准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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准干式深孔
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仿真
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准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真
摘要：在现代机械制造业中深孔加工有着广泛的应用，但以前的深孔加工都采用大量的切削液或者切削油来达到润滑、冷却、排屑的目的，由于现在人们对环境的要求越来越高，以往的深孔加工方式的弊端也逐渐暴露了出来，对环境污染大，工人工作环境恶劣，对资源的浪费也很大。鉴于这种现状，准干式深孔加工便应运而生，其相对于以往的深孔加工方式有着明显的优势，相对于干式深孔加工又便于实现。
本文以DF系统为研究对象，就负压抽屑这一块进行研究，力争能找到一种合适的能增加负压效果的装置。并用流体仿真软件fluent进行仿真，模拟改进后的负压效果，并与之前作比对。
关键词：准干式，DF系统，负压抽屑，仿真
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008 is a of HD an of to in of of 6 010 or , in is a of is t. of GA s of As a in is a e to to to nt HD It is in of as in K of of , to is by to a or 3. On of in by 4 it is He by E be is 5 of 6 of 7 is 8 E to is E 9 in to of 2008 F s s of is As a is a to of a to in 72008, J UK s TR of in of to in of of to be it E is a in on of of of 10 on to s of on 11 a a in is to be to of By 12 on to on of is It is a of 13 14 to to 1522 of in to 23. of HD of s y of to of of b, h of M M* of M f,z, g,z, h,z, x,y in to of z s on to of to of )of 6 010 or , A” (of in an 24 as of an of of in to as 1. A 90mm 2mm 3mm to A GA a of 905mm 5 to of GA a in 8% to in 80mm 25mm 5mm 25 . by to To of HD to a to a is 2 is to a a on a on of be to a h. to a mm of of to of as 2. on on A of is . 2 2008 at of in A=50L=150b h in GA 25 of to Kg/m) 1678 31 o to to ,5,6 to ,8 to 6 010 or , is is to 678 1080 2 90 190 180 190HD 90HD 80HD Z b is h is of P is as 2. To HD to be a a to to HD in HD on to of of A is is an on of to of of 3 of in GA to In to to it to of by a to to a of of (1) is y is of to I is of is M be 123(2) (3) 3 2008 29,63519027,35,335119,3255,37,3111,393,31264721513519,315,311,37,33,314 510 4 833. of in GA to in in to a As be GA to in of at in GA of GA 24 . in in mm Y 6 010 or 24 GA . As as a) in of z=0 in in A to a 2is b. = 90 to of in 4 6 8 1012141618202224 Z, 0 =5 0 35 802 mm 4. HD a) of b) of on of in it be is 5 at s GA GA to a b 4 2008 it is 00 be HD a of HD in a is HD a be by It is is to of to a of in is s at is . 4 6 8 1012141618202 Z, 5. in to 4 6 8 1012141618202224Z, X of 6. to 6 010 or , Z, X 7. 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Z, of 8. to Z, of 9. In a of on on HD to a of is to of is by GA is 5 2008 he to GA mm to be in to HD is . to GA in to GA is to of is to of in as of as we to P/. . An s 2007. 