304不銹鋼的超聲振動輔助微孔鉆削試驗研究

董志國　劉建成　軋　剛　劉　翔

(太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024)

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304不銹鋼的超聲振動輔助微孔鉆削試驗研究

董志國劉建成軋剛劉翔

(太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024)

通過304不銹鋼的100 μm微孔超聲輔助鉆削試驗，研究了超聲振動輔助鉆削的理論未變形鉆削厚度，鉆削軸向力與加工參數的關系，孔壁的表面質量，微孔入口處的毛刺以及加工后鉆頭刃部的狀態，結果表明：超聲振動輔助鉆削在入鉆后為連續切削；超聲振動輔助可以明顯改善微孔表面質量和入口處毛刺的尺寸，減小鉆頭刃部積屑餾的形成；鉆削軸向力隨進給速度和單次鉆削深度的增加而增大，隨主軸轉速的升高而減小。

微孔鉆削；超聲振動輔助；304不銹鋼；鉆削軸向力；表面加工質量

微細產品在微型傳感器、微機電系統MEMS、微型化的醫療設備等領域應用越來越廣泛，這些產品的制造中，孔徑0.2 mm以下的微孔加工材料去除量約占零件加工總去除量的30%[1]。與電火花加工、LIGA技術和激光加工微孔相比，微鉆削具有加工效率高、孔的精度高以及表面質量好等優點而愈加受到研究者的重視。304不銹鋼因具有優良的耐腐蝕性和機械性能而被廣泛使用，但其易粘刀、存在加工硬化的特性使得直接進行加工變得困難，本文利用超聲振動輔助加工具有入鉆穩定、能減小切削力以及提高表面加工質量的優點[2]，進行304不銹鋼工件微孔的輔助鉆削，以期減小軸向力，提高微孔的表面質量。

國內外對超聲振動鉆削進行了大量研究，王立江等[3]在超聲振動鉆削φ0.34 mm微孔時發現微鉆受到的平均軸向力減小30%左右，而且毛刺尺寸明顯減小；Simon S.F.等[4]經過試驗發現施加超聲振動時鉆削的微孔入口毛刺高度明顯減小；Azarhoushang.B等[5]的研究表明超聲振動輔助鉆削的微孔孔壁粗糙度值相比無超聲輔助時減小81%左右，而且切屑更易于排出；LEE. S.K.等[6]研究了超聲振動微孔鉆削的切削厚度和切屑形態。王天琦等[7]研發出適用于鈦合金和不銹鋼等難加工材料的軸向超聲振動加工系統；A.Schordereta等[8]使用超聲鉆削在玻璃上加工出φ100～200 μm、深300～1 000 μm的微孔。

1　超聲振動輔助的未變形鉆削厚度

1.1刀刃軌跡方程

采用如圖1所示柱坐標系，在微鉆的軸向施加超聲振動，微鉆切削刃的運動方程為：

(1)

式中，n為主軸轉速，r/min；vj為進給量，mm/min；A為超聲振動的振幅，μm；f為超聲振動的頻率，Hz；a為超聲振動的初始相位，rad；r為刀刃的半徑，μm；θ為刀刃轉過的角度，rad。

1.2理論未變形鉆削厚度

由式(1)的切削刃軌跡公式，可得到超聲振動輔助下微鉆的軌跡如圖2所示，為以向下旋轉的螺旋線為中點的正弦曲線，由于第1主切削刃與第2主切削刃理論上相差180°，使得切削刃軌跡的波峰與波谷在z向均正對。在入鉆階段，微鉆斷續切削工件，而在鉆入階段，微鉆以振動方式連續切削工件，且在z向的未變形鉆削厚度均相同，其數值等于未加超聲振動時的切削厚度，但在刀刃軌跡的法向切削厚度均有所減小。

2　試驗裝置及試驗條件

2.1試驗裝置

在如圖3所示，試驗在HAAS VF-2立式加工中心的平臺上進行，加工中心定位精度為5 μm，重復定位精度為3 μm； NSK HES810-BT40型電動主軸安裝在加工中心的主軸錐柄孔內，提供20 000～80 000 r/min的轉速，主軸徑向跳動在1 μm以內；采用杭州成功YP-5020-4D型超聲振動裝置，用ZJS-2000型超聲波發生器控制，產生的超聲頻率為20 000±100 Hz，振幅為5～8 μm，振動施加在測力儀和工件上，使工件產生豎直方向上的振動；測力儀為江蘇連能CL-YD-301型力傳感器，軸向測力范圍0～50 kN，靈敏度4 pc/N。鉆削時采用edmund高分辨率數字顯微鏡usb2.0 10X-200X 5MP觀察對刀過程，并對整個鉆削過程進行監控。

