論可知，水頭損失公式為h=ξv2/2g，計(jì)算出鉆頭的局部阻力系數(shù)ξ的值為2。由此可知增加梯形進(jìn)油槽能使切削液保持較大動(dòng)能，有利于高效排屑。

2.3 流體流速分析

如圖9所示，高速鉆削深孔鉆結(jié)構(gòu)上的改變帶來(lái)了新的突破。流體整體在梯形槽出口，流速達(dá)到了44.6 m/s。在切削區(qū)域，流速逐步降低，又迅速升高到30 m/s。流體方向呈現(xiàn)折返軌跡，方向單一，沒(méi)有出現(xiàn)流體亂流。有利于對(duì)切屑的排出。切削液流進(jìn)內(nèi)孔排屑通道處，由于四個(gè)流道的回合，流速突然減小，壓力增大。過(guò)20 mm后，壓力釋放，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度提升至35 m/s，有利于排屑。

新的結(jié)構(gòu)促使流體壓力得到了釋放，提供了持續(xù)的動(dòng)能。鉆頭內(nèi)的速度提升明顯。避免了流體在喉部產(chǎn)生漩渦而損耗動(dòng)能。新結(jié)構(gòu)給流體在高效排屑方面帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。

2.4 流體運(yùn)動(dòng)軌跡分析

通過(guò)流體的軌跡圖10可以看出，切削液在高速鉆削深孔鉆內(nèi)部，通過(guò)喉部的過(guò)程中順利折返，切削液作用于切削區(qū)域并反彈至排屑通道內(nèi)，流體流動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)了160°。在中心齒區(qū)域流線也比較順暢，自下而上垂直地進(jìn)入排屑通道，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在深孔鉆內(nèi)部空間有限的前提限制下，以提高排屑效率、保證平穩(wěn)鉆削為入手點(diǎn)，改變切削刃的位置和排屑流道形狀和空間位置，設(shè)計(jì)出了高速鉆削深孔鉆頭。采用四段對(duì)稱式切削刃結(jié)構(gòu)來(lái)保證高速鉆削的平穩(wěn)進(jìn)行，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出沖擊流道，并且優(yōu)化排屑流道，使切屑能高效排出。此外本文對(duì)高速鉆削深孔鉆在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排屑流道優(yōu)化方面，通過(guò)ANSYS中的Fluent進(jìn)行分析，為高速鉆削深孔鉆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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Design and research on high speed drilling deep hole drill

GAO Weijia, SHEN Xingquan, HUANG Xiaobin, LEI Shao

(Shanxi Deep Hole Cutting Research Center of Engineering Technology, North University of China, Taiyuan 030051, CHN)

High-speed drilling puts forward higher requirements for deep hole drill, according to deep processing technology, high-speed cutting technology and fluid mechanical knowledge, a deep hole drilling was designed in this paper, which can maintain stable drilling in high-speed movement and make efficient chip removal. And ANSYS Fluent software was used to analyze its chip channel, verify the chip evacuation of high-speed drilling deep hole drill, which provides a new way for the design and research of the new deep hole drilling.

high-speed drilling; deep hole drill; ANSYS Fluent

TG713

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.007

高偉佳,女，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樯羁准庸ぜ夹g(shù)。

(編輯 汪 藝)

2016-07-01)

160912