微小深孔加工技術(shù)主講人:龐昊斐機(jī)械與動力工程學(xué)院微小深孔簡介概念：一般將直徑為（0.3～1.0）mm的孔稱為小孔，將直徑<0.3mm的孔稱為微孔。

所謂深孔，是指孔深與孔徑之比大于5的孔。深孔又分為一般深孔（L/d>5～20）、中等深孔（L/d>20～30）、超深孔（L/d>30～100）三類。不同類型的深孔，其加工方法也不相同。應(yīng)用：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微小孔的加工工藝廣泛應(yīng)用在工業(yè)上許多領(lǐng)域。如航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴、渦輪葉片氣膜冷卻孔、醫(yī)療、打印機(jī)噴頭、細(xì)胞過濾器、微射流冷卻設(shè)備的噴嘴等。微小深孔簡介(a)、(b)燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣模微孔；

(c)光纖布拉格光柵傳感器微孔；

(d)用于慣性約束聚變的靶球微孔；

(e)發(fā)動機(jī)噴油嘴微孔；(f)馬赫－曾德爾干涉儀傳感器微孔微小深孔簡介微小孔的機(jī)械加工主要采用鉆削的形式,特種加工主要有：電解加工、電火花加工、激光加工、超聲加工、電子束加工等。微小孔主要的加工方法加工方法：微細(xì)鉆削加工微細(xì)鉆削刀具

目前，應(yīng)用于切削加工的微細(xì)鉆削刀具多數(shù)采用麻花鉆，麻花鉆具有正前角、雙切削刃、螺旋排屑槽，切削效率高，排屑容易。但是，螺旋排屑槽的存在大大影響了麻花鉆的剛度、強(qiáng)度，商業(yè)生產(chǎn)的微細(xì)麻花鉆的直徑可以達(dá)到0.1mm左右。微細(xì)刀具的制作方法主要有：聚焦離子束(FIB)濺射、精密微細(xì)機(jī)械磨削、電火花線電極磨削(WEDG)等加工方法。微細(xì)鉆削加工/Thedrillsareavailableindiametersfrom0.30mmto1mmin0.05mmincrementswithaflutelengthfrom10to50mm.Offeredwithanoveralllengthfrom60to110mm.Novelmicrodeepdrillingusingmicrolongflatdrillwithultrasonicvibration20μmdiameterand200μmflutelength微鉆削理論微細(xì)鉆削加工最小切削深度當(dāng)切削深度小于某個臨界值時，將無法產(chǎn)生切屑，該臨界值被稱為最小切削深度。當(dāng)切削深度小于最小切削深度時就會產(chǎn)生犁切現(xiàn)象。尺度效應(yīng)尺度效應(yīng)是微鉆削加工不同于傳統(tǒng)鉆削加工的主要原因。尺度效應(yīng)使微鉆削加工與常規(guī)鉆削相比不僅是工件、刀具尺寸的縮小，微表面力、微摩擦、微傳熱對加工過程的影響都不可忽視。位錯理論所謂"位錯"就是金屬晶體中存在一種缺陷，也就是實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)沿一條線上發(fā)生的偏差。位錯和微裂紋是材料破壞的主要方式。微細(xì)鉆削加工優(yōu)勢：生產(chǎn)效率高、加工成本低，不受材料導(dǎo)電性能限制表面質(zhì)量和加工精度較高等特點(diǎn)。存在的問題：（1）鉆頭制造困難，且隨著鉆頭直徑的減小，其剛度、強(qiáng)度顯著降低，極易在切削力或機(jī)床振動等作用下折斷。（2）容屑空間小，切屑難以排出（3）由于加工區(qū)域散熱差，鉆頭的溫度較高，使用壽命短。（4）需要采用很高的轉(zhuǎn)速，一般要求在10000r/min以上，并且要求主軸的回轉(zhuǎn)誤差極小。（5）不能加工比刀具硬的材料。電解加工微小孔的電解加工工藝研究陳輝，王玉魁，王振龍-《電加工與模具》-2010微小孔電解及電極加工裝置示意圖電解加工微小孔的電解加工工藝研究陳輝，王玉魁，王振龍-《電加工與模具》-2010電解加工的微細(xì)電極分別在H2SO4