2.2試件及刀具

試驗工件的材料為304不銹鋼，化學成分見表1，試件如圖4a所示，長25 mm，寬20 mm，厚1 mm。

表1304不銹鋼試件成分表(wt%)

元素CuSiFeVSNiCr含量0.860.7470.180.181.677.8518.53

圖4b為試驗用微細鉆頭的放大圖，由1個橫刃、2個主切削刃組成，微鉆使用日進NSMD-Mφ0.1×1型帶涂層鉆頭，參數見表2所示。

表2微鉆幾何參數

鉆頭直徑/μm橫刃長度/μm橫刃前角/°橫刃后角/°主刃長度/μm螺旋角/°95.721.4-60.529.55430

3　微鉆削的軸向力和微孔的表面質量

3.1超聲振動輔助微鉆削的軸向力

在頻率為20 kHz，振幅為5 μm的軸向超聲振動輔助下，用直徑100 μm的微鉆加工304不銹鋼工件，研究主軸轉速、進給速度和單次鉆削深度的變化對微鉆軸向力的影響。超聲輔助下主軸轉速對軸向力的影響見圖5，在進給速度vj=5 r/min,單次進給深度h=10 μm的條件下，主軸轉速從20 000 r/min 增加到35 000 r/min的過程中，軸向力從535 mN逐漸減小到519 mN，減小量為2.9%，變化量很小，說明在超聲輔助下，主軸轉速的變化對軸向力的影響幅度較小。

進給速度對軸向力的影響見圖6，在主軸轉速n=20 000 r/min,單次進給深度h=10 μm的條件下，進給速度由5 mm/min增加到20 mm/min時，軸向力從535 mN增加到585 mN，增大了9.3%，主要由于進給速度增加，理論未變形鉆削厚度增加，從而導致軸向力增大。

單次進給深度對軸向力的影響見圖7，在主軸轉速n=20 000 r/min, 進給速度vj=5 r/min的條件下，單次進給深度由10 μm增加到50 μm時，軸向力從535 mN增加到685 mN，增大了28%；相比主軸轉速和進給速度改變，增加量最顯著，主要是由于在鉆削深度增加時，微鉆表面與微孔壁面的摩擦區域增大導致摩擦力增大；另一方面隨深度的增加，微鉆螺旋槽內的切屑增多，切屑與孔壁的摩擦導致微鉆所受的軸向力增大。

3.2微孔壁的表面質量

將微孔用線切割機床剖開后，通過掃描電鏡，可以觀察孔壁的表面形貌。有無超聲振動輔助加工后304不銹鋼工件上100 μm微孔的表面形貌見圖8所示，圖8a為放大1 000倍無超聲振動輔助時的孔壁表面，微孔壁面較粗糙，壁面顆粒狀較粗大，與周圍電火花加工區的表面差異不大；圖8b為超聲振動輔助下微孔壁面放大2 000倍的圖像，可以看出相比線切割機床的電火花加工區，孔壁比較平滑，顆粒狀結構較少，表面較細密；部分壁面有微鉆刃部的細密切削軌跡，呈現出波紋狀的細密紋理，與圖2中的微鉆刃部軌跡相似，為超聲振動形成的加工紋理；說明超聲振動復合鉆削的微孔表面質量顯著提高。

3.3微鉆的入口毛刺

由于304不銹鋼韌性大、粘附性強、產生的切屑不易折斷，加工時容易產生大量毛刺；圖9a為無超聲振動輔助時100 μm微孔入口處的毛刺，毛刺尺寸較大，寬度約為9.3 μm，是微孔直徑的9%，而且幾乎全部粘連在微孔入口的圓周方向上，這樣的毛刺用常規的去毛刺辦法幾乎無法去除，極易造成加工質量的惡化。采用超聲輔助鉆削后，見圖9b，除僅在孔入口邊緣處分散粘連的少量細微毛刺外，毛刺的尺寸大幅減小，寬度約為2.6 μm，是微孔直徑的2.6%，比無超聲振動輔助時減小約70%，說明超聲振動輔助鉆削對降低304不銹鋼微孔入口處的毛刺有顯著的作用。

