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1、微小深孔加工技术 主讲人:庞昊斐 机械与动力工程学院 微小深孔简介 概念： 一般将直径为（0.31.0）mm 的孔称为小孔，将 直径520）、中等深孔（L/d20 30）、超深孔（L/d30100）三类。不同类型的深孔 ，其加工方法也不相同。 应用： 随着科学技术的发展, 微小孔的加工工艺广泛应用 在工业上许多领域。如航空发动机燃油喷嘴、涡轮叶 片气膜冷却孔、医疗、打印机喷头、细胞过滤器、微 射流冷却设备的喷嘴等。 微小深孔简介 (a) 、(b)燃气轮机叶片气模微孔； (c)光纤布拉格光栅传感器微孔； (d)用于惯性约 束聚变的靶球微孔； (e)发动机喷油嘴微孔； (f)马赫曾德尔干涉仪传感器
2、微孔 微小深孔简介 微小孔的机械加工主要采用钻削的形式, 特种 加工主要有：电解加工、电火花加工、激光加工、 超声加工、电子束加工等。 微小孔主要的加工方法 加工方法： 微细钻削加工 微细钻削刀具 目前，应用于切削加工的微细钻削刀具多数采 用麻花钻，麻花钻具有正前角、双切削刃、螺旋排 屑槽，切削效率高，排屑容易。但是，螺旋排屑槽 的存在大大影响了麻花钻的刚度、强度，商业生产 的微细麻花钻的直径可以达到0.1mm左右。 微细刀具的制作方法主要有：聚焦离子束(FIB) 溅射、精密微细机械磨削、电火花线电极磨削( WEDG)等加工方法。 微细钻削加工 The drills are available
3、 in diameters from 0.30mm to 1mm in 0.05mm increments with a flute length from 10 to 50mm . Offered with an overall length from 60 to 110mm. Novel micro deep drilling using micro long flat drill with ultrasonic vibration 20m diameter and 200m flute length 微钻削理论 微细钻削加工 当切削深度小于某个临界值时，将无法产生切 屑，该临界值被称为最
4、小切削深度。当切削深 度小于最小切削深度时就会产生犁切现象。 尺度效应是微钻削加工不同于传统钻削加工的 主要原因。尺度效应使微钻削加工与常规钻削 相比不仅是工件、刀具尺寸的缩小，微表面力 、微摩擦、微传热对加工过程的影响都不可忽 视。 最小切削深度 所谓位错 就是金属晶体中存在一种缺陷，也 就是实际晶体结构与理想的点阵结构沿一条线 上发生的偏差。位错和微裂纹是材料破坏的主 要方式。 尺度效应 位错理论 微细钻削加工 优势： 生产效率高、加工成本低，不受材料导电性能 限制表面质量和加工精度较高等特点。 存在的问题： （1）钻头制造困难，且随着钻头直径的减小，其刚 度、强度显著降低，极易在切削力或
5、机床振动等作 用下折断。（2）容屑空间小，切屑难以排出（3） 由于加工区域散热差，钻头的温度较高，使用寿命 短。（4）需要采用很高的转速，一般要求在 10000r/min 以上，并且要求主轴的回转误差极小。 （5）不能加工比刀具硬的材料。 电解加工 微小孔的电解加工工艺研究 陈辉，王玉魁，王振龙 - 电加工与模具 - 2010 微小孔电解及电极加工装置示意图 电解加工 微小孔的电解加工工艺研究 陈辉，王玉魁，王振龙 - 电加工与模具 - 2010 电解加工的微细电极分别在H2SO4 和NaClO3+EDTA 溶液加工的孔 分别在NaCl 和NaClO3 溶液中加工的孔孔的一致性实验 电解加工