和NaClO3+EDTA溶液加工的孔分別在NaCl和NaClO3

溶液中加工的孔孔的一致性實(shí)驗(yàn)電解加工鹽溶液管電極電解加工鈦合金深小孔曾永彬，張玉冬，房曉龍，...-《電加工與模具》-2014管電極電解加工深小孔示意圖工件接脈沖電源正極，管電極接脈沖電源負(fù)極。接通電源后，管電極在計(jì)算機(jī)控制下以恒定的進(jìn)給速度相對于工件向下進(jìn)給，工件不斷被蝕除，最終在工件上加工出深小孔。電解加工鹽溶液管電極電解加工鈦合金深小孔曾永彬，張玉冬，房曉龍，...-《電加工與模具》-2014深小孔整體剖面圖管電極為外徑1.2mm、內(nèi)徑0.8mm、長100mm的不銹鋼管，絕緣層單邊厚度為0.025mm。陽極工件為厚度20mm的鈦合金塊（TC4），電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaCl與10%的NaNO3混合中性鹽溶液，工作溫度保持在35℃。電壓24V，占空比0.3，電解液壓力0.6MPa，進(jìn)給速度0.6mm/min，加工的小孔見左圖，其孔徑為1.69mm，深徑比為11.85mm電解加工用高轉(zhuǎn)速微電極電解鉆削深小孔劉勇，曾永彬-《光學(xué)精密工程》-2014加工原理圖當(dāng)螺旋電極繞軸心作高速旋轉(zhuǎn)時，由于高速轉(zhuǎn)動螺旋溝槽的帶動作用，電極周圍區(qū)的水流迅速形成軸對稱立軸旋渦流。電解加工用高轉(zhuǎn)速微電極電解鉆削深小孔劉勇，曾永彬-《光學(xué)精密工程》-2014實(shí)驗(yàn)平臺示意圖實(shí)驗(yàn)參數(shù)：直徑200μm的螺旋電極，工作電壓14V，電極轉(zhuǎn)速2000r/min，脈寬100μs，脈沖頻率5kHz，電解質(zhì)為16%NaNO3溶液，進(jìn)給速度660μm/min，工件為厚度4mm的GH4169板材。電解加工優(yōu)勢：（1）不受材料強(qiáng)度、硬度、韌性、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性等的限制，能加工任何導(dǎo)電材料。（2）與電火花加工相比生產(chǎn)效率較高，表面粗糙度值低，可達(dá)Ra0.2～0.8μm。（3）加工表面無殘余應(yīng)力和變形，孔口沒有毛刺和飛邊。存在問題：

電解加工由于雜散腐蝕存在，加工精度不高，且對夾具、機(jī)床等有腐蝕現(xiàn)象，與其它加工工藝相比有較大的局限性。電火花加工電火花加工(ElectricalDischargeMachinning，EDM)是基于工件和工具(正、負(fù)極)之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量的加工要求。電火花加工中一次脈沖放電加工過程可以分為以下四個連續(xù)階段：極間介質(zhì)的電離、擊穿；形成放電通道；介質(zhì)熱分解，電極材料熔化、氣化；電極材料的拋出、極間介質(zhì)的消電離。電火花加工電火花加工系統(tǒng)電火花加工微細(xì)電極的制作微細(xì)電極的在線制作問題在1984年由日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的Masuzawa教授發(fā)明了線電極電火花磨削(WEDG)方法之后得以全面解決。電火花加工大深徑比微細(xì)孔電火花加工技術(shù)研究張余升-大連理工大學(xué)-2009微細(xì)電火花加工系統(tǒng)實(shí)物圖1

—工作液供給裝置2—照明系統(tǒng)3—基座4—控制計(jì)算機(jī)5—Z軸6—X軸7一觀察顯微鏡8—Y軸9—主軸10—WEDG單元11—電量變送器12—超聲頭電火花加工基于高速主軸深小孔電火花加工技術(shù)研究李震-哈爾濱工業(yè)大學(xué)-2013小孔高速電火花加工原理System3R電火花主軸3R-6.300-EHS16高速旋轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)精度可達(dá)5μm，配合專用夾持器，可夾持0.09-3mm中空電極絲，旋轉(zhuǎn)速度60-2000rpm可調(diào)。微細(xì)中空電極照片電火花加工基于高速主軸深小孔電火花加工技術(shù)研究李震-哈爾濱工業(yè)大學(xué)-2013基于3R高速主軸的微細(xì)電火花機(jī)床實(shí)物圖電火花加工優(yōu)勢：（1）可以加工任何導(dǎo)電材料，不受工件材料的強(qiáng)度和硬度限制。（2）可在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及異型孔等。（3）加工過程中切削力很小，對工具的強(qiáng)度和剛度要求較低,可加工直徑小于等于10μm的微孔。存在問題：