309: p. 192. to 2007. 309: p. 33. of a in 2006. 350(3): p. 2084. J., ugversuch 毕业论文 准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月 机械设计制造及其自动化 准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真 摘要： 在现代机械制造业中深孔加工有着广泛的应用，但以前的深孔加工都采用大量的切削液或者切削油 来达到润滑、冷却、排屑的目的，由于现在人们对环境的要求越来越高，以往的深孔加工方式的弊端也逐渐暴露了出来，对环境污染大，工人工作环境恶劣，对资源的浪费也很大。鉴于这种现状，准干式深孔加工便应运而生，其相对于以往的深孔加工方式有着明显的优势，相对于干式深孔加工又便于实现。 本文以 统为研究对象，就负压抽屑这一块进行研究，力争能找到一种合适的能增加负压效果的装置。并用流体仿真软件 行仿真，模拟改进后的负压效果，并与之前作比对。 关键词： 准干式， 统，负压抽屑，仿真 of in of a of or to of on of of a of of to a to to In F is of on to a to of F 大学 届毕业论文 1. 绪论 . 错误 !未定义书签。 的和意义 . 错误 !未定义书签。 孔加工特点 . 错误 !未定义书签。 内外深孔加工技术发展的动态 . 错误 !未定义书签。 外深孔加工技术发展的动态 . 错误 !未定义书签。 内深孔加工技术发展的动态 . 错误 !未定义书签。 干式深空加工发展状况 . 错误 !未定义书签。 课题的来源及主 要研究的内容 . 错误 !未定义书签。 题的来源 . 错误 !未定义书签。 要研究内容 . 错误 !未定义书签。 课题的创新点 . 错误 !未定义书签。 2 常用的深孔加工系统 . 错误 !未定义书签。 钻系统 . 错误 !未定义书签。 统 . 错误 !未定义书签。 吸钻系统 . 错误 !未定义书签。 F 喷吸钻系统 . 错误 !未定义书签。 深孔加工系统的比较分析 . 错误 !未定义书签。 构流体特性方程推导 . 错误 !未定义书签。 3 利用 统进行仿真研究 . 错误 !未定义书签。 件的介绍 . 错误 !未定义书签。 统的结构参数 . 错误 !未定义书签。 利用 统进行仿真研究 . 错误 !未定义书签。 4 对仿真结果进行对比研究 . 错误 !未定义书签。 内部压力的对比 . 错误 !未定义书签。 速率对比 . 错误 !未定义书签。 湍流动能的对比 . 错误 !未定义书签。 湍流强度的对比 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 5 对抽屑装置改进 . 错误 !未 定义书签。 大学 届毕业论文 构改进 . 错误 !未定义书签。 进前后抽屑效果比对 . 错误 !未定义书签。 论 . 错误 !未定义书签。 6 结论与展望 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 发展与展望 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 毕业论文中英文翻译 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 年 月 采用深孔钻技术测量 石墨的 内部压力 1 摘要 目前，在石墨深层次的内部压力的测量是非常困难的。因此有必要评估一个深孔钻（气动潜孔锤）方法的能力来衡量堆芯石墨内部压力和探讨在现场测量的潜力。气动潜孔锤技术是 一个通过厚度残余应力用于测量半破坏性的方法 。该技术 此前已成功地应用于金属和复合材料。在这个论文中，石墨应力测量方法研究特别是当孔隙度存在显着的体积分数，使用了两种类型的石墨， 滤石墨， 在美国 墨弹性杨氏模量的方向而定 ，因此切断块样品在两个方向。 已知的负载被用于石墨梁样品，气动潜孔锤的方法用来测量应力 /应变通过材料。结果与从 应变片粘贴在样品上获得的应变数据 进行了比较，总体而言，在气动潜孔锤测量应力 /应变和外加应力之间有一个良好的一致性。它表明，深孔钻技术可以测量石墨线性应力分布。 2简介 气冷反应堆的堆芯、 先进气冷反应堆，在英国使用的都是由石墨转的 件制成。这些反应堆芯在使用寿命期间暴露在快中子和热辐射硬化，二氧化碳气体冷却剂，石墨业绩及辐氧化的服务环境。这些影响导致的砖的物理力学性能的转变。相应的对石墨整体退化进行评估，以提供持续的物质安全运行的保证。 一般来说，测试核石墨构件的结构完整性来评价辐照材料性能，从测试得到的是适用于数字或数学模型反应堆的数据。另一方面，相对有限的工作已报告石墨的残余应力 /应变。例如， 究发现，通过利用声发射 （ 当给石墨施加压力时发出声信号。他指出，通过重新加载该组件发现只有超过了以前的最大应力才可以自动曝光，这现象称为 德鲁发现在石墨在压力下发出的声音因为不同类型的材料而有所不同。 向同性和各向异性）多维数据集，克劳斯和 究石墨小弯曲和拉伸应力声波能量发射，他们表明，首先加载的声发射率比稍后加载的高。 明，从受辐照和负载的石墨表现出的声发射 种效果是以前的 大应力检测。