6、盐溶液管电极电解加工钛合金深小孔 曾永彬，张玉冬，房晓龙，. - 电加工与模具 - 2014 管电极电解加工深小孔示意图 工件接脉冲电 源正极，管电极接 脉冲电源负极。接 通电源后，管电极 在计算机控制下以 恒定的进给速度相 对于工件向下进给 ，工件不断被蚀除 ，最终在工件上加 工出深小孔。 电解加工 盐溶液管电极电解加工钛合金深小孔 曾永彬，张玉冬，房晓龙，. - 电加工与模具 - 2014 深小孔整体剖面图 管电极为外径1.2mm 、内径0.8mm、长100mm 的不锈钢管，绝缘层单 边厚度为0.025 mm。阳 极工件为厚度20mm的钛 合金块（TC4），电解液 为质量分数10%的NaC
7、l与 10%的NaNO3混合中性盐 溶液，工作温度保持在 35。电压24 V，占空 比0.3，电解液压力 0.6MPa，进给速度 0.6mm/min，加工的小孔 见左图，其孔径为 1.69mm，深径比为11.8 5mm 电解加工 用高转速微电极电解钻削深小孔 刘勇，曾永彬 - 光学精密工程 - 2014 加工原理图 当螺旋电极 绕轴心作高速旋 转时，由于高速 转动螺旋沟槽的 带动作用，电极 周围区的水流迅 速形成轴对称立 轴旋涡流。 电解加工 用高转速微电极电解钻削深小孔 刘勇，曾永彬 - 光学精密工程 - 2014 实验平台示意图 实验参数：直径200m的螺旋电极，工作电压 14V，电极转速
8、2000r/min，脉宽100s，脉冲频 率5kHz，电解质为16%NaNO3溶液，进给速度 660m/min，工件为厚度4mm的GH4169板材。 电解加工 优势： （1）不受材料强度、硬度、韧性、熔点、导热性等 的限制，能加工任何导电材料。 （2）与电火花加工相比生产效率较高，表面粗糙度 值低，可达Ra0.20.8m。 （3）加工表面无残余应力和变形，孔口没有毛刺和 飞边。 存在问题： 电解加工由于杂散腐蚀存在，加工精度不高， 且对夹具、机床等有腐蚀现象，与其它加工工艺相 比有较大的局限性。 电火花加工 电火花加工(Electrical Discharge Machinning， EDM)
9、是基于工件和工具(正、负极)之间脉冲性火花 放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对 零件的尺寸、形状和表面质量的加工要求。电火花 加工中一次脉冲放电加工过程可以分为以下四个连 续阶段：极间介质的电离、击穿；形成放电通道； 介质热分解，电极材料熔化、气化；电极材料的抛 出、极间介质的消电离。 电火花加工 电火花加工系统 电火花加工 微细电极的制作 微细电极的在线制作问题在1984年由日本东京 大学生产技术研究所的Masuzawa教授发明了线电极 电火花磨削(WEDG)方法之后得以全面解决。 电火花加工 大深径比微细孔电火花加工技术研究 张余升 - 大连理工大学 - 2009 微细电火花加工
10、系统实物图 1 工作液供给装置 2 照明系统 3 基座 4 控制计算机 5Z轴 6X轴 7一观察 显微镜 8 Y轴 9 主轴 10 WEDG单元 11 电量变送器 12 超声头 电火花加工 基于高速主轴深小孔电火花加工技术研究 李震 - 哈尔滨工业大学 - 2013 小孔高速电火花加工原理 System 3R电火花主轴 3R-6.300-EHS16高速旋转轴，回转精 度可达5m，配合专用夹持器，可夹 持0.09-3mm中空电极丝，旋转速度 60-2000rpm可调。 微细中空电极照片 电火花加工 基于高速主轴深小孔电火花加工技术研究 李震 - 哈尔滨工业大学 - 2013 基于3R高速主轴的微
