孔加工中負(fù)壓排屑、斷屑的分析

　　在機(jī)械加工中，孔加工屬于封閉式加工，加工時(shí)刀具被工件包圍，切削液難以達(dá)到切削區(qū)，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(shí)，加工難度更大。七十年代由日本冶金株式會(huì)社首先推出的DF系統(tǒng)深孔加工技術(shù)是一種很好的孔加工方法，并于八十年代引入我國(guó)。

　　隨著多種設(shè)備的小型化，機(jī)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(tǒng)深孔加工技術(shù)日益顯示出其優(yōu)越性。國(guó)內(nèi)在九十年代對(duì)DF系統(tǒng)逐步引起重視，但對(duì)其多進(jìn)行的是實(shí)驗(yàn)研究，理論分析尚不完善。此外，外排屑槍鉆深孔加工系統(tǒng)還不能完全被別的加工方法所取代，同樣可以采用負(fù)壓原理來(lái)提高它的加工效率和加工質(zhì)量，同時(shí)也可以把這種方法擴(kuò)展到其它加工系統(tǒng)中。在孔加工系統(tǒng)中增加負(fù)壓裝置后，可以明顯提高系統(tǒng)的排屑能力，同時(shí)斷屑情況也有所好轉(zhuǎn)。

圖1　一種帶負(fù)壓深孔加工系統(tǒng)

　　1、液流橫截面為圓形

　　圖1為一帶負(fù)壓深孔加工系統(tǒng)(臥式狀態(tài))示意圖，加工時(shí)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(guò)圖示裝置產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)抽吸切屑。

　　首先在加工系統(tǒng)后端部分，在不考慮流過(guò)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：

　　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(shuō)明外，均為絕對(duì)壓力，因2-2截面直接接回油箱，故Pa為環(huán)境大氣壓力

　　由流量公式Q＝VA及連續(xù)性方程A1V1＝A2V2可得

　　A0——1-1截面液流面積，A0＝pdd
　　A  ——2-2截面液流面積，A=pD2/4
　　將式(2)，(3)代入式(1)，注意到V0＝V1cosf，并整理可得

　　當(dāng)考慮液體流過(guò)縫隙時(shí)的沿程壓力損失時(shí)，則流量可表示為

　　µ——流體的粘度
　　x——縫隙長(zhǎng)度
　　將式(5)代入式(4)得

　　由式(6)可以看出，因P≥Pa，d≤D，所以P0很容易形成負(fù)壓，即在刀桿內(nèi)孔中很易產(chǎn)生負(fù)壓。

　　設(shè)在加工系統(tǒng)中的前輸油部分壓力為P2，流量為Q2，則對(duì)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(dá)刀頭即切削區(qū)時(shí)壓力降為P2，則由流量式

　　得

　　在鉆削過(guò)程中，如果待加工孔徑d12確定，不論采用什么樣的內(nèi)排屑鉆削方式加工，d2不會(huì)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(nèi)孔d3中排出，需要較大的P2才能完成。

　　又由管中流動(dòng)式

圖2　負(fù)壓斷屑示意圖

　　如果僅從排屑的角度來(lái)分析，可以由(7)、(8)兩式得知，有了負(fù)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(shí)由我們的《深孔加工的負(fù)壓外排屑探討》可知，即使在這種情況下，排屑效果也會(huì)比原來(lái)的情況要好。如果還維持原來(lái)的前輸油供油壓力，則排屑能力會(huì)大大提高，不僅如此，同時(shí)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(shè)忽略負(fù)壓效應(yīng)沿刀桿管的沿程損失(實(shí)際上相當(dāng)于管內(nèi)空氣的沿程壓力損失)，那么切屑會(huì)在P1、P0作用下，很容易被拉斷，此時(shí)的拉力F為

　　切屑能承受的極限拉力F1為

　　l1——切屑長(zhǎng)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(qiáng)度
　　f——加工時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

　　顯然當(dāng)F＞F1時(shí)，切屑將被拉斷，由此可見(jiàn)切削系統(tǒng)中增加負(fù)壓抽吸裝置后，不僅對(duì)排屑能起到非常明顯的作用，而且對(duì)斷屑也會(huì)有很大幫助。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)若要達(dá)到此目的，可以由(6)～(10)式進(jìn)行理論計(jì)算。

　　此外，由式(6)、(7)、(8)可得

圖3　另一帶種負(fù)壓深孔加工系統(tǒng)

　　由此式可以看出，如果P2等于環(huán)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(jié)構(gòu)不允許，前面無(wú)法安裝輸油器，則傳統(tǒng)上認(rèn)為不能采用上述系統(tǒng)加工，筆者認(rèn)為此時(shí)可將工件浸入潤(rùn)滑液中(甚至不用前潤(rùn)滑液輸入，就直接進(jìn)風(fēng)，進(jìn)行空氣冷卻)，僅借助于負(fù)壓裝置P來(lái)使前輸入油口吸入潤(rùn)滑液，完成加工，從而使此種加工系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴(kuò)大，故稱為強(qiáng)力負(fù)壓孔加工系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)，可借助式(11)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。

　　2、液流截面為非圓截面

　　圖3為另一種帶負(fù)壓深孔加工系統(tǒng)示意圖，所用刀具為槍鉆，后面輸入切削液，前面為負(fù)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(duì)應(yīng)于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式

　　S，A——分別為進(jìn)油口即刀桿內(nèi)孔周長(zhǎng)和面積

　　S1，A1——分別為出屑口即刀桿V型槽周長(zhǎng)和面積