可加工陶瓷喷嘴的微钻孔分析（一）

    本文提出了一种称为主轴峰值频率 (SPF) 的新方法，用于确定稳定的微钻孔参数。 新颖之处在于该方法不需要力模型、工件的材料行为、模态刚度和钻孔工具的阻尼。MACOR是有康宁公司生产的可加工陶瓷， 唯一需要的参数是钻具的固有频率，它是通过模态动态有限元分析 (FEA) 获得的。 获得 Macor陶瓷的 Johnson-Cook 材料模型的材料常数，并将其实施到正交切割的有限元模型中，以研究切割机制。 结果表明，Macor 的切割机制是通过微裂纹的萌生和扩展来实现的。 最后，已开发的研究方法已用于制造扫描液滴系统的 Macor 喷嘴，其中成功钻出直径为 100 μm 和纵横比为 10 的孔，将分辨率提高了 5 倍。 

     Micro-drillingSPF方法MacorDrilling parameters的材料建模微钻的动力学扫描液滴系统（SDSs）扫描液滴单元（SDC）

一、简介
     钻孔工艺广泛用于在宏观和微观尺度上在不同结构和材料上钻孔。钻孔工具可以被视为旋转的、柔性的和预扭曲的梁，在其自由端带有切割唇，材料被剪切掉以产生孔。微观和宏观尺度钻孔工艺的典型要求是在严格公差范围内钻孔，避免形成毛刺或碎屑，取决于材料是韧性还是脆性，实现高表面质量和表面完整性，减少刀具磨损，避免刀具振动和刀具破损。宏观钻孔和微型钻孔之间的区别之一是钻孔工具的尺寸，如 Egashira 等人报道的那样，可以使用直径为 10 μm 的商用微型钻头 (2011)。此外，他们使用放电加工制造了直径为 3 μm 的微型钻头。工具直径的减小会导致工具刚度的降低，也会影响模态质量、阻尼和固有频率等模态动态参数。与宏观钻头相比，微型钻头可以振动更小的切削深度和更低的进给率。因此，必须通过选择最佳钻孔参数来避免刀具振动。

     宏观钻孔和微观钻孔之间的另一个根本区别是切割过程的力学。微尺度切削过程是在非常小的未切削切屑厚度（每齿进给率）下实现的，其大小接近切削刀具边缘半径。例如，硬质合金刀具的刀刃半径可以小于 1 μm，金刚石刀具的刀刃半径可以小于 100 nm。此外，微观尺度的机械切割经历了犁耕和剪切切割制度。当未切削切屑厚度与刀具刃口半径之比不足以形成切屑时，会观察到刨削现象。刨削和剪切切削现象之间的边界被称为最小切屑厚度。犁耕是不可取的，因为它会导致毛刺形成和较差的表面质量。因此，必须避免犁地，并且必须优化切割参数。此外
，Vollertsen 等人 (2009) 报告说，由于材料强化，微切削的尺寸效应会增加切削力和比能，其中切削是通过材料的晶粒实现的。

     许多研究人员付出了很多努力来了解微钻孔过程的不同方面。其中一个方面是跳动，它会影响钻孔的公差和导致刀具破损的切削力。渡边等人。 (2008) 使用直径为 100 μm 的钻头以 5000s-1 的转速通过实验检验了钻头径向跳动与孔质量之间的相关性。已经得出结论，径向跳动对钻头磨损和孔质量不敏感，因为在钻头和被研究工件之间的接触区域发生向心作用。

      微钻孔的其他方面包括切屑形态、材料排空、不良毛刺形成和应用润滑。郑等人(2012) 使用直径为 100 μm 的微型钻头以高达 300,000 rpm 的主轴速度对印刷电路板进行钻孔。已经发现，切屑和孔壁表面的形态取决于材料特性。切屑通常是由铝制入口板和铜箔形成的锥形和螺旋切屑，以及由玻璃纤维和软化树脂形成的不连续切屑。此外，切屑形态和孔质量受到进给率、主轴转速和刀具磨损的影响。南等人 (2011) 使用空气润滑、纯最小量润滑 (MQL) 和纳米流体 MQL 进行了一系列微钻孔实验。对于纳米流体 MQL，直径为 30 nm 的纳米金刚石颗粒已与石蜡和植物油的基础流体一起使用。对于微钻孔工艺，直径为 200 μm 的无涂层硬质合金麻花钻已用于在铝 6061 工件上钻孔。实验结果表明，纳米流体MQL显着增加了钻孔数量，降低了钻孔扭矩和推力。 已经开发了许多方法，包括分析、数值、实验和监测技术，以避免微钻制动。

     Kudla (2006) 研究了高速钢和碳化钨微型钻头在弯曲、扭转和复杂载荷情况下微型钻头的强度。金等人。(2009) 使用啄钻法并监测推力信号。通过对推力进行时域和频域分析，引入啄钻监测参数，避免刀具破损，延长刀具寿命。杨等人。 (2008) 开发了一个使用模糊神经网络规则的微钻在线监测系统。神经网络已通过从主轴电机三相电流中实时获取的采样数据进行训练。实验结果表明，对于正确定义的阈值，可以防止微钻破损。 Zdebski (2012) 通过参考断裂应力预测最大应力和刀具失效，模拟了微型切削刀具的断裂。这种方法已经确定了可以应用于不同微型工具设计的最大力。（未完待续）