304不锈钢的超声振动辅助微孔钻削试验研究

董志国　刘建成　轧　刚　刘　翔

(太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024)



304不锈钢的超声振动辅助微孔钻削试验研究

董志国刘建成轧刚刘翔

(太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024)

通过304不锈钢的100 μm微孔超声辅助钻削试验，研究了超声振动辅助钻削的理论未变形钻削厚度，钻削轴向力与加工参数的关系，孔壁的表面质量，微孔入口处的毛刺以及加工后钻头刃部的状态，结果表明：超声振动辅助钻削在入钻后为连续切削；超声振动辅助可以明显改善微孔表面质量和入口处毛刺的尺寸，减小钻头刃部积屑馏的形成；钻削轴向力随进给速度和单次钻削深度的增加而增大，随主轴转速的升高而减小。

微孔钻削；超声振动辅助；304不锈钢；钻削轴向力；表面加工质量

微细产品在微型传感器、微机电系统MEMS、微型化的医疗设备等领域应用越来越广泛，这些产品的制造中，孔径0.2 mm以下的微孔加工材料去除量约占零件加工总去除量的30%[1]。与电火花加工、LIGA技术和激光加工微孔相比，微钻削具有加工效率高、孔的精度高以及表面质量好等优点而愈加受到研究者的重视。304不锈钢因具有优良的耐腐蚀性和机械性能而被广泛使用，但其易粘刀、存在加工硬化的特性使得直接进行加工变得困难，本文利用超声振动辅助加工具有入钻稳定、能减小切削力以及提高表面加工质量的优点[2]，进行304不锈钢工件微孔的辅助钻削，以期减小轴向力，提高微孔的表面质量。

国内外对超声振动钻削进行了大量研究，王立江等[3]在超声振动钻削φ0.34 mm微孔时发现微钻受到的平均轴向力减小30%左右，而且毛刺尺寸明显减小；Simon S.F.等[4]经过试验发现施加超声振动时钻削的微孔入口毛刺高度明显减小；Azarhoushang.B等[5]的研究表明超声振动辅助钻削的微孔孔壁粗糙度值相比无超声辅助时减小81%左右，而且切屑更易于排出；LEE. S.K.等[6]研究了超声振动微孔钻削的切削厚度和切屑形态。王天琦等[7]研发出适用于钛合金和不锈钢等难加工材料的轴向超声振动加工系统；A.Schordereta等[8]使用超声钻削在玻璃上加工出φ100～200 μm、深300～1 000 μm的微孔。

1　超声振动辅助的未变形钻削厚度

1.1刀刃轨迹方程

采用如图1所示柱坐标系，在微钻的轴向施加超声振动，微钻切削刃的运动方程为：

(1)

式中，n为主轴转速，r/min；vj为进给量，mm/min；A为超声振动的振幅，μm；f为超声振动的频率，Hz；a为超声振动的初始相位，rad；r为刀刃的半径，μm；θ为刀刃转过的角度，rad。

1.2理论未变形钻削厚度

由式(1)的切削刃轨迹公式，可得到超声振动辅助下微钻的轨迹如图2所示，为以向下旋转的螺旋线为中点的正弦曲线，由于第1主切削刃与第2主切削刃理论上相差180°，使得切削刃轨迹的波峰与波谷在z向均正对。在入钻阶段，微钻断续切削工件，而在钻入阶段，微钻以振动方式连续切削工件，且在z向的未变形钻削厚度均相同，其数值等于未加超声振动时的切削厚度，但在刀刃轨迹的法向切削厚度均有所减小。

2　试验装置及试验条件

2.1试验装置

在如图3所示，试验在HAAS VF-2立式加工中心的平台上进行，加工中心定位精度为5 μm，重复定位精度为3 μm； NSK HES810-BT40型电动主轴安装在加工中心的主轴锥柄孔内，提供20 000～80 000 r/min的转速，主轴径向跳动在1 μm以内；采用杭州成功YP-5020-4D型超声振动装置，用ZJS-2000型超声波发生器控制，产生的超声频率为20 000±100 Hz，振幅为5～8 μm，振动施加在测力仪和工件上，使工件产生竖直方向上的振动；测力仪为江苏连能CL-YD-301型力传感器，轴向测力范围0～50 kN，灵敏度4 pc/N。钻削时采用edmund高分辨率数字显微镜usb2.0 10X-200X 5MP观察对刀过程，并对整个钻削过程进行监控。

2.2试件及刀具

试验工件的材料为304不锈钢，化学成分见表1，试件如图4a所示，长25 mm，宽20 mm，厚1 mm。

表1304不锈钢试件成分表(wt%)

元素CuSiFeVSNiCr含量0.860.7470.180.181.677.8518.53

图4b为试验用微细钻头的放大图，由1个横刃、2个主切削刃组成，微钻使用日进NSMD-Mφ0.1×1型带涂层钻头，参数见表2所示。

表2微钻几何参数

钻头直径/μm横刃长度/μm横刃前角/°横刃后角/°主刃长度/μm螺旋角/°95.721.4-60.529.55430

3　微钻削的轴向力和微孔的表面质量

3.1超声振动辅助微钻削的轴向力

在频率为20 kHz，振幅为5 μm的轴向超声振动辅助下，用直径100 μm的微钻加工304不锈钢工件，研究主轴转速、进给速度和单次钻削深度的变化对微钻轴向力的影响。超声辅助下主轴转速对轴向力的影响见图5，在进给速度vj=5 r/min,单次进给深度h=10 μm的条件下，主轴转速从20 000 r/min 增加到35 000 r/min的过程中，轴向力从535 mN逐渐减小到519 mN，减小量为2.9%，变化量很小，说明在超声辅助下，主轴转速的变化对轴向力的影响幅度较小。

