BTA 深孔钻削智能纠偏技术研究

李 楠，吴伏家

（1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.西安工业大学，陕西 西安 710032）

1 引言

深孔钻削轴线纠偏是现今深孔加工领域面临的一个技术难题，国外刀具权威某公司、德国某公司都对此进行过深入研究[3]。但都未取得突破进展，只是被动的提出一些提高钻孔直线度的途径。设计一种新型方案，采用φ30mmBTA 实体钻进行钻削作为实例，将实体钻刀体进行改进，通过切削液在流道中产生的液压差现象进行智能纠偏。运用FLUENT 对切削液在钻头未走偏和初始走偏过程中，钻杆与工件内壁之间的环形流道产生的液压差进行数值分析。利用理论依据，解释智能纠偏方案的可行性。

2 FLUENT 模拟分析

2.1 CAD 结构建模

由于BTA 实体钻刀头部呈现复杂的锥形结构，在不影响最终仿真结果的情况下，进行模型简化，从而方便划分网格[4]。采用SolidWroks 建立刀具钻削中未走偏与走偏时的三维简图，如图1所示。模型的钻孔直径：φ30mm；工件内壁与钻杆之间的环形通道径向尺寸：4mm；钻杆壁厚为5mm；钻杆内腔直径：φ12mm；孔深：150mm。

图1 BTA 深孔钻削切削液流道半剖简图Fig.1 The Half Section Diagram of Cutting Fluid Flow of Bta Deep-Hole Drilling

2.2 划分网格

将三维模型分别导入到GAMBIT 模块中，进行切削液流道网格的划分[5]。其中，刀具未走偏模型的切削液环形区域和钻杆内腔区域采用cooper 结构网格，其余区域采用TGrid 非结构网格；刀具走偏模型的切削液流道区域采用TGrid 非结构网格。

2.3 数值结果分析

采用FLUENT6.3.26 进行模拟，两者迭代前的设置相同：均采用压力基求解器求解；选用k－epsilon 粘性模型；湍流液体设置机械油（engie－oil）[6]；切削液由环形流道流入经钻腔内部流出，则入口边界条件intlet=3.0MPa，出口边界条件outlet=0.2MPa，wall边界条件默认；求解方程计算差分格式为二阶迎风。经过迭代，得出刀具未偏时刻流道压力分布云图，如图2 所示。及刀具走偏时刻流道压力分布云图，如图3 所示。

图2 刀具未偏流道压力分布云图Fig.2 Contours of Static Pressure of Cutting Fluid Flow of Drilling without Deviation

图3 刀具走偏流道压力分布云图Fig.3 Contours of Static Pressure of Cutting Fluid Flow of Drilling Deviation

通过压力云图，可以看出随着流道横截面积的不同，切削液压力同时会发生变化。根据刀具走偏时的钻柄端径向剖面压力云图，得出切削液压力的大小与流道面积的改变成正比，即在连通流道中面积增大的区域流液的压力也会增加。由FLUENT 模拟分析，可导出流道中任意位置的压力值，将入口边界端指定为钻体轴向长度的起始点。其中细流道为走偏刀体剖切平面流道逐渐变细一侧，粗流道为细流道的反向端，直流道为未走偏刀体的轴向流道，如表1 所示。如表1 中的位置是指从钻体轴向长度的起始点开始，定义8 个位置长度/m，其对应的切削力压力值/MPa。

表1 三种流道等距压力值/MPaTable.1 The Equidistant Pressure Value of three Flow/mpa

根据表1 中的数值，绘出压力曲线坐标图，如图4 所示。由数据得出，钻削φ30mm 内孔，入口油压为3.0MPa 时，钻柄端油压：细流道＜直流道＜粗流道，且粗细流道端的压力差约为0.08MPa。可见压力差值变化比较明显。

图4 切削液流道压力分布图Fig.4 The Pressure Distribution Chart of Cutting Fluid Flow

3 智能纠偏方案设计

根据流量方程及伯努利方程：

即管道越细，流速越高，液体压力则越低[7]。此定理通过FLUENT仿真数值分析得到验证。

由于BTA 实体钻的钻柄端的材料厚度最大，便于镶嵌构件，其次钻柄环形流道区域油压变化明显，如图5 所示。

图5 BTA 实体钻结构简图Fig.5 The Sketch Diagram of Bta Drilling

方案设定在BTA 实体钻的钻柄炳端径向镶嵌四个相隔的微型单项阀，如图6 所示。在深孔钻削中，当钻杆发生走偏，就会导致环形流道削液液油压发生径向改变，即流过钻头偏斜一侧的切削液流速快，油压降低。反向与钻头偏斜一侧的切削液流速慢，油压相对为走偏情况有所增加。在钻柄端安放的四个微型单向阀设定要求：在未走偏情况下，其钻柄端的油压值为单向阀开闭的临界值，即油压大于此时的压力，阀门打开：小于或等于此时的压力，阀门关闭。

在本例中，未走偏时钻柄端的油压为2.57MPa。当发生走偏时，镶嵌于钻柄端油压增加一侧，其对应的微型单向阀。切削液从口流入，油压克服弹簧3的作用力，顶开阀芯2，经阀芯2 上四个径向孔a 及内孔b，从口流出，切削液流进钻体内腔，在内腔产生局部负压效应，利于排屑。当流液出现反流时，由于阀芯紧紧压在阀体1的阀座上，因此油液无法通过[7]。

由于油压减小一侧的单向阀处于关闭状态，此时油液在这个细小空间内，随着切削液流速的增加，切削液必将对偏斜一侧钻杆产生冲击，其湍流油液作用与钻柄的力指向刀体回转体中心，力的大小取决于油液的冲击能力[8]。此方式可以产生很好的纠偏效果。当钻杆纠正，四个单向阀处于关闭状态，钻头继续钻削。

图6 微型单向阀结构分布图Fig.6 The Structure Distribution Diagram of Miniature Check Valve

4 结论

通过液压变化的角度设计，巧妙的使镶嵌于钻柄内的微型单向阀智能开闭，达到深孔钻削纠偏效果。可降低废品，提高生产效率。此方案对今后深孔加工领域的生产和研究提出新的进展。

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