他们也比较类似辐照和辐照核石墨套，以便调查残余应力测量技术的可靠性。整体而言，声发射监测不是一个合适的测量石墨内部压力的技术。 压痕试验在石墨上进行了弹性模量的测定，还调查了自身应力和残余应力的影响。 个碳材料的显微硬度测试，以评估杨氏模量和弯曲 对样品 造成的硬度试验载荷位移的实力。 之间的硬度测试数据和使用中的形变关系被定为成正比的应力应变曲线和切线模型残余应变的关系。相比之下于 热氧化 墨的钝压痕方法来模拟石墨砖的局部 应力点。 测量材料内部残余应力的方法很少。一种方法是深孔钻，这是一个通过厚度残余应力测量半侵入性的方法。由 步研究，史密斯和同事进一步提高此项技术。该方法已应用于金属和复合材料。最近，金士顿报道该技术在测量很厚的难以进入到全面的测量位置的元件的残余应力分布时具有通用性。 本文介绍了气动潜孔锤法通过石墨构件厚度测量残余应力的应用。 3命名法 E 杨氏模量 M 弯矩 Y 应变计到中性轴的距离 I 余面积惯性矩 b， h 矩形梁的宽度和深度 P 测量负载 应变 M 遵守矩阵 M* 逆矩阵 M f ,z, g ,z, h ,z 角度和通过厚度的功能 x， y 坐标在平面垂直于参考轴孔 z 通过厚度的位置 基准孔周向应变 基准孔通过厚度应变 泊松比 残余应力在飞机上正常参考孔的轴线 残余应力平行于基准孔轴线 残余应力矢量 4材料与实验 4 1 标本 使用 切碎 矩形标本中提取的平行和垂直轴砖发展方向示意如图 1所示。在 190毫米长，22 毫米深， 23 毫米宽的矩形棒中平行提取的石墨砖平行轴。美国 墨的另一个例子是一个长 190 355长方形。这是取自同一代码块，且垂直砖轴。 图 1. 石墨的 一砖样本提取，尺寸 孔石墨， 48的孔隙率，代表高孔隙率的照射石墨受到审查。矩形梁是从 碳采购的矩形块中提取 180毫米长， 25毫米宽， 35毫米深。 。 4 2 实验 为了评估该气动潜孔锤技术应用的石墨样品，引入四点弯曲钻机采用的样品到已知的应力分布，如图 2 所示。 其中最内层的两辊之间 的区域是一个不断受到弯矩的区域。这使梁的底部表面受表面拉应力和压应力。因此，通过任何样品孔的深度能用于测量每小时通过深度的线性应力分布。 在每个样品测试前，首先将一个直径 米的参考洞加工成的具有参考性的平行洞，如图 2所示。对于每个样本，两个应变片键合上表面两个键合下表面。被测样品的摘要列于表 2。 附加应变片键合两侧的光束测量经过拉紧梁的截面变化。图 3显示了应变片的位置和在 了确定适用的应力梁有必要确定样品的杨模 量。这是通过应用一个已知载荷的矩形标本和读取应变计粘接样品值。荷载适用于采用伺服电动的试验机，所以低弯曲和拉伸强度负荷石墨样品受到限制。 图 2. 装载在四点弯曲试样状态： A=50 毫米， L=150 毫米，每个样品 B 和 对 采用简支梁的弯曲理论，在那里 其中 M 为弯矩， y 是应变计至中性轴的距离， I 是瞬间的惯性面积，为测量应变， 可以表示为： 其中 图 2所示。 气动潜孔锤进行测量的四点弯曲钻机，必须远离伺服电动试验机使用。因此，一个螺丝 钉机制被用于应用负载试验台并对气动潜孔锤进行了测量。 气动潜孔锤方法的四个基本步骤。首先，应变片都粘到了供参考洞入口和出口点样品表面。钻一个孔，通过参考样品和应变片，该洞的直径是利用空气探头测量系统，测量是在沿孔长度和多角度多点抽取。要释放压力的核心，包含参考孔 表 1 典型材料特性 表 2 实验综述 to to Kg/m) 1678 1678 31 12 o ( 1 to 1902 to 1903 1804,5,6 to 1907,8 to 1909 180 图 3 在 寸 前后开孔中孔直径的差异来确定初始应力。附件一介绍了决定测量扭曲强调理论。 对于石墨梁的穿孔过程没有进行。相反，基准孔直径进行测量时，光束被加载和卸载。装载过程中，装载过程中，应变连续监测仪使用数据记录系统。正如将要看到的扭曲后应变计的读数。 轴平行于块，被用于三个步骤和在每个载荷步骤测量的参考以及测量孔的直径装载。类似于在 是的 4 3 结果 对美国 的实验测定值与表 3报告的值进行了比较。值得注意的是，在平行方向的测量值大于拉应力的值，而在垂直方向的测量值小于所报的值。的实验测定值为 2确定度为 表 3测量和报告的 的实验测定值 用于测量孔扭曲的典型结果见图 4。正如所料，如图 4a 所示，在梁上半部分的参考孔 (z= 0 到 米）的拉伸和压缩低一半。一个典型的角孔变形对应的深度为 22毫米，如图 4大应变发生在 = 90，相对应的光束中的最大主应力方向。 图 4. 典型的测量孔扭曲造成的气动潜孔锤测量 a)通过厚度变异株 b）孔变形角度变化 图 5至 7株实验说明了他们从测量基准孔扭曲的测定结果。同时显示在石墨表面的压力测量光束和一般可以看到有很好的应变之间的测量方法的一致性。例如，图 5 说明了在第一个载荷不确定 的品种，这是显而易见的，通过厚度小于100株微观可以测量使用气动潜孔锤的方法。图 6说明了详细的表面应变之间以及通过厚度从 取得样本的气动潜孔锤测量应变分布的比较。该一致性是非常好的。图 7 显示的结果获得了高度多孔 本。通过应变测量的 度明显较杂乱，只有与实测表面应变合理的协议可以得到超过平均间隔为 1也是值得注意的，表面应变如图 7所示株没有通过深度的线性关系。正在做进一步的工作，了解这一点。 空气的探针系统的精度是主要贡献者的测量误差。该系统拥有约 应力 测量中的相应的精度是成正比的杨氏模量。在图 8所示各点误差为 图 9 中 图 5. 在第一加载步的 取的美国 图 6. 