4　微鉆的刃口狀態

由于304不銹鋼導熱系數低，散熱條件差，鉆削時由刀刃與不銹鋼間的摩擦和犁耕作用產生的熱量不易散發，導致鉆削過程中切屑極易與刀刃粘連，形成積屑瘤，嚴重影響加工表面的質量和刀具的使用壽命。圖10a為無超聲輔助微孔鉆削后的鉆頭刃部放大圖，可以看出，微鉆的螺旋槽中附著了積屑瘤；而施加超聲振動輔助后，見圖10b。由于超聲振動的沖擊切削作用，產生的熱量會及時散發，使刀屑接觸區溫升降低，而且刀屑在鉆頭軸向振動的作用下，在螺旋槽的推擠下順著螺旋槽排出，從而在刃部的螺旋槽表面無積屑瘤附著，改善了刀具的切削狀況，有利于提高微孔的表面質量。

5　結語

304不銹鋼的100 μm微孔超聲振動輔助鉆削試驗研究表明：

(1)鉆頭刃部軌跡為正弦曲線，在入鉆后的鉆削為連續切削，在切削刃軌跡的法向，未變形鉆削厚度減小。

(2)超聲振動輔助鉆削軸向力隨主軸轉速的增大減小，隨進給速度的增加而增大，隨單次鉆削深度的增加而變大。

(3)超聲振動輔助鉆削易形成毛刺的304不銹鋼時，可以顯著減小微孔入口處的毛刺尺寸。

(4)超聲振動輔助鉆削的孔壁表面質量顯著提高，而且在加工易粘刀的304不銹鋼時鉆頭刃部不易粘連形成積屑瘤。

[1]肖子英, 陳學永. 超聲振動鉆削技術綜述 [J]. 機電技術,2009(S1):1-4.

[2]曹鳳國, 張勤儉. 超聲加工技術的研究現狀及其發展趨勢 [J]. 電加工與模具,2005(S1):25-31.

[3]王立江，張穗遠，張明．振動鉆削微小孔提高加工精度的研究.[J]機械工程學報，1992，28(1)：31-35.

[4]Simon S F Chang, Gary M Bone. Burr size reduction in drilling by ultrasonic assistance [J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2005, 21(4-5):442-450.

[5]Azarhoushang B,Akbari J. Ultrasonic-assisted drilling of Inconel 738-LC [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(7-8):1027-1033.

[6]Lee S K, Jang S H, Lee S W,et al. Geometric machining mechanism of the ultrasonic drilling [J]. Key Engineering Materials, 2007，339: 66-71.

[7]王天琦, 劉戰鋒. 超聲軸向振動鉆削加工系統設計 [J]. 機械設計與制造,2009(5):173-175.

[8]Schordereta A,Deghilageb E,Agbeviadeb K. Tool type and hole diameter influence in deep ultrasonic drilling of micro-holes in glass [J]. Procedia CIRP, 2013(6):565-570.

(編輯李靜)

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Experimental study on ultrasonic vibration assisted micro drilling of 304 stainless steel

DONG Zhiguo, LIU Jiancheng, YA Gang, LIU Xiang

(College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, CHN)

Through the experiment on 100μm ultrasonic vibration assisted micro drilling of 304 stainless, this paper aims to study the following aspects: theoretical undeformed drilling thickness of ultrasonic vibration assisted micro drilling, the relation between axial force and machining parameters, the surface quality of hole wall, the burr of microporous entrance as well as the state of cutting edge for the processed drill, and the results show that: ultrasonic vibration assisted micro drilling is a continuous cutting process; ultrasonic vibration can help to control the microporous surface quality and the size of the entrance burr so as to reduce the formation of the built-up edge; drilling axial force enlarges with the increase of feed rate and the depth of single drilling, and decreases with increased spindle speed.

micro drilling; ultrasonic vibration; 304 stainless steel; drilling axial force; surface quality

董志國，男，1975年生，博士，講師，主要從事微細切削方面的研究。

2015-10-27)

160529