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        摘 要：負(fù)壓抽屑裝置是保障深孔加工排屑順暢的有力手段。本文提出建立充分考慮流量、流速、間隙寬度、噴射夾角等影響因素的負(fù)壓抽屑數(shù)學(xué)模型，分析這些因素對抽屑效果的影響，并利用 FLUENT 軟件對有無負(fù)壓抽屑裝置情況下分別進(jìn)行仿真對比，量化研究其抽屑效果。結(jié)果表明：射流噴嘴的間隙和噴射角是影響負(fù)壓抽屑效果的關(guān)鍵因素；無負(fù)壓裝置時，切屑在排屑通道中只受到推力，并且隨位移逐漸減弱；當(dāng)推力減小到小于阻力時，切屑容易在排屑口尾部滯留，發(fā)生堵屑現(xiàn)象；加載負(fù)壓抽屑裝置時，在排屑通道尾部形成壓力差，產(chǎn)生 3 倍于排屑通道推力的吸力，使切屑在通道尾部受到一個強(qiáng)力的加速度，克服切屑阻力，排屑效果提高了200%。
 
       關(guān)鍵詞：深孔加工 負(fù)壓抽屑 FLUENT 軟件 仿真分析
   
       引言
 
       近年來，隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，深孔加工技術(shù)加工效率及精度的提高成為制約整個制造裝配技術(shù)的發(fā)展瓶頸。排屑不暢是影響深孔加工技術(shù)發(fā)展的主要問題之一，特別是在高速加工小深孔時，極易發(fā)生堵屑現(xiàn)象，造成廢品率較高[1-2]。如何保證深孔加工排屑順暢，成為各大科研院所及院校關(guān)注的熱點。
 
       目前，解決排屑困難的常規(guī)途徑有三種：拓展排屑空間，控制切屑形態(tài)和增強(qiáng)排屑動力。負(fù)壓抽屑技術(shù)就是采用第三種排屑途徑的一種方式。它增加其抽吸力，實現(xiàn)主動排屑[3]。
 
       1 、負(fù)壓抽屑工作原理
  
  

      
                                 圖 1 負(fù)壓抽屑裝置示意圖
   
       如圖 1 所示，高壓切削液經(jīng)節(jié)流閥分為兩支液流：前一支液流經(jīng)排屑通道流向切削刃，推切屑進(jìn)入出屑口；后一支液流穿過負(fù)壓通道，形成環(huán)形射流，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸效應(yīng)，從而增加鉆桿內(nèi)部前后壓力差，即通過產(chǎn)生的負(fù)壓來增強(qiáng)系統(tǒng)的排屑動力[4]。實踐證明，它在排屑過程中起到了一定的作用。
 
       2、 負(fù)壓抽屑裝置數(shù)學(xué)模型
   
       圖 2 為負(fù)壓抽屑匯流模型，沿程流動過程中存在流體匯流的情況：截面 1-1 為排屑通道，通道直徑為 D1，流經(jīng)其流量為 Q1，流速為 v1；截面 2-2 為負(fù)壓通道，射流間隙為δ，流經(jīng)其流量為 Q2，流速為 v2；截面 0—0 為匯流后的總通道，通道直徑為 D2，流經(jīng)其流量為 Q0，流速為 v0[5-7]。
  
     

                     圖 2 負(fù)壓抽屑匯流模型
     
      如圖 2 所示，對于支流與總流，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有

      Q0=Q1+Q2 （1）
 
      沿 流 動 方 向 分 別 寫 出 過 流 截 面 1-1 與 0-0、2-2 與0-0 之間總流的伯努利方程：
  
      

       
    
       式中，θ 為射流噴嘴的噴射角。
   
       以上所建數(shù)學(xué)模型的假設(shè)條件為：①排屑通道與負(fù)壓通道中切削液的溫度相同；②切削液無粘性作用；③切削液無雜質(zhì)且不可壓縮；④排屑通道與負(fù)壓通道中的切削液均為二維無旋流動。
 
       3 、負(fù)壓抽屑裝置仿真分析
   
      （1）建立模型。為了分析比較負(fù)壓通道中流量變化對負(fù)壓的影響，將圖 2 所示的其他參數(shù)均設(shè)置成定值，所以令 D1=17mm，δ=0.45mm，θ=30°，D2=D1+2δcosθ。利用前處理器 GAMBIT 軟件進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格并設(shè)置 邊 界 條 件 。 設(shè) 置 入 口 邊 界 條 件 為 速 度 入 口 邊 界（VELOCITY_INLET），出口邊界為自然流出（OUTFLOW），其他邊界均為壁面邊界（WALL），最后將文件保存成.msh格式。所建流場的二維仿真模型及其局部放大圖如圖 3所示。
  

     
 
        圖 3 流場二維仿真模型
   
     （2）求解器的設(shè)置。將 GAMBIT 生成的.msh 網(wǎng)格文件導(dǎo)入 FLUENT 中，首先檢查網(wǎng)格質(zhì)量，如果沒問題，便可對模型進(jìn)行仿真。
 
      所設(shè)流體材料為硫化切削液 （Sulfur-Liquid），其密度為 2000kg/m3，粘度為 1.72×10-5kg/m·s；在邊界條件的設(shè)置中，令排屑通道流量為 92L/min，分析負(fù)壓通道中流量為46L/min，即排屑通道進(jìn)油口速度為 6.76m/s，射流口速度為 31.9m/s；收斂準(zhǔn)則選擇差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計算差值小于 0.0001 為準(zhǔn)。
 
     （3）仿真結(jié)果。經(jīng)仿真運算，總壓力云圖、速度云圖及負(fù)壓區(qū)徑向截面全壓力 XY 散點圖分別如圖 4（a）、（b）所示。
  
    

       
  
                                  圖 4 仿真結(jié)果圖
 
      4 、無負(fù)壓抽屑裝置的仿真分析
 
     （1） 建立模型。建立無負(fù)壓抽屑裝置的三維模型，即僅 有 排 屑 通 道 ，D1=17mm。 設(shè) 流 體 材 料 為 硫 化 切 削 液（Sulfur-Liquid）， 其 密 度 為 2000kg/m3， 粘 度 為 1.72 ×10-5kg/m·s；在邊界條 件的 設(shè)置 中， 令 排屑 通道 流量 為92L/min，收斂準(zhǔn)則選擇差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計算差值小于 0.0001 為準(zhǔn)。
   
    （2）仿真結(jié)果。經(jīng)過仿真運算，總壓力云圖如圖 5 所示。
  
  

     
  
                              圖 5 仿真結(jié)果圖
   
     5 、結(jié)論
   
     對比圖 4、圖 5 可知，無負(fù)壓抽屑裝置中，切屑只受到來自通道入口的推力，壓強(qiáng)為 4.6×104Pa，而負(fù)壓抽屑裝置能產(chǎn)生一個負(fù)壓。當(dāng)負(fù)壓通道中流量為 46L/min 時，所產(chǎn)生的負(fù)壓值為 1.5×105Pa，是推力的 3 倍。負(fù)壓所形成的抽吸力直接作用于切屑上，加上來自通道入口的推力，使得切屑隨切削液加速排出，更有利于排屑順暢。