比较深钻孔应变和应变计读数，美国 图 7. 比较深钻孔应变和应变计读数， 8. 比较深孔钻孔应力测试和理论，美国 图 9. 气动潜孔锤应力测试， 结束语 在所有实验中通过纵向深度分布线性株，预计与上表面和底部的拉压应力。该 株厚度被证明 ，并强调与外表面应变计配合良好。结果表明，该方法能够衡量在通过增量为 深度拉伸和压缩株。该技术的测量灵敏度相对较低的品种表现出 和 6的结果。为在图 6 所示的相应的应力应变分布如分布图 8所示，并表明小于 1 与测量石墨孔隙的 出应变灵敏度少相比，更加巩固美国 墨。通过深度 1须选择以获得与实测株表面的吻合。通过气动潜孔锤测量获得的厚度应力分布，如图 9所示。石墨类似的 压力测量，与如图 9显示了较大的成绩相比，分散在 墨。 进一步的工作正在开展，以确定该测量技术对温度的敏感性。这是为了评估在反应器中的石墨砖地应力测量的潜力。 5致谢 这项工作进行了作为台湾证券交易所计划 一部分，因此我们根据授予 549465/1感谢 大学 届毕业论文 第 1 页 共 60 页 1. 绪论 的和意义 深孔加工是机械制造技术中的难点之一。据有关资料统计，在机械制造行业中孔加工占全部机械加工的三分之一多，而深孔加工又占到 40%以上。 12由于深孔加工的特殊性从而形成了其经典难题，排屑难、冷却难、润滑难、工具系统刚度低。这些问题长期困扰着深孔加工行业，他们限制了深孔加工的工艺范围，也限制了深孔加工理论及技术向其它领域拓展的能力，使深孔加工成为制造技术门类中成本最昂贵的技术之一。 而深孔钻削加工系统是结合干式切削技术和深孔加工技术的二者的优点而进行深孔钻削的一种新型机加工 方法。深孔由于其超大的长径比，以及加工时的封闭和半封闭状态，决定了其加工过程有如下难点 :（ 1）切削散热难，（ 2）工艺系统刚性差，（ 3）排屑难。而且随着科学技术的进步，产品的更新换代的迅速，新型高强度、高硬度、难加工零件的不断出现，对深孔加工的质量、加工效率和刀具的耐用度都提出了更高要求。而绿色制造也是制造业的必走之路。 大量切削液造成的负面影响更加突出地呈现在人们的面前： 1、 零件的生产成本大幅度提高 随着切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例 也大大增加。据最新调查资料，在零件加工的总成本中，切削液费用约占 16%，而刀具的费用只占成本的 4%。这个统计分析数据不得不引起人们的高度重视，因为在当今日益激烈的市场竞争中，降低产品的生产成本和销售价格，已成为企业生存与发展的重要因素。 2、造成对环境的严重污染 切削液是机械加工工业对自然环境造成污染的根源。如把大量未经处理的切削液排入江河湖海就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境，不利于可持续发展战略的实施。严厉的环保法规迫使诸多机械加工企业不得不花费巨资，对加工过程中产生的 废液进行处理否则将被停产。 3、直接危害车间工人的身体健康 目前生产中广泛使用的水基切削液或多或少都含有对人体有害的化学成分。在 大学 届毕业论文 第 2 页 共 60 页 切削（磨削）过程中，切削液受热挥发，形成烟雾，在车间工作区常弥漫着难闻的异味。车间内潮湿的地面和污浊的空气，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病。人手和切削液直接接触，还会诱发多种皮肤病，直接影响工人的健康。 因此，准干式深孔钻削加工系统的设计是是必要的。并且准干式深孔钻削系统有以下优点：系统加工过程稳定，冷却、润滑、排屑效果良好，可获得较好的刀具耐用度和内孔表面质量，同时 极大地减少了切削液的用量并降低环境污染，是一种较为理想的绿色钻削工艺系。 129 孔加工特点 深孔加工与普通的孔加工相比，具有其自身的一些特点，主要表现在以下几方面： (1)从加工的切削状况看 1)深孔加工处于一种封闭或半封闭的加工状态下，不能直接观察刀具的切削和走刀情况。 2)切屑在深孔内，排屑路径较长，不便于排屑。 3)工艺系统的刚性差。 4)深孔刀具在近似封闭的装状态下工作，热量容易积累，不便于散发，磨损严重。 (2)从深孔加工的运动方式看 1)工件转动，刀具做进给运动。 1)工件不动，刀具 旋转又做进给运动。 3)工件旋转，刀具也做相反方向旋转又做进给运动。 4)工件做旋转运动与进给运动，刀具不动，这种形式采用不多。 本论文仿真实验中采用的是深孔加工中运动方式 (2)。 （ 3)从深孔加工的排屑方式看 1)外排屑式：冷却液由空心钻杆输入，经过切削区带着切屑，从被加工零件的孔和钻杆外壁间排出。 2)内排屑式：冷却液由被加工零件的孔和钻杆外壁之间输入，经过切削区带着切屑，从空心钻杆的孔中排出。 两种排屑方式相比，应优先选用内排屑方式，内排屑方式中切屑不受导向块的 大学 届毕业论文 第 3 页 共 60 页 阻碍，不易划伤已加工的孔表面，且排屑通畅 ，钻杆刚性高。 内外深孔加工技术发展的动态 外深孔加工技术发展的动态 18世纪后期，由于制造的枪管和炮管要求有较精密的孔，深孔钻削加工技术随之发展起来。开始人们用扁钻进行加工，直到 1860年美国发明了麻花钻，这在钻孔领域中迈出了重要的一步。尽管麻花钻是扁钻的一种改进，但还不能作为一种极好的精加工工具，加工深孔时麻花钻还有一些缺点，例如，当深度超过排屑槽长度时，麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行多次润滑和排屑；还有麻花钻的抗扭矩性能是有限的，因此进入孔的速度低。