微孔零件广泛地应用在航空航天、船舶、动力、微电子等国家重要行业,如航空航天惯性陀螺的仪表元件、涡轮发动机叶片的气膜冷却孔和印刷电路板等。这些微孔零件多为耐腐蚀、高强度的不锈钢等难加工材料。传统钻削过程极易出现断屑排屑困难、刀具过早折断和制孔质量差等问题。因此本文提出超声空化与超声振动复合微细钻削方法,优化难加工材料的微细钻削性能。通过理论、仿真与实验结合的方法对304不锈钢微细钻削过程进行研究,从切屑形貌、微孔质量和刀具磨损等方面分析复合钻削机理,阐明材料去除机制和断屑排屑机理。主要研究内容如下:(1)对304不锈钢超声振动微细钻削过程进行研究。首先分析了超声振动钻削运动学特性。建立了钻削有限元仿真模型,发现超声振动钻削的切屑卷曲变形大,切屑容易达到材料的临界断裂应变实现断屑。超声振动钻削改善了刀具横刃的切削状况,显著降低了钻削力。钻削实验结果表明超声振动钻削的切屑碎小,容易排出微孔。超声振动钻削的切屑挤压变形小,切屑排出顺畅。超声振动钻削的微孔横刃轨迹近似圆形,且孔口毛刺小。与普通钻削相比,超声振动钻削力下降了5.2%。(2)对304不锈钢超声空化微细钻削过程进行研究。分析了超声空化的发生条件、影响因素和作用机理,计算结果显示空泡溃灭微射流速度达380m/s,水锤压力达570MPa,冲击波强度达424MPa。通过高速摄像机观察到超声辐射端面形成锥型空化结构,其范围能够达到10mm以上,孔底出现了聚集的空化泡群。此外,实验结果表明超声空化钻削明显减少了刀具粘屑。与普通钻削相比,超声空化钻削使孔径误差降低了8.5%～15.6%,圆度误差降低了20.0%～37.8%,孔壁粗糙度降低了12.7%～18.6%。(3)对304不锈钢超声空化与超声振动复合微细钻削过程进行研究。通过普通钻削、超声振动钻削、超声空化钻削与复合钻削的对比实验发现,普通钻屑长度大于10mm,超声振动钻屑约为6mm,超声空化钻削和复合钻削是零碎切屑,切屑长度为几十至几百μm。普通钻削力>超声振动钻削力>超声空化钻削>复合钻削力,复合钻削降低了钻削力,提高了刀具寿命。复合钻削微孔入口圆度误差最小并且毛刺小。