可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（一）

    本文提出了一種稱為主軸峰值頻率 (SPF) 的新方法，用于確定穩(wěn)定的微鉆孔參數(shù)。 新穎之處在于該方法不需要力模型、工件的材料行為、模態(tài)剛度和鉆孔工具的阻尼。MACOR是有康寧公司生產(chǎn)的可加工陶瓷， 唯一需要的參數(shù)是鉆具的固有頻率，它是通過模態(tài)動態(tài)有限元分析 (FEA) 獲得的。 獲得 Macor陶瓷的 Johnson-Cook 材料模型的材料常數(shù)，并將其實施到正交切割的有限元模型中，以研究切割機制。 結(jié)果表明，Macor 的切割機制是通過微裂紋的萌生和擴展來實現(xiàn)的。 最后，已開發(fā)的研究方法已用于制造掃描液滴系統(tǒng)的 Macor 噴嘴，其中成功鉆出直徑為 100 μm 和縱橫比為 10 的孔，將分辨率提高了 5 倍。 

     Micro-drillingSPF方法MacorDrilling parameters的材料建模微鉆的動力學掃描液滴系統(tǒng)（SDSs）掃描液滴單元（SDC）

一、簡介
     鉆孔工藝廣泛用于在宏觀和微觀尺度上在不同結(jié)構(gòu)和材料上鉆孔。鉆孔工具可以被視為旋轉(zhuǎn)的、柔性的和預扭曲的梁，在其自由端帶有切割唇，材料被剪切掉以產(chǎn)生孔。微觀和宏觀尺度鉆孔工藝的典型要求是在嚴格公差范圍內(nèi)鉆孔，避免形成毛刺或碎屑，取決于材料是韌性還是脆性，實現(xiàn)高表面質(zhì)量和表面完整性，減少刀具磨損，避免刀具振動和刀具破損。宏觀鉆孔和微型鉆孔之間的區(qū)別之一是鉆孔工具的尺寸，如 Egashira 等人報道的那樣，可以使用直徑為 10 μm 的商用微型鉆頭 (2011)。此外，他們使用放電加工制造了直徑為 3 μm 的微型鉆頭。工具直徑的減小會導致工具剛度的降低，也會影響模態(tài)質(zhì)量、阻尼和固有頻率等模態(tài)動態(tài)參數(shù)。與宏觀鉆頭相比，微型鉆頭可以振動更小的切削深度和更低的進給率。因此，必須通過選擇最佳鉆孔參數(shù)來避免刀具振動。

     宏觀鉆孔和微觀鉆孔之間的另一個根本區(qū)別是切割過程的力學。微尺度切削過程是在非常小的未切削切屑厚度（每齒進給率）下實現(xiàn)的，其大小接近切削刀具邊緣半徑。例如，硬質(zhì)合金刀具的刀刃半徑可以小于 1 μm，金剛石刀具的刀刃半徑可以小于 100 nm。此外，微觀尺度的機械切割經(jīng)歷了犁耕和剪切切割制度。當未切削切屑厚度與刀具刃口半徑之比不足以形成切屑時，會觀察到刨削現(xiàn)象。刨削和剪切切削現(xiàn)象之間的邊界被稱為最小切屑厚度。犁耕是不可取的，因為它會導致毛刺形成和較差的表面質(zhì)量。因此，必須避免犁地，并且必須優(yōu)化切割參數(shù)。此外
，Vollertsen 等人 (2009) 報告說，由于材料強化，微切削的尺寸效應會增加切削力和比能，其中切削是通過材料的晶粒實現(xiàn)的。

     許多研究人員付出了很多努力來了解微鉆孔過程的不同方面。其中一個方面是跳動，它會影響鉆孔的公差和導致刀具破損的切削力。渡邊等人。 (2008) 使用直徑為 100 μm 的鉆頭以 5000s-1 的轉(zhuǎn)速通過實驗檢驗了鉆頭徑向跳動與孔質(zhì)量之間的相關性。已經(jīng)得出結(jié)論，徑向跳動對鉆頭磨損和孔質(zhì)量不敏感，因為在鉆頭和被研究工件之間的接觸區(qū)域發(fā)生向心作用。

      微鉆孔的其他方面包括切屑形態(tài)、材料排空、不良毛刺形成和應用潤滑。鄭等人(2012) 使用直徑為 100 μm 的微型鉆頭以高達 300,000 rpm 的主軸速度對印刷電路板進行鉆孔。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，切屑和孔壁表面的形態(tài)取決于材料特性。切屑通常是由鋁制入口板和銅箔形成的錐形和螺旋切屑，以及由玻璃纖維和軟化樹脂形成的不連續(xù)切屑。此外，切屑形態(tài)和孔質(zhì)量受到進給率、主軸轉(zhuǎn)速和刀具磨損的影響。南等人 (2011) 使用空氣潤滑、純最小量潤滑 (MQL) 和納米流體 MQL 進行了一系列微鉆孔實驗。對于納米流體 MQL，直徑為 30 nm 的納米金剛石顆粒已與石蠟和植物油的基礎流體一起使用。對于微鉆孔工藝，直徑為 200 μm 的無涂層硬質(zhì)合金麻花鉆已用于在鋁 6061 工件上鉆孔。實驗結(jié)果表明，納米流體MQL顯著增加了鉆孔數(shù)量，降低了鉆孔扭矩和推力。 已經(jīng)開發(fā)了許多方法，包括分析、數(shù)值、實驗和監(jiān)測技術，以避免微鉆制動。

     Kudla (2006) 研究了高速鋼和碳化鎢微型鉆頭在彎曲、扭轉(zhuǎn)和復雜載荷情況下微型鉆頭的強度。金等人。(2009) 使用啄鉆法并監(jiān)測推力信號。通過對推力進行時域和頻域分析，引入啄鉆監(jiān)測參數(shù)，避免刀具破損，延長刀具壽命。楊等人。 (2008) 開發(fā)了一個使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡規(guī)則的微鉆在線監(jiān)測系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡已通過從主軸電機三相電流中實時獲取的采樣數(shù)據(jù)進行訓練。實驗結(jié)果表明，對于正確定義的閾值，可以防止微鉆破損。 Zdebski (2012) 通過參考斷裂應力預測最大應力和刀具失效，模擬了微型切削刀具的斷裂。這種方法已經(jīng)確定了可以應用于不同微型工具設計的最大力。（未完待續(xù)）