在实践中，人们发现麻花钻的 这些缺点可以通过采用自导式单刃钻孔工具来克服，在这种情况下产生了枪钻，枪钻的名称是因加工枪孔而得名的。枪钻最早是由西德、英、美国的几家工厂为军事工业制造的。后来逐渐推广到其它机器制造部门，而成为普通采用的一种加工深孔的工具，在我国枪钻称为外排屑钻孔工具。 由于枪钻的钻杆为非对称形，抗扭转性能差，只能传递有限的扭矩，因而枪钻只适用于加工小孔零件。枪钻的另外一个缺点是切屑通道介于钻杆和已加工过的孔之间，易于划伤工件表面。所以，在第二次世界大战前和战争期间由于战争的需要，枪钻方式加工设备已不能满足军工生产的需要， 因而在 1943年在德国由毕斯涅耳研究出毕斯涅耳加工系统 (即我国常称的内排屑钻孔法 )，并在德国取得了专利权。此后，毕斯涅耳又经不断发展和改进，到 1951一 1955年见基本定型，推广应用于生产。 二战后，以德国海勒公司和瑞典卡尔斯德特为主导，成立了一个以德国、瑞典、英 国 、 法 国 为 主 要 参 加 国 的 国 际 深 孔 加 工 协 会 (推出了一种具有单边刃、自导向和高压切削液的内排屑深孔钻头，这就是迄今仍用于钻直径 20枪钻相比， 杆和高压密封装置，将大量高压切削液输入钻杆和工件孔壁之间的间隙中，冲向切削区，除了起到冷却润滑和支撑钻杆的作用外，还带着切屑从钻杆内孔排出。它具有刚性好、精度高、效率高以及刀具系统性能好等优点。虽然工本费用较大，但其生产效率比一般加工方法高 4 10倍，又可取消一般精加工工序。所以总的看来，还是一种经济的加工方法。 由于 克服 大学 届毕业论文 第 4 页 共 60 页 1963年瑞典 吸式深孔钻 (在 内排屑深孔钻基础上发展起来的新型实心深孔加工方法。它是利用流体的喷吸效应原理，当高压流体经过一个狭小的通道 (喷嘴 )高速喷射时，在这股喷射流的周围形成一个低压区，可以将喷嘴附近的流体吸走。它比较巧妙的解决了 不需要专用的深孔钻床，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切削速度与机床结构的稳定性就能使用。 喷吸钻的特点是采用内外钻杆，冷却液通过两管之间间隙输入，其中一部分冷却液经两管之间的空间进入切削区，起润滑、冷却、排屑的作用，而另一部分冷却液通过内管上的喷口进入内管排屑通道， 在排屑通道内形成一个局部真空区，对切削区冷却液和切屑产生抽吸作用。但是喷吸钻本身也存在的缺点，由于采用内外钻杆，排屑空间受到限制，所以钻削直径一般大于 18时冷却润滑液供给方式不能控制刀杆振动，刀杆易擦伤，因而刚性与加工精度略低于 了补偿喷吸钻的不足，日本冶金股份有限责任公司发展了 统，械设计 1980年第 4期发表以后，即为我国工程界所重视。 双管喷吸钻去伪存精，淘汰了双管的衬管， 恢复了 借用了双管喷吸钻的负压抽屑机理，在钻杆末端设置产生负压作用的喷嘴，将推吸排屑加以结合，大大提高了排屑能力。 在其抽屑器设计上还不很成熟。 6 内深孔加工技术发展的动态 深孔技术在我国得到了广泛的应用，江西量刃具厂、成都工具研究所、中北大学、西安理工大学、西安石油大学、北京科技大学、大连理工学院等单位在深孔加工技术研究方面处于领先水平。 广西工学院研制出了一种用于数控机床的高效深孔钻，解决了在数控机床上加工小直径深 孔 ( 12 大学 届毕业论文 第 10 页 共 60 页 图 2吸钻系统 喷吸钻系统主要用于内排屑深孔钻削加工。喷吸钻系统利用流体力学的喷吸效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时，在这般喷射流的周围形成低压区。可将喷嘴附近的流体吸走。喷吸钻系统结构如图 2 3所示，其工作原理是：切削液在一定压力作用下，由联结器上输油口进入，其中 2/3的切削液向前进人内、外钻杆之间的环形空间，通过钻头 柄部上的小孔流向切削区，对切削部分、导向部分进行冷却与润滑。并将切屑推人内钻杆内腔向后排出；另外 l/3的切削液，由内钻杆上月牙状喷嘴高速喷入内钻杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后的抽吸，在推、吸双重作用下，促使切屑迅速向外排出。因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低而稳定，不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求，保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。 大学 届毕业论文 第 11 页 共 60 页 图 2吸钻系统 F 喷吸钻系统 意为双进油装置，是 20世纪 70年代中期日本冶金有限股份公司研制出来的。它并非独创，而是将 用一个钻杆完成推、吸双重作用。它同时具备了 克服不足，使钻削直径范围增大 (最小直径可达 6密封压力减小，加工精度和效率提高。 图 2 4所示。其工作原理是：约 2/3的切削液同 从钻杆外壁与已加上孔表面之间的环形生间到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外 1/3的闭削液直接 从钻杆联结器的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压，将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出。 