进给速度对轴向力的影响见图6，在主轴转速n=20 000 r/min,单次进给深度h=10 μm的条件下，进给速度由5 mm/min增加到20 mm/min时，轴向力从535 mN增加到585 mN，增大了9.3%，主要由于进给速度增加，理论未变形钻削厚度增加，从而导致轴向力增大。

单次进给深度对轴向力的影响见图7，在主轴转速n=20 000 r/min, 进给速度vj=5 r/min的条件下，单次进给深度由10 μm增加到50 μm时，轴向力从535 mN增加到685 mN，增大了28%；相比主轴转速和进给速度改变，增加量最显著，主要是由于在钻削深度增加时，微钻表面与微孔壁面的摩擦区域增大导致摩擦力增大；另一方面随深度的增加，微钻螺旋槽内的切屑增多，切屑与孔壁的摩擦导致微钻所受的轴向力增大。

3.2微孔壁的表面质量

将微孔用线切割机床剖开后，通过扫描电镜，可以观察孔壁的表面形貌。有无超声振动辅助加工后304不锈钢工件上100 μm微孔的表面形貌见图8所示，图8a为放大1 000倍无超声振动辅助时的孔壁表面，微孔壁面较粗糙，壁面颗粒状较粗大，与周围电火花加工区的表面差异不大；图8b为超声振动辅助下微孔壁面放大2 000倍的图像，可以看出相比线切割机床的电火花加工区，孔壁比较平滑，颗粒状结构较少，表面较细密；部分壁面有微钻刃部的细密切削轨迹，呈现出波纹状的细密纹理，与图2中的微钻刃部轨迹相似，为超声振动形成的加工纹理；说明超声振动复合钻削的微孔表面质量显著提高。

3.3微钻的入口毛刺

由于304不锈钢韧性大、粘附性强、产生的切屑不易折断，加工时容易产生大量毛刺；图9a为无超声振动辅助时100 μm微孔入口处的毛刺，毛刺尺寸较大，宽度约为9.3 μm，是微孔直径的9%，而且几乎全部粘连在微孔入口的圆周方向上，这样的毛刺用常规的去毛刺办法几乎无法去除，极易造成加工质量的恶化。采用超声辅助钻削后，见图9b，除仅在孔入口边缘处分散粘连的少量细微毛刺外，毛刺的尺寸大幅减小，宽度约为2.6 μm，是微孔直径的2.6%，比无超声振动辅助时减小约70%，说明超声振动辅助钻削对降低304不锈钢微孔入口处的毛刺有显著的作用。

4　微钻的刃口状态

由于304不锈钢导热系数低，散热条件差，钻削时由刀刃与不锈钢间的摩擦和犁耕作用产生的热量不易散发，导致钻削过程中切屑极易与刀刃粘连，形成积屑瘤，严重影响加工表面的质量和刀具的使用寿命。图10a为无超声辅助微孔钻削后的钻头刃部放大图，可以看出，微钻的螺旋槽中附着了积屑瘤；而施加超声振动辅助后，见图10b。由于超声振动的冲击切削作用，产生的热量会及时散发，使刀屑接触区温升降低，而且刀屑在钻头轴向振动的作用下，在螺旋槽的推挤下顺着螺旋槽排出，从而在刃部的螺旋槽表面无积屑瘤附着，改善了刀具的切削状况，有利于提高微孔的表面质量。

5　结语

304不锈钢的100 μm微孔超声振动辅助钻削试验研究表明：

(1)钻头刃部轨迹为正弦曲线，在入钻后的钻削为连续切削，在切削刃轨迹的法向，未变形钻削厚度减小。

(2)超声振动辅助钻削轴向力随主轴转速的增大减小，随进给速度的增加而增大，随单次钻削深度的增加而变大。

(3)超声振动辅助钻削易形成毛刺的304不锈钢时，可以显著减小微孔入口处的毛刺尺寸。

(4)超声振动辅助钻削的孔壁表面质量显著提高，而且在加工易粘刀的304不锈钢时钻头刃部不易粘连形成积屑瘤。

[1]肖子英, 陈学永. 超声振动钻削技术综述 [J]. 机电技术,2009(S1):1-4.

[2]曹凤国, 张勤俭. 超声加工技术的研究现状及其发展趋势 [J]. 电加工与模具,2005(S1):25-31.

[3]王立江，张穗远，张明．振动钻削微小孔提高加工精度的研究.[J]机械工程学报，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, 刘战锋. 超声轴向振动钻削加工系统设计 [J]. 机械设计与制造,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.

(编辑李静)

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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

董志国，男，1975年生，博士，讲师，主要从事微细切削方面的研究。

2015-10-27)

160529