11、细电火花机床实物图 电火花加工 优势： （1）可以加工任何导电材料，不受工件材料的强度和 硬度限制。 （2）可在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等。 （3）加工过程中切削力很小，对工具的强度和刚度要 求较低, 可加工直径小于等于10m的微孔。 存在问题： 电火花穿孔加工的深度有限，这是因为加工的蚀 除物排除困难，丛而引起拉弧阻碍了加工的正常进行 。随着孔的加工深度的增加，拉弧的频率越来越高， 最终使加工无法进行而被迫中断。 激光加工 激光打孔是利用经聚集的高功率密度激光来照 射工件，当激光功率达到103W/mm105W/mm时就 能使各种类型的被加工材料（包括陶瓷）熔化或汽 化，随着被加工材
12、料温度的不断上升，到达沸点后 ，材料开始汽化，金属蒸汽携带着液相物质以极高 的速度从液相底部猛烈喷溅出来，从而形成孔洞。 激光加工技术随着精细微孔和精细线的发展而 进步着。以激光加工微孔的实际应用为例，激光加 工已从红外（CO2为光源）激光器加工走向发展到 紫外（Nd：YAG为光源）激光器加工，目前正在向 光纤激光器和飞秒激光器的加工的发展。 激光加工 目前典型应用的四种激光器的主要特性 激光加工 飞秒激光微孔加工 夏博，姜澜，王素梅，. - 中国激光 - 2013 F Dausinger对飞秒激光金属材料微孔加工工艺进行研 究，将激光与材料的相对运动方式分为4类，即单脉 冲加工、叩击式加工、
13、环切加工和螺旋钻孔。 激光加工 飞秒激光微孔加工 夏博，姜澜，王素梅，. - 中国激光 - 2013 通过工艺保证一个脉冲和材料作用后，直接形成 所需微孔，即所谓的单脉冲加工。这种微孔加工方法 效率极高，每秒可形成上千个孔。 （a）高速飞秒激光单脉冲打孔示意图；（b）加工结果原子力显微镜图 激光加工 飞秒激光微孔加工 夏博，姜澜，王素梅，. - 中国激光 - 2013 需要多个脉冲的连续作用使得微孔深度不断增 加，以达到所需深度，即所谓的叩击式加工。 不同脉冲个数的激光（150fs，800nm，3.0J/cm2）对聚碳酸酯材料微孔加工的SEM图 激光加工 飞秒激光微孔加工 夏博，姜澜，王素梅，
14、. - 中国激光 - 2013 飞秒激光加工热影响区小、加工质量高，将激光 线切割与微孔加工方面进行结合，即形成环切加工。 （a）硅材料上环切微孔加工示意图；（b）SEM图 激光加工 飞秒激光微孔加工 夏博，姜澜，王素梅，. - 中国激光 - 2013 另外，螺旋钻孔的加工方式是在环切基础上增加 了深度方向的运动，适合加工直径较大的深孔。 在加工质量方面，Wynne等人发现飞秒激光在金 属上打孔时，真空环境中制得的孔结构较锐利清晰， 而空气中结构则比较平滑。另外，也有研究表明，碎 屑在真空环境下易排出，因此，材料重铸层小。 铜材料微孔入口SEM图 (a)空气环境 (b)真空环境 激光加工 优势
15、： （1）与材料硬度无关，几乎能在所有材料上打孔，速 度快，效率高，热影响区小。 （2）加工能力强、生产率高，每秒可打数百个孔，易 实现自动化连续操作。 （3）能聚焦成极细的光束，可加工直径大于1m的 微细孔，可进行深径比 50 以上的大深径比加工。 （4）激光加工为非接触加工，可加工薄壁、弹性件等 低刚度零件，可对空间狭窄的难加工部位进行打孔。 （5）加工中不存在工具损耗的问题，工作时噪声小， 环境友好。 激光加工 存在问题： 与电火花、超声、电解加工相比，激光加工设备 价格较贵，加工出的小孔粗糙度大，易形成喇叭口， 圆度较差，精度较低。 超声加工 超声波加工原理图 超声波发生器 产生的超声通过超 声换能器产生高频 的纵向振动，并借 助变幅杆将振幅放 大，驱动工具电极 作超声振动，使得 工作液中悬浮的磨 粒以很大的速度和 加速度不断的撞击 加工区，使该处材 料变形，直至击碎 成微粒和粉末。 超声加工 微细孔超声加工关键技术 贾宝贤，边文凤，赵万生，. - 机械工程学报 - 2007 超声加工单元示意图 试验时, 先在多功 能机床上用块电极磨削 技术制备超声加工所用 的微细工具轴,将工件 与超声振动台联接在一 起。振动台周围用自动 张紧密封装置围上, 与 振动台表面一起形成四 周密封的工作液容器