電火花穿孔加工的深度有限，這是因?yàn)榧庸さ奈g除物排除困難，叢而引起拉弧阻礙了加工的正常進(jìn)行。隨著孔的加工深度的增加，拉弧的頻率越來越高，最終使加工無法進(jìn)行而被迫中斷。激光加工激光打孔是利用經(jīng)聚集的高功率密度激光來照射工件，當(dāng)激光功率達(dá)到103W/mm2～105W/mm2時就能使各種類型的被加工材料（包括陶瓷）熔化或汽化，隨著被加工材料溫度的不斷上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開始汽化，金屬蒸汽攜帶著液相物質(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈噴濺出來，從而形成孔洞。激光加工技術(shù)隨著精細(xì)微孔和精細(xì)線的發(fā)展而進(jìn)步著。以激光加工微孔的實(shí)際應(yīng)用為例，激光加工已從紅外（CO2為光源）激光器加工走向發(fā)展到紫外（Nd：YAG為光源）激光器加工，目前正在向光纖激光器和飛秒激光器的加工的發(fā)展。激光加工目前典型應(yīng)用的四種激光器的主要特性激光加工飛秒激光微孔加工夏博，姜瀾，王素梅，...-《中國激光》-2013FDausinger對飛秒激光金屬材料微孔加工工藝進(jìn)行研究，將激光與材料的相對運(yùn)動方式分為4類，即單脈沖加工、叩擊式加工、環(huán)切加工和螺旋鉆孔。激光加工飛秒激光微孔加工夏博，姜瀾，王素梅，...-《中國激光》-2013通過工藝保證一個脈沖和材料作用后，直接形成所需微孔，即所謂的單脈沖加工。這種微孔加工方法效率極高，每秒可形成上千個孔。（a）高速飛秒激光單脈沖打孔示意圖；（b）加工結(jié)果原子力顯微鏡圖激光加工飛秒激光微孔加工夏博，姜瀾，王素梅，...-《中國激光》-2013需要多個脈沖的連續(xù)作用使得微孔深度不斷增加，以達(dá)到所需深度，即所謂的叩擊式加工。不同脈沖個數(shù)的激光（150fs，800nm，3.0J/cm2）對聚碳酸酯材料微孔加工的SEM圖激光加工飛秒激光微孔加工夏博，姜瀾，王素梅，...-《中國激光》-2013飛秒激光加工熱影響區(qū)小、加工質(zhì)量高，將激光線切割與微孔加工方面進(jìn)行結(jié)合，即形成環(huán)切加工。（a）硅材料上環(huán)切微孔加工示意圖；（b）SEM圖激光加工飛秒激光微孔加工夏博，姜瀾，王素梅，...-《中國激光》-2013另外，螺旋鉆孔的加工方式是在環(huán)切基礎(chǔ)上增加了深度方向的運(yùn)動，適合加工直徑較大的深孔。在加工質(zhì)量方面，Wynne等人發(fā)現(xiàn)飛秒激光在金屬上打孔時，真空環(huán)境中制得的孔結(jié)構(gòu)較銳利清晰，而空氣中結(jié)構(gòu)則比較平滑。另外，也有研究表明，碎屑在真空環(huán)境下易排出，因此，材料重鑄層小。銅材料微孔入口SEM圖(a)空氣環(huán)境(b)真空環(huán)境激光加工優(yōu)勢：（1）與材料硬度無關(guān)，幾乎能在所有材料上打孔，速度快，效率高，熱影響區(qū)小。（2）加工能力強(qiáng)、生產(chǎn)率高，每秒可打數(shù)百個孔，易實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)操作。（3）能聚焦成極細(xì)的光束，可加工直徑大于Φ1μm的微細(xì)孔，可進(jìn)行深徑比50以上的大深徑比加工。（4）激光加工為非接觸加工，可加工薄壁、彈性件等低剛度零件，可對空間狹窄的難加工部位進(jìn)行打孔。（5）加工中不存在工具損耗的問題，工作時噪聲小，環(huán)境友好。