80径比为 30 50，最大可达 100。但是，对于直径大于 65屑效果下降，因此， 直径的深孔加工。 大学 届毕业论文 第 12 页 共 60 页 图 2深孔加工系统的比较分析 (1)免了切屑由钻头和钻杆外部排出，提高了孔加工表面的质量，使得钻杆的扭转刚度和弯曲刚度增加，同时增大了排屑空间，使得排屑顺畅，也降低 了供油系统提供的压力和密封装置所承受的压力。因此， 用于深孔钻削、镗削、铰削和套料，但受到钻杆内扎排屑空间的限制。主要用于直径 12 (2)喷吸钻系统与 但节省了专门的进油密封装置，而且可在专用机床和普通机床上进行高效切削。但是，由于喷吸钻是内外两根钻杆的结构，使得排屑空间受到了限制，同时负压装置的引进客服了排屑困难的缺点。然而这样的装置也有它的局限性，当孔径或孔深增大时，喷吸钻的排屑效果变差，理想的适用范围为孔径小于 65径比小于 50的深孔。 (3)合了 钻杆在切削液的包围中，减低了钻杆的振动同时也防止了刀头的振动，提高了孔的加工质量，并且在负压装置的作用下使得切屑顺利的排出，密封装置的所承受压力相对于据实际加工的经验， 直径的深孔加工。 2 大学 届毕业论文 第 13 页 共 60 页 构流体特性方程推导 喷射泵（ 统的喷嘴结构）定义为：能把不同压力的两股非弹性流体相互混合，并发生能量交换，形成一股压力居中的非弹性混合流的装置，即通过射流介质的卷吸效应和紊动扩 散作用，将负压流体的能量传递给被吸液体。其主要组成部分有工作喷嘴、接收室、混合室和扩散器。如图 2中，负压流的压力较高，排屑流的压力较低。在工作时负压流以很大的速度 喷嘴喷出，和排屑流进入混合室，整体速度均衡后，伴有压力的升高。进入扩散器后，压力持续升高，在出口处，混合流压力 H2224 。 图 2射泵结构示意图 此结构负压的大小只能通过提高射流的能量及转换率来实现 27，表明在喷射泵的结构工艺参数为喷嘴速度 射角、负压流流量 屑流流量 们之间的交互作用。（通常在 定后，调节喷嘴之间的间隙就可以改变 (1) 试验表明 28，喷嘴的间隙对负压效果影响显著，见图 2 大学 届毕业论文 第 14 页 共 60 页 图 2压的形成与间隙的关系 (2) 喷嘴角 动量定理知值太大，动量损失大；值太小，能量得不到充分转换。喷嘴角过小会造成过多的附壁能量损失，负压流从发生到发展，要有一个过程。如果负压流未能得到充分发展，负压流能量就不能完全被利用。 (3) 排屑流流量 验测定当固定 变排屑流的流量 节喷射泵 的最佳开度，测定图 2点真空度，试验数据28表明 A 点的真空度变小，其根本原因在于： 喷射泵中的负压流既不是自由射流中的圆射流，也不是平面射流，而是一种复杂的错流射流，负压流和排屑流形成度角，负压流离开喷嘴射入排屑流中，排屑流收到负压流的阻挡，速度降低，压力升高，这是 此，排屑流流量 图 2 大学 届毕业论文 第 15 页 共 60 页 图 2屑流和负压流的交互作用示意 结构使混合室入口处速度场较复杂。但它 沿轴向对称，且速度的径向分量较小，主要引起能量损失，因此，对于提高排屑能力的研究，可以只取喷嘴的水平分速度作为有效分量，其值为： c o (m/s) （ 式中， 为切削液的比容 , m3/ P 喷嘴两端的压差； P=1 速度系数； k 喷射角。 喷嘴的面积： （ 其中 2/)(21 m （ 式中， d1,别为圆锥形喷嘴的大、小端直径， 喷嘴中，工作压力从 H，从而速度从 加到 后进入接受室，并把压 力为 排屑流从接受室中吸走。图 2取 2 2和 3 3截面之间的圆柱形混合室为研究对象，以流动的方向为坐标正方向，应用动量定理：可推导 大学 届毕业论文 第 16 页 共 60 页 出 孔喷射泵的特性方程，为简化推导，设负压流和排屑流进入混合室之前不相混合，那么动量方程可写成： 2（ -（ P） ( (式中 负压流的质量流量（负压通道质量流量）， kg/s; 排屑流的质量流量（排屑通道 质量流量）， kg/s; 1 1截面、 2 2截面上负压流的速度， m/s; 2 2截面上引排屑流的速度， m/s; 3 3截面上混合流的速度， m/s; 1 1截面、 2 2截面上负压流的静压力， N/2 2截面上排屑流的静压力， N/3 3截面上混合流的静压力， N/负压流 1 1截面、 2 2截面处的面积， 排屑流在 2 2截面处的面积， 2 混合室的速度系数 工作喷嘴的出口截面面积， 根据假设，取 速度参数、流量参数、截面面积代入公式（ ，导出 =12 22 22 (2 32)3+2) (中， P=313=3 P= = 大学 届毕业论文 第 17 页 共 60 页 1 、 2 、 3、 4是四个速度系数； 合流和负压流的比容。 式（ 明，喷射泵形成的相对压力降 3、喷射泵各个部件的速度系数（ 1 、 2 、 3、 4）和分流比 喷射泵三个因 素决定，而与负压流的可用压降的绝对大小 关。从式（ 可以看出，喷射泵的特性取决于它的通流部分的主要截面比 3而不取决于这些截面的绝对尺寸。只要从喷嘴流出来的负压流的雷诺 处在同样的自模化区内，绝对尺寸不同而截面比相同的喷射泵是相似的。即它们具有同样的特性曲线。因此，称 3是喷射泵的定性几何参数，它是设计中的重要参数 32 34。 当 =0时，喷射泵可形成最大相对压力降： 122 (2 32)3 （ 当 3=0时，无扩散器的喷射泵特性曲线方程为： = 1222 22 23+2) （ 当 喷射系 数 给定时，求可引起喷射泵最大压力降 最佳截面比3，令： 310。