Macor陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（一）

    本文提出了一種稱為主軸峰值頻率 (SPF) 的新方法，用于確定穩定的微鉆孔參數。 新穎之處在于該方法不需要力模型、工件的材料行為、模態剛度和鉆孔工具的阻尼。 唯一需要的參數是鉆具的固有頻率，它是通過模態動態有限元分析 (FEA) 獲得的。 獲得 Macor陶瓷的 Johnson-Cook 材料模型的材料常數，并將其實施到正交切割的有限元模型中，以研究切割機制。 結果表明，Macor 的切割機制是通過微裂紋的萌生和擴展來實現的。 最后，已開發的研究方法已用于制造掃描液滴系統的 Macor 噴嘴，其中成功鉆出直徑為 100 μm 和縱橫比為 10 的孔，將分辨率提
高了 5 倍。 

     Micro-drillingSPF方法MacorDrilling parameters的材料建模微鉆的動力學掃描液滴系統（SDSs）掃描液滴單元（SDC）

一、簡介
     鉆孔工藝廣泛用于在宏觀和微觀尺度上在不同結構和材料上鉆孔。鉆孔工具可以被視為旋轉的、柔性的和預扭曲的梁，在其自由端帶有切割唇，材料被剪切掉以產生孔。微觀和宏觀尺度鉆孔工藝的典型要求是在嚴格公差范圍內鉆孔，避免形成毛刺或碎屑，取決于材料是韌性還是脆性，實現高表面質量和表面完整性，減少刀具磨損，避免刀具振動和刀具破損。宏觀鉆孔和微型鉆孔之間的區別之一是鉆孔工具的尺寸，如 Egashira 等人報道的那樣，可以使用直徑為 10 μm 的商用微型鉆頭 (2011)。此外，他們使用放電加工制造了直徑為 3 μm 的微型鉆頭。工具直徑的減小會導致工具剛度的降低，也會影響模態質量、阻尼和固有頻率等模態動態參數。與宏觀鉆頭相比，微型鉆頭可以振動更小的切削深度和更低的進給率。因此，必須通過選擇最佳鉆孔參數來避免刀具振動。

     宏觀鉆孔和微觀鉆孔之間的另一個根本區別是切割過程的力學。微尺度切削過程是在非常小的未切削切屑厚度（每齒進給率）下實現的，其大小接近切削刀具邊緣半徑。例如，硬質合金刀具的刀刃半徑可以小于 1 μm，金剛石刀具的刀刃半徑可以小于 100 nm。此外，微觀尺度的機械切割經歷了犁耕和剪切切割制度。當未切削切屑厚度與刀具刃口半徑之比不足以形成切屑時，會觀察到刨削現象。刨削和剪切切削現象之間的邊界被稱為最小切屑厚度。犁耕是不可取的，因為它會導致毛刺形成和較差的表面質量。因此，必須避免犁地，并且必須優化切割參數。此外
，Vollertsen 等人 (2009) 報告說，由于材料強化，微切削的尺寸效應會增加切削力和比能，其中切削是通過材料的晶粒實現的。

     許多研究人員付出了很多努力來了解微鉆孔過程的不同方面。其中一個方面是跳動，它會影響鉆孔的公差和導致刀具破損的切削力。渡邊等人。 (2008) 使用直徑為 100 μm 的鉆頭以 5000s-1 的轉速通過實驗檢驗了鉆頭徑向跳動與孔質量之間的相關性。已經得出結論，徑向跳動對鉆頭磨損和孔質量不敏感，因為在鉆頭和被研究工件之間的接觸區域發生向心作用。

      微鉆孔的其他方面包括切屑形態、材料排空、不良毛刺形成和應用潤滑。鄭等人(2012) 使用直徑為 100 μm 的微型鉆頭以高達 300,000 rpm 的主軸速度對印刷電路板進行鉆孔。已經發現，切屑和孔壁表面的形態取決于材料特性。切屑通常是由鋁制入口板和銅箔形成的錐形和螺旋切屑，以及由玻璃纖維和軟化樹脂形成的不連續切屑。此外，切屑形態和孔質量受到進給率、主軸轉速和刀具磨損的影響。南等人 (2011) 使用空氣潤滑、純最小量潤滑 (MQL) 和納米流體 MQL 進行了一系列微鉆孔實驗。對于納米流體 MQL，直徑為 30 nm 的納米金剛石顆粒已與石蠟和植物油的基礎流體一起使用。對于微鉆孔工藝，直徑為 200 μm 的無涂層硬質合金麻花鉆已用于在鋁 6061 工件上鉆孔。實驗結果表明，納米流體MQL顯著增加了鉆孔數量，降低了鉆孔扭矩和推力。 已經開發了許多方法，包括分析、數值、實驗和監測技術，以避免微鉆制動。

     Kudla (2006) 研究了高速鋼和碳化鎢微型鉆頭在彎曲、扭轉和復雜載荷情況下微型鉆頭的強度。金等人。(2009) 使用啄鉆法并監測推力信號。通過對推力進行時域和頻域分析，引入啄鉆監測參數，避免刀具破損，延長刀具壽命。楊等人。 (2008) 開發了一個使用模糊神經網絡規則的微鉆在線監測系統。神經網絡已通過從主軸電機三相電流中實時獲取的采樣數據進行訓練。實驗結果表明，對于正確定義的閾值，可以防止微鉆破損。 Zdebski (2012) 通過參考斷裂應力預測最大應力和刀具失效，模擬了微型切削刀具的斷裂。這種方法已經確定了可以應用于不同微型工具設計的最大力。（未完待續）