和田玉微小孔的超声振动钻削

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摘 要：由于和田玉特殊的物理性能，传统的加工方法对其微小深孔加工很难达到要求的精度和表面质量，具有很大的局限性。介绍了和田玉的物理特性，及超声振动钻削和田玉的加工机理，通过改变切削速度、进给量等加工参数，对比分析了超声振动钻削与传统钻削加工工件的出口毛刺、孔的内表面粗糙度和刀具磨损的试验结果，可以得出这样的结论：超声振动钻削能获得较好的加工质量和效率，为和田玉微小深孔钻削提供了一种新的工艺方法。

引言：

和田玉是玉石中的一种软玉，主要是由角闪石族中的透闪石组成，杂质矿物极少，矿物粒度极细，为显微晶质和隐晶质，质地细腻温润，硬度较大，一般为6.5―6.9莫氏，韧度极大，不易破碎，而且耐磨，所以使用普通方法钻削和田玉时很难入钻，钻孔也容易产生裂纹破损，孔的直线度也无法保证。

超声振动钻削是振动切削的一个分支，与普通钻削相比具有较好的加工工艺效果，它能全面提高孔的加工质量，是现代钻削技术的一个重要的发展方向。对于难加工材料的微小深孔，超声振动钻削能降低切削力和切削热，提高加工精度和刀具耐用度。

1.超声振动钻削原理：

超声振动钻削是一种脉冲钻削。振动钻削过程中，由于钻头有规律的振动，钻头和工件产生周期性的接触与分离，使钻头在振动的一个周期中的极短时间内完成了钻削，从而形成了脉冲钻削的方式。振动钻削中，钻头在超声波发生器驱动下周期性接触、离开工件，切削液可充分进入切削区，切削液使用效果得到提高，刀具的耐用度也得到了提高。同时，切屑容易顺利排出，加工表面的耐磨性和耐腐蚀性得到提高。

2. 试验研究：

2.1试验设备：

机床：高速雕铣机X540；

振动装置：SY-200F旋转超声波加工系统。超声振动钻削时，打开超声波发生器工作开关，输出功率≥250W，机器的工作频率为20KC±1KC；普通钻削时关闭超声波发生器工作开关。

试件材料：和田玉；

钻头：直径为1.5mm 高速麻花钻；

钻夹头：弹性筒夹ER11 1.5mm；

堵转固定环：机床主轴与旋转换能器连接，使其稳定可靠安全运行；

工具显微镜：用于观察孔的出口毛刺、孔内表面粗糙度、刀具磨损等。

2.2试验方案

采用1.5mm直径的高速麻花钻分别进行超声振动和普通钻削加工和田玉试验，通过改变转速和进给量，使用单因素控制法，记录相关实验数据。并测得加工后的出口毛刺和孔的内表面粗糙度。

2.3试验工艺参数

（1）加工方式：刀具旋转并且做轴向进给运动；

（2）切削液：水；

（3）试件材料：和田玉；

（4）钻头材料：高速钢；

（5）切削用量：切削速度n=700-1800r/min，进给量和f＼-r=3μm/r和5μm/r。

2.4直径为1.5mm的深孔加工试验

本试验采用直径为1.5mm的高速钢麻花钻，ER11 1.5mm的弹性筒夹，试件厚度大于20mm，L/d＼-0=10>5，因此称为深孔。工件材料为和田玉，分别采用普通钻削和超声振动钻削进行对比试验。试验结果为表2-1所示。

从表2-1的实验结果可以看出：加工和田玉时，超声振动钻削效果明显优于普通钻削，超声振动钻时不仅切屑成粉末状，而且排屑良好；普通钻削当主轴转速大于1500r/min时，钻头磨损严重，排屑不通畅，钻头容易折断；而超声振动钻削当主轴转速大于1800r/min时，才出现钻头磨损严重现象，但是排屑良好，钻头不易折断。因此，超声振动钻削在微小深孔高速钻削时有普通钻削无法获得的优点。

3.试验结果分析

3.1出口毛刺比较分析

图3-1为普通钻削和田玉，主轴转速为1000r/min，进给量为5μm/r时的出口毛刺，普通钻削时出口毛刺较多，图3-2为普通钻削和田玉时孔的表面，从图中明显能看出其表面已经已经出现了裂纹。图3-3、图3-4为超声振动钻削和田玉，主轴转速为1000r/min，进给量为5μm/r时的出口毛刺，从图中可以很明显的看出超声振动钻削不但可以有效的减少毛刺，而且还可以使钻削过程中的切屑顺利排出，孔的内表面也质量很好。

3.3孔内表面粗糙度分析

3.3.1转速对孔内表面粗糙度的影响

图3-5采用进给量f为5μm/r时，改变转速，得出在一定进给量的条件下，转速与粗糙度的线性关系图。

图3-5 孔内表面粗糙度

由图中可以看出，普通钻削孔的内表面粗糙度要比超声振动钻削的大，并且普通钻转速在700-1000r/min时，表面粗糙度急剧变大，当转速大于1000r/min时，表面粗糙度变化比较平缓；而超声振动钻削孔的内表面粗糙度随转速的增大而增加，其表面粗糙度值变化一直比较平稳。

3.3.2进给量对孔内表面粗糙度的影响

图3-6采用转速为1000r/min时，改变进给量f，得出一定转速的条件下，进给量与孔内表面粗糙度的线性关系图。

图3-6 切削和田玉进给量与表面粗糙度图

由图中可以看出进给量的变化对孔内表面粗糙度的影响不是很大。同样可得出结论：超声振动钻削孔内表面粗糙度小于普通钻削的孔内表面粗糙度并且随着进给量的增大而增大。

4.结论

通过本次试验得出了以下结论：

（1） 超声振动钻削在钻削和田玉时，明显优于普通钻削，并有普通钻削无法获得的优点。

（2）超声振动钻削也可推广应用于其它难加工材料的微小深孔钻削。

（3）超声振动钻削对于高硬度、高韧性、易脆性等难加工材料能大大的提高加工质量和效率。

[参考文献]

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