轴向超声波振动钻削微小孔的研究 - 文章

轴向超声波振动钻削微小孔的研究

作者：张明王立江

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1 引言

普通钻削加工孔的质量一般较差，比较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Rz与振幅关系密切。图1为测量结果，a=0为普通钻削。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)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/2/2006)


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