二、負壓排、斷屑原理分析

1. 液流橫截面為圓形


2. 液流截面為非圓截面


圖1為一帶負壓深孔加工系統(tǒng)(臥式狀態(tài))示意圖，加工時一路油(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，通過圖示裝置產(chǎn)生負壓效應(yīng)，從而實現(xiàn)抽吸切屑。
首先在加工系統(tǒng)后端部分，在不考慮流過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：








Po + V2o = Pa + V2         g 2g g 2g

(1)























式中	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，除特殊說明外，均為絕對壓力，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








V1= Q   A0

(2)









V2= Q   A

(3)

式中　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








P0=Pa rQ2 [( 24 )-( cosf )2]       2p2 D dd

(4)


當(dāng)考慮液體流過縫隙時的沿程壓力損失時，則流量可表示為








Q= pdd3 (P-Pa)   12µx

(5)

式中　µ——流體的粘度
x——縫隙長度
將式(5)代入式(4)得








P0=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很容易形成負壓，即在刀桿內(nèi)孔中很易產(chǎn)生負壓。
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到達刀頭即切削區(qū)時壓力降為P₂，則由流量式















Q2=	pd2(d1-d2)3	(P2-P1)
	96µl

得








P1=P2- 96µl Q2   pd2(d1-d2)3

(7)


在鉆削過程中，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。
又由管中流動式















P1=P0+	128µl	Q
	pd43

得








P1=P0+ 128µl Q   pd43

(8)








圖2　負壓斷屑示意圖


如果僅從排屑的角度來分析，可以由(7)、(8)兩式得知，有了負壓抽吸裝置后，在同樣的排屑能力下，前輸油部分要求壓力可明顯降低。同時由我們的《深孔加工的負壓外排屑探討》可知，即使在這種情況下，排屑效果也會比原來的情況要好。如果還維持原來的前輸油供油壓力，則排屑能力會大大提高，不僅如此，同時由于在切削刃處，切屑的兩面形成一定壓差，如圖2所示，假設(shè)忽略負壓效應(yīng)沿刀桿管的沿程損失(實際上相當(dāng)于管內(nèi)空氣的沿程壓力損失)，那么切屑會在P₁、P₀作用下，很容易被拉斷，此時的拉力F為








F=(P1-P0)l1r1h

(9)


切屑能承受的極限拉力F1為








F1=dr1f

(10)

式中　l₁——切屑長度
r₁——切屑寬度
h——切屑承壓面占切屑總面積的比例
d——切屑的抗拉強度
f——加工時的每轉(zhuǎn)進給量
顯然當(dāng)F＞F₁時，切屑將被拉斷，由此可見切削系統(tǒng)中增加負壓抽吸裝置后，不僅對排屑能起到非常明顯的作用，而且對斷屑也會有很大幫助。所以，在設(shè)計時若要達到此目的，可以由(6)～(10)式進行理論計算。
此外，由式(6)、(7)、(8)可得








P2=( 96l + 128L )µQ2+Pa+ rdd3 [( 2 )4-( cosf )2](P-Pa)           pd2(d1-d2)3 pd43 24µxp D dd

(11)








圖3　另一帶種負壓深孔加工系統(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，前面無法安裝輸油器，則傳統(tǒng)上認為不能采用上述系統(tǒng)加工，筆者認為此時可將工件浸入潤滑液中(甚至不用前潤滑液輸入，就直接進風(fēng)，進行空氣冷卻)，僅借助于負壓裝置P來使前輸入油口吸入潤滑液，完成加工，從而使此種加工系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴大，故稱為強力負壓孔加工系統(tǒng)，設(shè)計時，可借助式(11)進行有關(guān)計算。
圖3為另一種帶負壓深孔加工系統(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，可以推出對應(yīng)于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式








P0=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——分別為進油口即刀桿內(nèi)孔周長和面積
S₁，A₁——分別為出屑口即刀桿V型槽周長和面積