王晶東，王荔檬，盧連朋，張宇鑫，張鶴然

（長春理工大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，長春　130022）

超聲振動輔助微小孔高速鉆削技術(shù)研究

王晶東，王荔檬，盧連朋，張宇鑫，張鶴然

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022）

結(jié)合高速鉆削和超聲振動鉆削優(yōu)點，自行研制出超聲振動輔助高速鉆削機(jī)床。利用該機(jī)床，通過實驗對比超聲振動輔助高速鉆削和普通鉆削條件下加工工件的孔擴(kuò)量、表面粗糙度和出孔、入孔毛刺等參數(shù)，研究評價超聲振動輔助高速鉆削性能。實驗結(jié)果表明，相對于普通鉆削，超聲振動輔助高速鉆削可實現(xiàn)φ0.1mm、深徑比大于10的微細(xì)深孔加工，實驗結(jié)果證明了理論與實驗分析的正確性。

超聲振動輔助的高速鉆削；孔擴(kuò)量；表面粗糙度；出孔、入孔毛刺

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)中微小孔［1-3］的應(yīng)用日趨廣泛，微小孔的加工數(shù)量與日俱增（如微型機(jī)械、噴油嘴［4］、激光光盤、印刷電路板、計算機(jī)打印頭等都涉及到微小孔的加工），并且在一些尖端、新型產(chǎn)品上的微小孔的加工精度要求不斷提高。目前孔加工多采用鉆削加工，在加工過程中，由于加工微細(xì)深孔的鉆頭強(qiáng)度低，排屑困難，極易出現(xiàn)鉆頭折斷的問題；同時，鉆削加工性能較差的材料（如不銹鋼）時，鉆頭磨損快，且容易出現(xiàn)崩刃和破損，因此，微細(xì)深孔［5］的鉆削問題一直長期困擾著機(jī)械加工領(lǐng)域。針對微細(xì)深孔的加工難題，研究人員提出了步進(jìn)鉆削、振動鉆削、高速鉆削等加工方法，其中高速鉆削不僅能大幅度提高微細(xì)深孔的鉆削加工效率，還能顯著降低鉆削力，減小鉆頭折斷率。本文結(jié)合超聲振動切削和高速鉆削的優(yōu)點研制出超聲輔助的高速鉆削機(jī)床［6］，通過實驗研究證明了超聲振動輔助的高速切削相對于普通切削可以實現(xiàn)孔擴(kuò)量的減小、孔粗糙度的降低和出入孔毛刺高度的降低。

1　試驗建立

試驗是在自行研制的超生振動輔助的高速鉆削機(jī)床上進(jìn)行的，采用蒸餾水做冷卻液，試驗刀具是整體硬質(zhì)合金鉆頭，試驗材料是30CrNiMo8不銹鋼（此材料由于其高強(qiáng)度，抗腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于噴油嘴）。

在鉆削過程中，超聲波振動系統(tǒng)的振動部分連接在十字滑臺和工作臺之間，其中超生振子即超聲波換能器是一種利用材料的壓電效應(yīng)把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。由中央壓電陶瓷元件、前后金屬蓋板、預(yù)應(yīng)力螺桿、電極片和絕緣管組成。工件用壓板壓緊在工作臺上，超聲振子以200KHz的頻率振動，振幅范圍是2～5μm。振幅由激光干涉儀測量，工件表面粗糙度由白光干涉儀進(jìn)行測量分析，孔擴(kuò)量和出入孔毛刺用超景深三維顯微鏡進(jìn)行測量分析。

圖1　機(jī)床設(shè)計圖

2　試驗方法及結(jié)果分析

鉆頭直徑范圍為Φ0.1mm～Φ1.0mm，改變轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量參數(shù)條件下完成普通鉆削和超聲振動輔助高速鉆削試驗，針對孔擴(kuò)量、孔內(nèi)表面形貌及孔粗糙度和出入孔毛刺三個方面來闡述孔的加工效果來對比試驗結(jié)果。

