高长径比微细钻削刀具设计、制造与超声空化振动复合精密钻削研究

There are some problems during drilling of deep micro holes, e.g., the micro-drills is easy to break, the chip is hard to remove, and the hole accuracy is difficult to meet. Thus design and fabrication of high aspect ratio micro-drills and its precision drilling technology is the key to achieve high quality, high precision and high efficiency machining of micro deep hole. (1) In this project, the drilling mechanism of micro deep hole and the action characteristics of micro-drills will be investigated systematically, then based on the chip removal coordination, strength balance and minimum energy dissipation and other theories, the designing theory of high aspect ratio micro-drills will be established. (2) The multi-axis coordinates NC grinding method of the high performance micro-drills will be proposed, based on the force and deformation in the grinding process, the dynamic evolution mechanism of grinding parameters will be revealed, and then an active control strategy of grinding parameters is built. (3) By the deep micro hole precision drilling simulations and experiments on high strength steel and stainless steel materials, the designing theory and grinding method of high aspect ratio micro-drills will be validated. (4) A combining drilling method of deep micro hole will be proposed by combining cutting fluid ultrasonic cavitation effect and tool vibration. The coupling mechanism of ultrasonic cavitation effect and tool vibration will be analyzed, following the material removal mechanism and the cutting tool effect, then deep micro hole precision drilling process is optimized. This research results can be act as theoretical instruction and experimental support for deep micro hole precision drilling of difficult-to-cut materials.

微小深孔精密钻削过程存在刀具易折断、断屑排屑困难、制孔精度难以保证等问题。高长径比微细钻削刀具的设计、制造与精密钻削技术是实现微小深孔高质量、高效率和低成本加工的关键。（1）本项目拟深入研究微小深孔钻削机理和刀具作用机制，基于排屑协调、强度均衡与最小能量耗散等原理，建立高长径比微细钻削刀具设计理论；（2）拟提出高性能微细钻削刀具的多轴联动数控刃磨方法，基于刃磨过程中刀具受力与变形规律，揭示刃磨参数的动态演变机制，建立刃磨参数的主动控制策略；（3）开展高强度钢和不锈钢等难加工材料的微小深孔精密钻削仿真与实验研究，验证高长径比微细钻削刀具设计制造的合理性和有效性；（4）面向微小深孔的精密加工，提出切削液超声空化效应与刀具振动复合钻削方法，揭示其耦合作用机理，阐明材料去除与刀具作用机制，优化微小深孔精密钻削工艺。为难加工材料微小深孔精密钻削提供理论指导和技术支持。

随着先进制造技术的快速发展，难加工材料微小深孔零件被越来越广泛地应用在航空、航天、电子、精密仪器等重要领域。在难加工材料微小深孔钻削过程中，严重的尺寸效应、较大的切削力和切削温度、断屑排屑困难以及刀具强度与刚度不足等问题导致高长径比微细钻削刀具极易发生磨破损甚至断裂，降低刀具的使用寿命及微小深孔加工精度。本项目针对难加工材料微小深孔精密钻削刀具存在的问题和难点，采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，在刀具结构设计、刃磨制备方法、微钻切削性能评价、超声空化振动复合钻削方法等方面进行了深入系统的研究。. （1）分析了微钻螺旋槽曲面砂轮包络加工原理，建立了螺旋槽横截面形状的数学模型，阐明了砂轮位置参数对螺旋槽形状、径向前角和槽宽的影响规律；建立了微钻后刀面通用数学模型，揭示了不同类型后刀面对微钻几何形状的影响规律；研究了微钻失效形式和失效机理，并通过有限元静力学仿真方法，揭示了微钻几何结构参数对刀具整体刚度和强度的影响，结合微小深孔钻削过程中刀具的排屑能力，提出了一种变芯厚变槽宽微细钻削刀具。. （2）通过计算螺旋槽刃磨制备的初始位置参数，提出了通过控制砂轮位置参数成形不同螺旋槽的数控刃磨方法；建立了适用于数控磨床运动形式的微钻后刀面数学模型，提出了微钻后刀面五轴联动数控加工方法；通过刃磨参数动态控制方法，调节砂轮的偏置角度和砂轮轴线与微钻轴线的相对距离，刃磨制备出变芯厚变槽宽微小深孔钻削刀具；揭示了磨削工艺参数对微细刀具精度和质量的影响规律。. （3）通过开展不同螺旋槽型、后刀面形状、横刃长度、横刃轴向前角的微细钻削刀具钻削加工实验，揭示了钻尖结构对刀具钻削性能的影响规律；在此基础上，将最优的钻尖结构参数应用到高长径比微细钻削刀具上，进一步揭示了钻削工艺参数对高长径比微细钻削刀具切削性能的影响。. （4）提出了超声空化与超声振动复合微细钻削方法，阐明了切削液超声空化与刀具/工件振动对钻削过程的耦合作用机理，通过普通钻削、超声振动钻削、超声空化钻削和复合钻削的对比实验，揭示了超声空化和超声振动的复合作用对微细钻削过程的影响规律。. 本研究为难加工材料微小深孔的高质量、高效率和低成本加工提供了一种有效的途径，为高长径比微细钻削刀具设计、制造与微小深孔精密钻削技术的应用提供了理论指导和技术支持。