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轴向超声波振动钻削微小孔的研究

1 引言

普通钻削加工孔的质量一般较差，比较文氏管突出的问题是孔表面质量低、出口毛刺较大。在微小孔加工中，由于刀具制造困难等原因不便采用钻、扩、铰等多工序加工，当孔的一端在开口较小的腔内时，机械去除毛刺也比较困难；当在塑性较大的材料上加工微小孔时，孔的质量问题将更加突出，必须采用新技术、新工艺，以便使微小孔的加工质量有较大提高。

轴向超声波振动钻削是一种新的孔加工工艺，具有优良的工艺效果。在钻削过程中使钻头相对于工件沿钻头轴线方向超声波振动，刀具实际切削角度、刀刃与工件的相对运动速度都呈周期性变化，实际切削厚度当前国内塑料机械行业的发展现状是存在自主创新能力较低、高级与个性化专用品种较少一般也呈周期性变化，钻头主切削刃和横刃的切削条件得到改善，平均轴向钻削力降低。将轴向超声波振动钻削方法用于微小孔加工，可使孔的表面粗糙度降低，表面质量得到改善，出口毛刺的高度和厚度均较普通钻削小得多。

2 振幅对表面粗糙度的影响

分别采用普通钻削及不同振幅的轴向超声波振动钻削加工微小孔，然后将孔剖开，用光切法对孔壁表面粗糙度进行测量。发现振动钻削加工的孔的表面粗糙度Rz与普通钻削有很大差异，且R济南试金基本上甚么机型都有z与振幅关系密切。图1为测量结果，a=0为毛巾架普通钻削。试验条件：HSS直柄麻花钻直径f0.32mm,转速n=7100r/min,进给量f0=0.003mm/r,振动频率F0=20kHz,工件材料为18Cr2Ni4WA低碳合金钢；当振幅a选择在0.5 m～1 m范围内时，表面粗糙度RZ值最低，振幅选择适当，表面粗糙度可比普通钻削下降50%。一般来阿勒泰说，钻头磨损越剧烈,孔表面粗糙度Rz越大。普通钻削时，孔表面粗糙度随钻头累计钻削长度的增加而增大，而在轴向超声波振动钻削中，孔表面粗糙度的增蛋糕裙大趋势十分缓慢,如图2所示，试验条件同图1。

图1 振幅对表面粗糙度的影响 图2 累计钻削长度对表面粗糙度的影响

3 振幅对出口毛刺的影响

在18Cr2Ni4WA低碳合金钢微小孔钻削试验中，振动钻削振幅对出口毛刺高度H和厚度B的影响见图3。图中曲线F为平均轴向钻削力曲线，斜线区域分别为毛刺高度H和厚度B变化范围。试验条件：孔深2.2mm,其余同图1。可以看出，毛刺厚度B随振幅a而变化，变化趋势与平均轴向钻削力F的变化趋势十分接近，两者同是在a=0.5 m时最小。普通钻削时毛刺厚度差别较大，振动钻削时差别较小，a=0.5 m时毛刺厚度可比普通钻削减小50%以上。毛刺高度H的变化趋势与平均轴向力曲线基本接近，当振幅a=1 m时毛刺高度最小，约为普通钻削的25%左右。

图3 振幅对平均轴向力、毛刺高度毛刺厚度的影响

4 试验结果讨论

在微小孔钻削中，进给速度一般较低，极易出现爬行现象，切削速度恰好在钻削积屑瘤生成范围内，经显微放大观察发现，刀刃及刀刃转角处都有积屑瘤生成，使普通钻削微小孔时，孔表面粗糙度较大，孔表面上分布有许多撕裂痕迹。而在超声波振动钻削微小孔中，由于切削力、切削角度、切削厚度等的周期性变化，消除了进给爬行，抑制了积屑瘤的产生，相对于工件超声频振动的钻头对孔壁具有往复熨压作用，使孔的表面粗糙度降低，表面质量明显提高。测量结果表明，表面粗糙度Rz可比普通钻削降低50%左右。微观显微观察发现，振动钻削的孔壁上切削痕迹细微、整齐、均匀，没有金属撕裂痕迹，表面完整性好。普通钻削中钻头磨损较快，寿命较低。钻头磨钝后，钻削质量下降，孔的表面粗糙度明显增大。而在超声波振动钻削中，因钻头周期性微弱冲击作用，钻削力降低，钻头磨损速度减慢，寿命提高，表面粗糙度随累计钻削长度增加而增大的趋势减缓。

在将是Nature Works公司努力发展的方向孔加工中，一般轴向钻削力越大，出口毛刺体积越大。而超声波振动钻削微小孔时，平均轴向力可比普通钻削降低30%以上，钻头从工件底部钻出时发生剧烈塑性变形和位移的材料较少，使毛刺的体积和重量都小于普通钻削。试验结果表明，振动钻削时振幅不宜过大，对于直径在(0.3～0.4)mm范围内的微小孔，采用振幅a=(0.5～1) m为最好，毛刺高度H可减小至普通钻削的1/4,毛刺厚度B可减小至/普通钻削的1/2。

山东工程学院 张明 吉林工业大学 王立江(end)

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