2.1孔擴(kuò)量的對比分析

鉆削加工中實際孔徑尺寸與鉆頭直徑的差值為孔擴(kuò)量。在鉆削加工中，引起孔擴(kuò)量產(chǎn)生的主要原因是偏振力，入鉆時偏振力會導(dǎo)致入鉆孔偏移；鉆削過程中偏振力會導(dǎo)致鉆頭的顫振，降低孔的直線度。偏振力一是由機(jī)床的主軸高速旋轉(zhuǎn)的動態(tài)平衡性能決定，二是鉆尖受來自工件的軸向反作用力引起的。隨著鉆削的深入，普通鉆削的軸向抗力會越來越大，嚴(yán)重影響孔的成形甚至導(dǎo)致鉆頭的折斷。超聲振動輔助高速鉆削的時切時離的加工狀態(tài)能夠降低軸向抗力和扭矩，提高鉆頭的剛度和排屑力，同時超高頻率的振動使得鉆削的顫振得到抑制，在加工過程中鉆頭的進(jìn)給更穩(wěn)定，所以超聲振動加工的孔具有更小的孔擴(kuò)量。

通過多次試驗，測得超聲振動輔助高速鉆削比普通鉆削加工入口處的孔擴(kuò)量值平均小10μm，在試驗中加工φ1.0mm和φ0.7mm孔徑時，孔擴(kuò)量差值達(dá)相差20μm；加工φ0.5mm孔徑時，孔擴(kuò)量相差不大。圖2為試驗在普通鉆削條件和超聲振動輔助的高速鉆削條件下所加工孔入口處的表面質(zhì)量對比圖，同時測得孔入口處的孔擴(kuò)量值。從圖中可以看出加工孔徑為φ0.3mm時，雖然兩種加工方法下孔擴(kuò)量相差不大，但普通鉆削加工入口處孔的邊緣已經(jīng)出現(xiàn)破損點，孔的入口處的擠壓現(xiàn)象明顯，孔表面質(zhì)量相對較低。當(dāng)孔徑為φ0.3mm以下的孔加工，普通鉆削加工基本無法完成，孔的入口尺寸形狀精度極低，而超聲振動輔助的高速鉆削加工卻仍然可以完成孔的加工，同時孔的形貌也很理想。通過實驗數(shù)據(jù)分析可得附加超聲振動高速鉆削不但提高了進(jìn)給量，而且在較大進(jìn)給量下既能保證孔入口表面質(zhì)量優(yōu)于普通鉆削加工，還能保證具有較好的圓的。

圖2　高速鉆削與超聲振動輔助的高速鉆削入口孔擴(kuò)量對比

2.2孔內(nèi)表面［7］及孔粗糙度的對比分析

在鉆削加工中，造成孔內(nèi)表面粗糙度高的主要原因是切屑對孔壁的劃傷，而附加振動后的高速鉆削由連續(xù)切削變?yōu)閿嗬m(xù)切削，不再像普通鉆削一樣產(chǎn)生纏繞切屑，切屑均以粉末狀碎屑的形式排出，斷續(xù)切削提高了鉆頭的斷屑和排屑能力，鉆頭上積屑瘤的產(chǎn)生條件被破壞，更有利于保證孔內(nèi)表面光滑形貌的形成。

圖3　普通鉆削和超聲振動輔助高速鉆削加工φ0.7mm孔的內(nèi)表面及粗糙度對比圖

從圖3（a）、圖3（b）中可以看到，超聲高速鉆削加工不僅在較大進(jìn)給量下比普通鉆削加工所獲得孔的入口和出口偏差小，而且在孔的直線度上也出現(xiàn)了較大程度的改善。較大的進(jìn)給量能大大提高加工效率。從圖3（c）、圖3（d）中可以看出，超聲輔助的高速鉆削的孔表面粗糙度在全長的波峰波谷少，更加的平順。

2.3出孔、入孔毛刺的對比分析

毛刺是金屬切削加工中常見的影響工件精度和表面質(zhì)量的因素。對于微小孔來說，毛刺的影響更為嚴(yán)重。在鉆削加工中，毛刺主要產(chǎn)生在入口和出口處且出口毛刺往往高于入口毛刺。毛刺的形成一般經(jīng)歷三個階段，首先是在鉆頭接近鉆通時，孔底剩余材料很薄，受到軸向力的擠壓，當(dāng)材料到達(dá)屈服極限時產(chǎn)生塑性變形；之后為塑性變形的擴(kuò)展階段，此時由于孔底發(fā)生了塑性變形而不再是完全切削狀態(tài)，還有部分塑性流動，這會加快加工的態(tài)勢發(fā)展；最后為毛刺形成階段，塑性變形極為強(qiáng)烈，金屬達(dá)到最大變形量，該部分材料的去除表現(xiàn)為撕扯，鉆頭鉆出后，該處金屬未被去除而殘留在出口處形成出口毛刺。而超聲振動加工的切削力是周期性變化的，能提高孔底殘留金屬的高度，阻止塑性變形的擴(kuò)展，有效抑制毛刺的生成。

