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不锈钢微孔超声空化辅助钻削实验研究

马悦  梁志强  王西彬  周天丰  孙晓飞  蒋立坤  
【摘要】:微孔零件广泛地应用于航空航天、船舶、动力和微电子等领域。这些微小深孔零件较多服役于高温、高寒、高应力等场合,一般采用不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料。不锈钢材料因具有强度高、塑性大以及良好的耐腐蚀、耐高温等特性,能够有效提高微小孔零件的机械性能和使用寿命。目前不锈钢微孔多采用微细钻削加工,但是微细钻削刀具螺旋槽浅,容屑排屑空间有限,切屑容易滞留和堵塞,使得钻头受力急剧增大,容易导致钻头过早折断;同时,由于不锈钢材料塑性变形大、导热系数低,切屑不易折断分离,容易缠绕堆积在螺旋槽中,使微孔加工质量变差。为了改善微孔钻削过程的排屑状况,通常使用在钻削过程中多次退刀排屑的方法,但是该方法使得加工效率显著降低。为了提高微孔的加工效率和加工质量,提出超声空化辅助钻削方法,在钻削过程中对液体施加超声振动,利用液体中的超声空化效应改善切屑的粘滞和堵塞现象,提高微孔加工质量。分析了超声空化作用机理,在超声空化钻削过程中,液体中大量空泡溃灭,产生强大的冲击力,并且液体质点运动速度和加速度急剧变化,均可促进切屑排除,进而减少切屑堵塞和刀具粘结磨损。通过高速摄像机观测超声空化过程,发现变幅杆端面形成了锥型空化区域,其作用范围达到10mm以上。分别进行直径3 mm和0.5 mm的树脂工件空化钻削实验,发现超声空化效应均显著改善了切屑对刀具的粘附和缠绕现象。进一步进行了不同转速下不锈钢微孔超声空化钻削实验,利用激光扫描显微镜对微孔入口形貌、圆度、孔壁形貌和表面粗糙度进行检测。实验结果表明,超声空化效应能够有效提高不锈钢微孔加工质量,提高孔径精度,减小圆度误差。与普通钻削相比,超声空化钻削的孔径误差降低了8.5%~15.6%,入口圆度误差降低了20.0%~37.8%,孔壁粗糙度降低了12.7%~18.6%。

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