可得 13 = co n=1 联立（ 去参数 解为 大学 届毕业论文 第 18 页 共 60 页 13= （ 其中 223224222322121212c o sc o s，当速度系数不变时，最佳截面比13只取决于喷嘴系数 。由计算机仿真得到的曲线如图 2把（ （ 最佳截面条件的最大相对压 降 22422222221 无扩散器时最佳截面比 13 = co 把（ 入（ 无扩散器相对压降 = 2242222211212co s 在同样的喷射系数 下，把二者的压降相比，得 224222 大学 届毕业论文 第 19 页 共 60 页 由 可知在其他条件相同的情况下，无扩散器喷射泵形成的压降比带扩散器喷射泵形成的压降小 30% 70%,所以扩散器在喷射泵结构中必不可少，而国内的传统圆锥型 嘴结构深孔系统并没有专门的扩散器，以至于 有不断改进的空间。 图 213= f() 大学 届毕业论文 第 20 页 共 60 页 3 利用 统进行仿真研究 件的介绍 美国的市场占有率为 60%。凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散 /聚积、多相流、管道流动等等。 用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象， 不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想， 些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： 专用的 处理软件来 建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由 可以用 行前处理，由 变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； 持界面不连续的网格、混合网格、动 /变形网格以及滑动网格等。值得强调的是， 态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； 耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的； 件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无 大学 届毕业论文 第 21 页 共 60 页 粘流、层流、湍流。湍流模型包含 诺应力模型 (、大涡模拟模型 (以及最新的分离涡模拟 ( 外用户还可以定制或添加自己的湍流模型。 他提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。 可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 （ 1） 用于建立几何结构和网格的生成 （ 2） 用于进行流动模拟计算的求解器； （ 3） 用于模拟 （ 4） 0用于从现有的边界网格生成体网格； （ 5） 转换其他程序生成的网格，用于 利用 件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图所示。首先利用行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于后利用 解器对流动区域进行 求解计算，并进行计算结果的后处理。 大学 届毕业论文 第 22 页 共 60 页 图 3统的结构参数 喷嘴结构如图 3中00d=14 是 喷射角， S 是 喷射间隙 , ， 1。 单个因素只能表明某个因素对负压的影响，但是实际上影响负压的因素很多，而这种影响是通过不同的组合来体现的。 因此，必须考虑因素的综合影响，从多因素角度考虑，优化出切合实际的参数。由相关资料查得 其喷射间隙 S=喷射角 k=25。 90。 ， 结合以往有的研究成果，在此分别对表 3 表 3组表 第 1组 =25。 S= = 2组 =27。 S= = 3组 =29。 S= = 4组 =30。 S= = 5组 =31。 S= =大学 届毕业论文 第 23 页 共 60 页 第 6组 =33。 S= = 7组 =35。 S= = 8组 =29。 S= = 9组 =30。 S= = 10组 =31。 S= = 11组（后喷嘴为圆滑曲线） =29。 第 12组（后喷嘴为圆滑曲线） =30。 图 3锥形喷嘴 利用 统进行仿真研究 采用通用计算流体力学软件 仿真的实验条件是在不考虑有切屑的情况下 ,研究负压装置切削液的受力情况 ,建立一个与实际情况相近的数学模型，对压力场、速度场、温度场和能量场进行仿真分析。 现就第二组为例简要说明仿真过程： （ 1）、负压装置模型的建立 大学 届毕业论文 第 24 页 共 60 页 由于 何建模的局限性和不方便，故采用 行三维建模，所建模型 如图 3另存为 *下一步导入 行网格划分打好基础。 图 3压抽屑三维模型 （ 2）、导入 将上一步保存的 *进行整体网格划分，默认定义网格间距为 1，如图 3 大学 届毕业论文 第 25 页 共 60 页 图 3格划分 指定边界类型， 指定左边的面和上下的面为速度入口 边的面取名分别为 下两个面取名为 定右边的面出口边界条件为充分发展名为 对其他的所有面指定 为 名为 图 3 3界类型的指定 大学 届毕业论文 第 26 页 共 60 页 输出 件，为导入 （ 3） 、利用 a、启动三维单精度求解器 3d，读入 对网格进行检查，得最小的网格的体积 于 0，所以网格划分正确。 