圖4　普通鉆削與超聲輔助高速鉆削入口毛刺對比圖

本文采用毛刺高度來評價孔的入口質(zhì)量，圖4是利用超景深三維顯微鏡直接測得加工孔的入口毛刺高度圖，從圖中可以觀察到普通鉆削由于入鉆穩(wěn)定性差，會造成入口處零件的破損增大，表現(xiàn)為入口毛刺高度較大，而超聲振動高速鉆削由于振動使得鉆頭的徑向偏移減小，提高了入鉆穩(wěn)定性，所以毛刺較少，高度較低。

出口毛刺是影響孔質(zhì)量和裝配精度的重要影響因素。如圖5所示，普通鉆削與超聲振動輔助的高速鉆削在φ0.3mm孔的出口毛刺分別為36.22μm和14.31μm。按照相同的方法，測得在φ1.0mm孔的出口毛刺高度分別為47.31μm和9.81μm；在φ0.7mm孔的出口毛刺分別為28.65μm和11.39μm；在φ 0.5mm孔的出口毛刺分別為18.86μm和2.182μm；在φ0.2mm孔的出口毛刺分別為17.21μm和7.332μm；φ0.1mm孔超聲鉆削加工孔的出口毛刺高度為1.605μm。以上數(shù)據(jù)和圖5清晰地說明相較于普通鉆削加工，超聲振動輔助的高速鉆削能夠降低工件的塑性變形，保證孔的形狀特征，能抑制和大幅度減少出口毛刺的生成或高度。

圖5　普通鉆削與超聲鉆削出口毛刺對比圖

3　結(jié)論

本文基于試驗材料30CrNiMo8采用普通鉆削和超聲振動輔助的高速鉆削兩種不同加工方法，在不斷改變工藝參數(shù)條件下對所得到的微細(xì)孔的孔擴(kuò)量、孔內(nèi)表面形貌及孔粗糙度和出入孔毛刺進(jìn)行了比較。試驗數(shù)據(jù)證明超聲振動高速鉆削相較于普通鉆削在較大進(jìn)給量下無論是入口孔擴(kuò)量還是出口毛刺和入口毛刺上都表現(xiàn)的更好；表面粗糙度達(dá)到0.01級別數(shù)量級的精度，且可以完成在常規(guī)的鉆削速度下無法完成的φ0.2mm和φ0.1mm、深徑比大于10的微小孔加工，可極大提高加工效率。試驗結(jié)果證明了理論與試驗分析的正確性。

［1］ 王立平，楊叔子，楊兆軍，等.振動鉆削的國內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械設(shè)計與制造工程，1999，28（2）：1-4.

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［4］ 馬志炎.柴油機(jī)噴油器噴孔內(nèi)空穴流動的可視化試驗研究與數(shù)值模擬分析［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2013.

［5］ 賈寶賢，王振龍，趙萬生.基于特種加工的微小孔加工技術(shù)［J］.電加工與模具，2005（2）：1-5.

［6］ 鄭書友，馮平法，徐西鵬.旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)研究進(jìn)展［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，49（11）：1799-1804.

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Research on Ultrasonic Vibration Aided High-speed Drilling Technology of Micro-porous

WANG Jingdong，WANG Limeng，LU Lianpeng，ZHANG Yuxin，ZHANG Heran
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Combined with the advantages of high speed cutting and ultrasonic vibration drilling，a high speed drilling tool with ultrasonic vibration had been developed.A plenty of comparative experiments between ultrasonic vibration aided high-speed drilling and common drilling about expansion volume，surface roughness and burrs of the entrances and exits were investigated using high-speed drilling tool.The experiment demonstrates that ultrasonic vibration aided high-speed drilling，compared with the ordinary drilling，is able to process micro deep holes with higher precision and smaller roughness.

ultrasonic vibration aided high-speed drilling；expansion volume；surface roughness；burrs of the entrances and the exits

TH122

A

1672-9870（2015）05-0064-04

2015-07-05

王晶東（1981-），男，博士，講師，E-mail：yelena19880223@126.com