激光加工存在問題：與電火花、超聲、電解加工相比，激光加工設(shè)備價格較貴，加工出的小孔粗糙度大，易形成喇叭口，圓度較差，精度較低。

超聲加工超聲波加工原理圖超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲通過超聲換能器產(chǎn)生高頻的縱向振動，并借助變幅桿將振幅放大，驅(qū)動工具電極作超聲振動，使得工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷的撞擊加工區(qū)，使該處材料變形，直至擊碎成微粒和粉末。超聲加工微細(xì)孔超聲加工關(guān)鍵技術(shù)賈寶賢，邊文鳳，趙萬生，...-《機(jī)械工程學(xué)報》-2007超聲加工單元示意圖試驗(yàn)時,先在多功能機(jī)床上用塊電極磨削技術(shù)制備超聲加工所用的微細(xì)工具軸,將工件與超聲振動臺聯(lián)接在一起。振動臺周圍用自動張緊密封裝置圍上,與振動臺表面一起形成四周密封的工作液容器。工作液既不外漏,又能與振動臺一起振動。微細(xì)軸在磨好以后,不從主軸上卸下來,在主軸驅(qū)動下向下加工。超聲加工優(yōu)勢：（1）適于加工各種硬脆材料，如玻璃、陶瓷、瑪瑙、寶石、金剛石等。（2）加工精度達(dá)1μm，表面粗糙度為Ra0.03～0.10μm，被加工出的工件表面質(zhì)量好。（3）最小孔徑達(dá)Φ10μm，深徑比達(dá)10~20。（4）機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，成本低。存在的問題：（1）工具易磨損，這對孔的加工的精度有一定的影響。（2）與常規(guī)尺度的超聲加工相比，微細(xì)超聲加工振幅小，功率小，加工速度偏低。電火花超聲復(fù)合加工微細(xì)電火花加工微細(xì)深孔時，工件上的蝕除物不易排出而聚積在孔的底部，容易產(chǎn)生二次放電、拉弧和短路等現(xiàn)象。為了提高微細(xì)電火花的加工能力和適用范圍，改善加工狀態(tài)，人們提出了超聲波振動輔助微細(xì)電火花加工的方法，即在電火花加工過程中，工件或工具作高頻超聲振動。附加的超聲振動，可以使電極端面頻繁進(jìn)入合適的放電間隙，提高火花擊穿的概率；同時超聲的空化作用可以增大被加工材料的去除量，加速工作液循環(huán)，從而提高被加工孔的深徑比、加工穩(wěn)定性和加工效率。電火花超聲復(fù)合加工超聲振動復(fù)合微細(xì)電火花加工微小孔試驗(yàn)研究朱波，鐘曉紅，陳濟(jì)輪，...-《電加工與模具》-2014超聲發(fā)生裝置微細(xì)電火花加工機(jī)床在超聲復(fù)合電火花加工微孔過程中，超聲復(fù)合會引起放電率、極間排屑、消電離狀態(tài)的變化；在不同的孔徑、脈沖頻率、超聲功率下，超聲對加工時間和電極損耗會產(chǎn)生一定的影響。超聲鉆削復(fù)合加工SinkerUltrasonicMachine(SUM)RotaryUltrasonicMachine(RUM)超聲鉆削復(fù)合加工微細(xì)孔旋轉(zhuǎn)超聲振動鉆削機(jī)床主軸系統(tǒng)研究王闖-《長春理工大學(xué)》-2013超聲振動系統(tǒng)組成示意圖1—超聲波發(fā)生器2—碳刷3—集流環(huán)4—刀柄5—螺釘6—換能器7—變幅桿8—鉆夾頭9—鉆頭螺紋錐面連接結(jié)構(gòu)超聲鉆削復(fù)合加工微細(xì)孔旋轉(zhuǎn)超聲振動鉆削機(jī)床主軸系統(tǒng)研究王闖-《長春理工大學(xué)》-2013優(yōu)化后的變幅桿模型最終得出優(yōu)化后的變幅桿的諧振長度L=170.5mm，固有頻率為19107Hz，同時新型變幅桿具有12.1倍的振幅放大系數(shù)，在同條件下，優(yōu)于傳統(tǒng)變幅桿的輸出效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。超聲鉆削復(fù)合加工旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置的設(shè)計(jì)與新型變幅桿的研究楊志斌-太原理工大學(xué)-20081電機(jī)2聯(lián)軸器3主轉(zhuǎn)軸4內(nèi)滾筒5軸承6裝置外殼7傳振桿8換能器9電刷10銅環(huán)11尼龍?zhí)?2風(fēng)扇13聚風(fēng)罩14鎖緊螺15