可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（七）

上篇文章可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（六）

結(jié)果與討論
首先 MACOR是有康寧公司生產(chǎn)的可加工陶瓷，其次介紹和討論 SPF 方法的結(jié)果和 Macor 的切割機(jī)制。然后解決打孔的制造策略，最后，為 Uniscan M370 掃描液滴系統(tǒng)的噴嘴頭打孔 (Uniscan Instruments, 2012)。

微型鉆頭的固有頻率首先從第 5.1 節(jié)的模態(tài)動(dòng)態(tài) FEA 中獲得。模態(tài)動(dòng)態(tài)有限元分析中使用的總時(shí)間為 0.11 s，時(shí)間增量為 1 × 10−4 s。從模型中獲取位于微鉆底部中心節(jié)點(diǎn)處的位移幅度，并使用 FFT 將其轉(zhuǎn)換為頻域。圖 8 顯示，微型鉆頭在 1973 Hz 的頻率下表現(xiàn)出最高的振動(dòng)。此外，通過僅向微型鉆頭施加扭矩和軸向載荷來執(zhí)行靈敏度分析。這些分析還證實(shí)，最高 FFT 位移幅度再次導(dǎo)致頻率為 1973 Hz。此外，使用不同大小的扭矩和軸向載荷運(yùn)行更多分析，其中最高 FFT 位移大小再次導(dǎo)致頻率為 1973 Hz。因此，等式中使用了 1973 Hz 的自然/顫振頻率。 (5) 定義微鉆穩(wěn)定瓣中間的主軸頻率。在這項(xiàng)研究中，在 337.8 Hz 或 20,260 rpm 的主軸速度下計(jì)算的葉 2 中間的主軸頻率用于驗(yàn)證 SPF 方法。 

圖 8. 直徑為 100 μm、刃長(zhǎng)為 1.3 mm 的微型鉆頭的固有頻率

在使用 SEM 檢查來自同一供應(yīng)商的多個(gè)微型鉆頭后，選擇兩個(gè)微型鉆頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性鉆孔試驗(yàn)。選擇邊緣半徑為 0.8 ± 0.03 μm 的兩個(gè)微型鉆頭用于驗(yàn)證 SPF 方法。實(shí)驗(yàn)軌跡在 KERN EVO 加工中心上進(jìn)行，定位精度為 1 μm。使用干鉆條件而不使用流體來排出去除的材料。兩種微型鉆頭都使用 1.2 μm/槽的進(jìn)給率。通過 SPF 方法計(jì)算出的 20,260 rpm 主軸速度用于第一個(gè)微型鉆頭的試驗(yàn)，進(jìn)給速度為 48.6 毫米/分鐘。主軸轉(zhuǎn)速為 25,550 rpm，進(jìn)給速率為 61.3 毫米/分鐘，用于第二次微鉆的軌跡。在進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)之前，兩種微型鉆頭的跳動(dòng)量均已測(cè)量并控制在 0.5 微米以下。通過每次試驗(yàn)將孔深增加 25 μm 來逐步執(zhí)行軌跡。據(jù)觀察，第一次和第二次微鉆的微鉆分別在 300 μm 和 225 μm 孔深處斷裂。這表明 SPF 方法定義的鉆井參數(shù)導(dǎo)致縱橫比高出 27%。觀察到兩種工具的破損位置都在工件表面的水平上。表 3 顯示了在保持螺旋節(jié)距相同的情況下，五種不同長(zhǎng)度的 FE 預(yù)測(cè)固有頻率。結(jié)果表明，隨著凹槽長(zhǎng)度的增加，固有頻率降低。這表明具有較長(zhǎng)凹槽的微型鉆必須使用較低的主軸速度。例如，2.3 mm 刃長(zhǎng)的微型鉆頭第一穩(wěn)定波瓣中??間的主軸轉(zhuǎn)速為 5875 rpm。

表 3. 有限元預(yù)測(cè)不同長(zhǎng)度的長(zhǎng)笛的固有頻率。 

切削速度為 106 mm/s，代表微鉆尖的切削速度，主軸轉(zhuǎn)速為 20,260 rpm，直徑為 100 μm，應(yīng)用于正交切削有限元模型的切削刀具。 模擬的未切削切屑厚度為 1.2 μm，而邊緣半徑為 0.8 μm。 圖 9 顯示了刀具與 Macor 工件接觸后的溫度場(chǎng)。 可以看出，微裂紋擴(kuò)展，切削溫度為37°。 這表明由于微裂紋的產(chǎn)生和傳播，Macor 材料在顆粒中被去除。 這些結(jié)果表明在孔的鉆孔表面上可能出現(xiàn)微裂紋，由于降低疲勞壽命，這是不希望的。 因此，實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)中的鉆孔已經(jīng)用 SEM 進(jìn)行了檢查，在鉆孔表面上沒有觀察到微裂紋。 這可以用圖 9 解釋，其中微裂紋出現(xiàn)在前刀面。 

圖 9. Macor 切割機(jī)制的有限元預(yù)測(cè)。 
根據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和建模分析，采用 SPF 方法（主軸轉(zhuǎn)速 20,260 rpm，進(jìn)給速度 48.6 mm/min）確定的微鉆孔參數(shù)用于加工 1 mm 深度的孔。鉆孔是在 KERN EVO 加工中心上逐步完成的。鉆孔分 10 步完成，其中每步達(dá)到 100 微米的深度。此外，鉆孔是用空氣沖洗進(jìn)行的，以從孔中排出去除的顆粒。