二、负压排、断屑原理分析

1. 液流横截面为圆形


2. 液流截面为非圆截面


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：








Po + V2o = Pa + V2         g 2g g 2g

(1)























式中	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








V1= Q   A0

(2)









V2= Q   A

(3)

式中　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








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

(4)


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








Q= pdd3 (P-Pa)   12µx

(5)

式中　µ——流体的粘度
x——缝隙长度
将式(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















Q2=	pd2(d1-d2)3	(P2-P1)
	96µl

得








P1=P2- 96µl Q2   pd2(d1-d2)3

(7)


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















P1=P0+	128µl	Q
	pd43

得








P1=P0+ 128µl Q   pd43

(8)








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








F=(P1-P0)l1r1h

(9)


切屑能承受的极限拉力F1为








F1=dr1f

(10)

式中　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








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

(11)








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。
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








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

三、小　结