b、更改计算区域尺寸， 建模采用的尺寸为毫米，所以将长度单位米改成毫米，并显示网格。 c、选择计算模型，默认基本求解器，在一定压力下的雷诺数 v截面的平均速度； d 圆管直径； 切削液的运动粘度）计算可知，其雷诺数为 3100，所以深孔钻削过程的流动属于湍流状态 ,所以选择粘性模型下标准 型，并在操作环境中不考虑重力。 d、定义流体的物理性质，仿真的实验条件是在不考虑有切屑的情况下，选用空气作为负压抽屑的主要流体。 e、边界条件的设置， 取空气入口 y=39m/s；雾化切削液入口 X=s。因 为使用 了湍流模型，所以要设置入口的湍流参数，设置保持默认即可。 f、初始化，并打开残差图，保存 g、进行迭代运算，设置迭代次数为 20次。迭代运算图如图 3可表明其收敛。 图 3代运算图 h、查看结果。由于所建模型为三维实体模型，直接查看计算结果效果并不理 大学 届毕业论文 第 27 页 共 60 页 想，故需先建立一个面，此例中新建面为 后查看结果，其结果分为 图 3 3 3 3 3 37 度内部压力图 图 37 度速率图 大学 届毕业论文 第 28 页 共 60 页 图 37 度湍流动能图 图 37 度湍流强度图 图 37 度应变速率图 大学 届毕业论文 第 29 页 共 60 页 4 对仿真结果进行对比研究 结合所仿真对象的具体应用场合，本章分别就内部压力、速率、湍流动能、湍流强度四个方面进行比对研究。 内部压力的对比 =25。 S= =27。 S=大学 届毕业论文 第 30 页 共 60 页 =29。 S= =30。 S=大学 届毕业论文 第 31 页 共 60 页 =31。 S= =33。 S=大学 届毕业论文 第 32 页 共 60 页 =35。 S= =29。 S=大学 届毕业论文 第 33 页 共 60 页 =30。 S= =31。 S=比以上图片，可明显看出 =30。 S= =29。 S= =30。 S= =31。 S= 大学 届毕业论文 第 34 页 共 60 页 速率对比 =25。 S= =27。 S=大学 届毕业论文 第 35 页 共 60 页 =29。 S= =30。 S=大学 届毕业论文 第 36 页 共 60 页 =31。 S= =33。 S=大学 届毕业论文 第 37 页 共 60 页 =35。 S= =29。 S=大学 届毕业论文 第 38 页 共 60 页 =30。 S= =31。 S=察比对以上图片，可知 =30。 S= =29。 S=果比较明显。 大学 届毕业论文 第 39 页 共 60 页 湍流动能的对比 =25。 S= =27。 S=大学 届毕业论文 第 40 页 共 60 页 =29。 S= =30。 S=大学 届毕业论文 第 41 页 共 60 页 =31。 S= =33。 S=大学 届毕业论文 第 42 页 共 60 页 =35。 S= =29。 S=大学 届毕业论文 第 43 页 共 60 页 =30。 S= =31。 S=察分析以上图片，可知 =30。 S= =33。 S=喷嘴处动能比较高，有利排屑，且缝隙小的湍流动能大。 大学 届毕业论文 第 44 页 共 60 页 湍流强度的对比 =25。 S= =27。 S=大学 届毕业论文 第 45 页 共 60 页 =29。 S= =30。 S=大学 届毕业论文 第 46 页 共 60 页 =31。 S= =33。 S=大学 届毕业论文 第 47 页 共 60 页 =35。 S= =29。 S=大学 届毕业论文 第 48 页 共 60 页 =30。 S= =31。 S=察分析以上图片，可知 =30。 S= =33。 S=利于排屑，且缝隙小的湍流强度较大。 大学 届毕业论文 第 49 页 共 60 页 结论 综上所述，当 =30。 S= =29。 S= 大学 届毕业论文 第 50 页 共 60 页 大学 届毕业论文 第 51 页 共 60 页 5 对抽屑装置改进 构改进 上一章提到当 =30。 S=仔细观察 图 5成了压力和能 量的损失，故考虑将后喷嘴设计成圆滑曲线，如图 5 图 50度应变速率图及局部放大图 大学 届毕业论文 第 52 页 共 60 页 图 5进后流体形状 进前后抽屑效果比对 图 5进前（上）和改进后（下）内部压力对比 观察图 5进后的负压效果更加明显。 大学 届毕业论文 第 53 页 共 60 页 图 5进前（上）和改进后（下）速率图对比 观察图 5进后的喷嘴附近，速率高且高速流体的面积较大。 大学 届毕业论文 第 54 页 共 60 页 图 5进前（上）与改进后（下）湍流动能图对比 观察图 5改进后的喷嘴附近的湍流动能大于改进前的，理论上有助于排屑。 大学 届毕业论文 第 55 页 共 60 页 图 5进前（上）和改进后（下）湍流强度图对比 观察图 5进后的湍流强度也较改进前有很大的提高，有利于排屑。 论 综上所述，改进后的排屑效果在理论上要比改进前有所改善。 大学 届毕业论文 第 56 页 共 60 页 6 结论与展望 结论 本课题针对深孔加工中的排屑难的现象，主要做了如下工作并得出了相应的结论： （ 1）建立了 （ 2）利用流体计算动力学软件 立了有限元模型，划分了有限元 的网格，仿真模拟 （ 3）重新推导了 基于方程改进设计了喷嘴的结构，并对比和分析了仿真结果，得出了改进后的喷嘴可以更好的提高排屑通道中排屑能力。 由于受时间和个人理论知识限制，考虑问题还不够全面，存在许多不足之处，同时由于对深孔钻削过程的动态特性了解不够，故仿真参数的选
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