孔加工中负压排屑、断屑的分析

　　在机械加工中，孔加工属于封闭式加工，加工时刀具被工件包围，切削液难以达到切削区，加之切屑不易排除等原因，使孔的加工较为困难，尤其是加工深径比较大的孔时，加工难度更大。七十年代由日本冶金株式会社首先推出的DF系统深孔加工技术是一种很好的孔加工方法，并于八十年代引入我国。

　　随着多种设备的小型化，机械零件上的小直径深孔不断增多，并且加工精度也不断提高，从而使DF系统深孔加工技术日益显示出其优越性。国内在九十年代对DF系统逐步引起重视，但对其多进行的是实验研究，理论分析尚不完善。此外，外排屑枪钻深孔加工系统还不能完全被别的加工方法所取代，同样可以采用负压原理来提高它的加工效率和加工质量，同时也可以把这种方法扩展到其它加工系统中。在孔加工系统中增加负压装置后，可以明显提高系统的排屑能力，同时断屑情况也有所好转。

图1　一种带负压深孔加工系统

　　1、液流横截面为圆形

　　图1为一带负压深孔加工系统(卧式状态)示意图，加工时一路油(或切削液P2，Q2)从前端输入，另一路油(或切削液P，Q)从后端输入，通过图示装置产生负压效应，从而实现抽吸切屑。

　　首先在加工系统后端部分，在不考虑流过缝隙的局部和沿程压力损失情况下，卧式条件下列出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为切削液的比密)
　　g—— 重力加速度
　　Vo，V—— 1-1，2-2处液体流速
　　Po，Pa— 1-1，2-2处压力，除特殊说明外，均为绝对压力，因2-2截面直接接回油箱，故Pa为环境大气压力

　　由流量公式Q＝VA及连续性方程A1V1＝A2V2可得

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

　　当考虑液体流过缝隙时的沿程压力损失时，则流量可表示为

　　µ——流体的粘度
　　x——缝隙长度
　　将式(5)代入式(4)得

　　由式(6)可以看出，因P≥Pa，d≤D，所以P0很容易形成负压，即在刀杆内孔中很易产生负压。

　　设在加工系统中的前输油部分压力为P2，流量为Q2，则对切屑就很易形成前拉(吸)后推的作用，从而使切屑方便、快捷地排除。

　　前供油压力P2到达刀头即切削区时压力降为P2，则由流量式

　　得

　　在钻削过程中，如果待加工孔径d12确定，不论采用什么样的内排屑钻削方式加工，d2不会有太大差异，故为了使切屑能在此切削液压力作用下顺利地从刀杆内孔d3中排出，需要较大的P2才能完成。

　　又由管中流动式

图2　负压断屑示意图

　　如果仅从排屑的角度来分析，可以由(7)、(8)两式得知，有了负压抽吸装置后，在同样的排屑能力下，前输油部分要求压力可明显降低。同时由我们的《深孔加工的负压外排屑探讨》可知，即使在这种情况下，排屑效果也会比原来的情况要好。如果还维持原来的前输油供油压力，则排屑能力会大大提高，不仅如此，同时由于在切削刃处，切屑的两面形成一定压差，如图2所示，假设忽略负压效应沿刀杆管的沿程损失(实际上相当于管内空气的沿程压力损失)，那么切屑会在P1、P0作用下，很容易被拉断，此时的拉力F为

　　切屑能承受的极限拉力F1为

　　l1——切屑长度
　　r1——切屑宽度
　　h——切屑承压面占切屑总面积的比例
　　d——切屑的抗拉强度
　　f——加工时的每转进给量

　　显然当F＞F1时，切屑将被拉断，由此可见切削系统中增加负压抽吸装置后，不仅对排屑能起到非常明显的作用，而且对断屑也会有很大帮助。所以，在设计时若要达到此目的，可以由(6)～(10)式进行理论计算。

　　此外，由式(6)、(7)、(8)可得

图3　另一带种负压深孔加工系统

　　由此式可以看出，如果P2等于环境压力，即不加前输油器，这在一些情况下是可能的，因有些零件结构不允许，前面无法安装输油器，则传统上认为不能采用上述系统加工，笔者认为此时可将工件浸入润滑液中(甚至不用前润滑液输入，就直接进风，进行空气冷却)，仅借助于负压装置P来使前输入油口吸入润滑液，完成加工，从而使此种加工系统应用范围扩大，故称为强力负压孔加工系统，设计时，可借助式(11)进行有关计算。

　　2、液流截面为非圆截面

　　图3为另一种带负压深孔加工系统示意图，所用刀具为枪钻，后面输入切削液，前面为负压输出口。切削液流入通道和切屑流出通道均为非圆横截面，借助于非圆截面流量公式，可以推出对应于前面式(6)、(7)、(8)的如下三式

　　S，A——分别为进油口即刀杆内孔周长和面积

　　S1，A1——分别为出屑口即刀杆V型槽周长和面积