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        摘 要：負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壓抽屑數學模型，分析這些因素對抽屑效果的影響，并利用 FLUENT 軟件對有無負壓抽屑裝置情況下分別進行仿真對比，量化研究其抽屑效果。結果表明：射流噴嘴的間隙和噴射角是影響負壓抽屑效果的關鍵因素；無負壓裝置時，切屑在排屑通道中只受到推力，并且隨位移逐漸減弱；當推力減小到小于阻力時，切屑容易在排屑口尾部滯留，發生堵屑現象；加載負壓抽屑裝置時，在排屑通道尾部形成壓力差，產生 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力的加速度，克服切屑阻力，排屑效果提高了200%。
 
       關鍵詞：深孔加工 負壓抽屑 FLUENT 軟件 仿真分析
   
       引言
 
       近年來，隨著制造業的迅猛發展，深孔加工技術加工效率及精度的提高成為制約整個制造裝配技術的發展瓶頸。排屑不暢是影響深孔加工技術發展的主要問題之一，特別是在高速加工小深孔時，極易發生堵屑現象，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注的熱點。
 
       目前，解決排屑困難的常規途徑有三種：拓展排屑空間，控制切屑形態和增強排屑動力。負壓抽屑技術就是采用第三種排屑途徑的一種方式。它增加其抽吸力，實現主動排屑[3]。
 
       1 、負壓抽屑工作原理
  
  

      
                                 圖 1 負壓抽屑裝置示意圖
   
       如圖 1 所示，高壓切削液經節流閥分為兩支液流：前一支液流經排屑通道流向切削刃，推切屑進入出屑口；后一支液流穿過負壓通道，形成環形射流，產生負壓抽吸效應，從而增加鉆桿內部前后壓力差，即通過產生的負壓來增強系統的排屑動力[4]。實踐證明，它在排屑過程中起到了一定的作用。
 
       2、 負壓抽屑裝置數學模型
   
       圖 2 為負壓抽屑匯流模型，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，流經其流量為 Q1，流速為 v1；截面 2-2 為負壓通道，射流間隙為δ，流經其流量為 Q2，流速為 v2；截面 0—0 為匯流后的總通道，通道直徑為 D2，流經其流量為 Q0，流速為 v0[5-7]。
  
     

                     圖 2 負壓抽屑匯流模型
     
      如圖 2 所示，對于支流與總流，根據質量守恒定律，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。
   
       以上所建數學模型的假設條件為：①排屑通道與負壓通道中切削液的溫度相同；②切削液無粘性作用；③切削液無雜質且不可壓縮；④排屑通道與負壓通道中的切削液均為二維無旋流動。
 
       3 、負壓抽屑裝置仿真分析
   
      （1）建立模型。為了分析比較負壓通道中流量變化對負壓的影響，將圖 2 所示的其他參數均設置成定值，所以令 D1=17mm，δ=0.45mm，θ=30°，D2=D1+2δcosθ。利用前處理器 GAMBIT 軟件進行建模、劃分網格并設置 邊 界 條 件 。 設 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）求解器的設置。將 GAMBIT 生成的.msh 網格文件導入 FLUENT 中，首先檢查網格質量，如果沒問題，便可對模型進行仿真。
 
      所設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；在邊界條件的設置中，令排屑通道流量為 92L/min，分析負壓通道中流量為46L/min，即排屑通道進油口速度為 6.76m/s，射流口速度為 31.9m/s；收斂準則選擇差分方程表示的連續方程兩邊的計算差值小于 0.0001 為準。
 
     （3）仿真結果。經仿真運算，總壓力云圖、速度云圖及負壓區徑向截面全壓力 XY 散點圖分別如圖 4（a）、（b）所示。
  
    

       
  
                                  圖 4 仿真結果圖
 
      4 、無負壓抽屑裝置的仿真分析
 
     （1） 建立模型。建立無負壓抽屑裝置的三維模型，即僅 有 排 屑 通 道 ，D1=17mm。 設 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 設置 中， 令 排屑 通道 流量 為92L/min，收斂準則選擇差分方程表示的連續方程兩邊的計算差值小于 0.0001 為準。
   
    （2）仿真結果。經過仿真運算，總壓力云圖如圖 5 所示。
  
  

     
  
                              圖 5 仿真結果圖
   
     5 、結論
   
     對比圖 4、圖 5 可知，無負壓抽屑裝置中，切屑只受到來自通道入口的推力，壓強為 4.6×104Pa，而負壓抽屑裝置能產生一個負壓。當負壓通道中流量為 46L/min 時，所產生的負壓值為 1.5×105Pa，是推力的 3 倍。負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。