Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes

JIANG Kaining; WANG Jiaxun; ZHANG Yuan; XU Feifei; LIU Wenhao; DONG Zhigang

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.010

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Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes

更新时间：2025-09-22

- Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 9, Pages: 113-121(2025)
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，大连 116024
  2.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳 621900
- 作者简介：
  
  DONG Zhigang, E-mail: dongzg@dlut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52405517;52475498)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.010
  CLC：
- Received：16 June 2025，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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蒋凯宁，王佳勋，张园，等. 超声振动辅助钻削HR-2抗氢钢深小孔刀具磨损与表面质量研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：113-121.

JIANG Kaining，WANG Jiaxun，ZHANG Yuan，et al. Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：113-121.
蒋凯宁，王佳勋，张园，等. 超声振动辅助钻削HR-2抗氢钢深小孔刀具磨损与表面质量研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：113-121. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.010.

JIANG Kaining，WANG Jiaxun，ZHANG Yuan，et al. Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：113-121. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.010.

摘要

针对HR-2抗氢钢深小孔钻削加工中表面质量降低、麻花钻磨损严重的问题，通过热力耦合有限元仿真与深小孔钻削试验相结合的方法，研究深小孔加工中刀具磨损、钻削温度和加工表面质量的变化趋势，对比超声振动辅助钻削（Ultrasonic Vibration Assisted Drilling

UVAD）和常规钻削（Conventional Drilling

CD）2种加工方式，分析超声振动对表面质量差、刀具磨损严重等问题的改善作用。结果表明，随着钻削深度增大，刀具横刃和切削刃热量积累显著增大，逐渐发生涂层剥落、刃口钝化、崩刃等问题，同时，加工孔表面切削热累积导致温度升高，加工表面出现材料涂抹、碎屑黏附、斜向划擦等问题，使表面质量下降和表面粗糙度增大。UVAD相较于CD，有效降低了钻削温度，有助于减少刀具磨损，保持切削刃的完整性，同时降低了加工表面粗糙度，最终提高了加工表面质量。

Abstract

In response to the problems of reduced surface quality and severe twist drill wear in HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes drilling

integrated thermal coupling finite element simulation with experimental investigations of deep small holes drilling to analyze the variations in tool wear

drilling temperature

and the quality of the machined surface during the process of machining deep small holes. The improvement effect of introducing ultrasonic vibration on poor surface quality and severe tool drilling wear was analyzed by comparing ultrasonic vibration assisted drilling (UVAD) and conventional drilling (CD). The results show that as the drilling depth increases

the heat accumulation of the tool's transverse and cutting edges significantly increases

gradually leading to problems such as coating peeling

edge passivation and chipping. Concurrently

the accumulation of cutting heat on the surface of the machined hole causes temperature rise

resulting in material coating

debris adhesion

oblique scratching and other problems on the machined surface

resulting in a deterioration of surface quality and an elevation in surface roughness. Compared to CD

the UVAD effectively reduces drilling temperature

helps to reduce tool wear and maintain cutting edge integrity

while suppressing the increase in surface roughness during machining

ultimately improving surface quality.

关键词

Keywords

references

常艳红 . 氘对HR2抗氢钢室温力学性能和组织结构的影响［D］. 绵阳：中国工程物理研究院， 2011 ： 1 - 2 .

CHANG Yanhong . The effect of deuterium on the room temperature mechanical properties and microstructure of HR2 hydrogen resistant steel ［D］. Mianyang ： Chinese Academy of Engineering Physics ， 2011 ： 1 - 2 . （In Chinese）

余芬，崔乃葳，何振鹏，等 . 碳纤维复合材料层合板钻削后拉伸剩余强度研究［J］. 机械强度， 2024 ， 46 （ 3 ）： 588 - 594 .

YU Fen ， CUI Naiwei ， HE Zhenpeng ， et al . Study on residual tensile strength of carbon fiber composite laminates after drilling ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 3 ）： 588 - 594 . （In Chinese）

王昕 . 振动钻削新钻削力模型及定、变参数振动钻削的研究［D］. 长春：吉林大学， 2004 ： 39 - 58 .

WANG Xin . Study on new drilling force model of vibration drilling and vibration drilling with invariable parameter and variable parameter ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2004 ： 39 - 58 . （In Chinese）

CHANG S S F ， BONE G M . Thrust force model for vibration-assisted drilling of aluminum 6061-T6 ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2009 ， 49 （ 14 ）： 1070 - 1076 .

ULLEN N B . Characterization of machinability of sintered steel foams having different porosities during drilling operations ［J］. Machining Science and Technology ， 2021 ， 25 （ 4 ）： 527 - 557 .

WANG Y S ， ZOU B ， YIN G G . Wear mechanisms of Ti（C7N3）- based cermet micro-drill and machining quality during ultra-high speed micro-drilling multi-layered PCB consisting of copper foil and glass fiber reinforced plastics ［J］. Ceramics International ， 2019 ， 45 （ 18 ）： 24578 - 24593 .

LI R ， HEGDE P ， SHIH A J . High-throughput drilling of titanium alloys ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2007 ， 47 （ 1 ）： 63 - 74 .

JAYAL A D ， BALAJI A K ， SESEK R ， et al . Machining performance and health effects of cutting fluid application in drilling of A390.0 cast aluminum alloy ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2007 ， 9 （ 2 ）： 137 - 146 .

SUN Y W ， CHEN J Z ， LIU J . Investigation into hydrogen diffusion and susceptibility of hydrogen embrittlement of high strength 0Cr 16 Ni 5 Mo steel ［J］. Journal of Iron and Steel Research ，Internat ional， 2015 ， 22 （ 10 ）： 961 - 968 .

LI X F ， ZHANG J ， SHEN S C ， et al . Effect of tempering temperature and inclusions on hydrogen-assisted fracture behaviors of a low alloy steel ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2017 ， 682 ： 359 - 369 .

SUN Z F ， GENG D X ， GUO H L ， et al . Introducing transversal vibration in twist drilling：material removal mechanisms and surface integrity ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 325 ： 118296 .

THIRUMALAI KUMARAN S ， KO T J ， LI C P ， et al . Rotary ultrasonic machining of woven CFRP composite in a cryogenic environment ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 698 ： 984 - 993 .

张园，康仁科，刘津廷，等 . 超声振动辅助钻削技术综述［J］. 机械工程学报， 2017 ， 53 （ 19 ）： 33 - 44 .

ZHANG Yuan ， KANG Renke ， LIU Jinting ， et al . Review of ultrasonic vibration assisted drilling ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2017 ， 53 （ 19 ）： 33 - 44 . （In Chinese）

隗雨欣，宋洪侠，张园，等 . 超声辅助钻削1J22软磁合金表面完整性研究［J］. 机械工程学报， 2025 ， 61 （ 1 ）： 345 - 359 .

WEI Yuxin ， SONG Hongxia ， ZHANG Yuan ， et al . Surface integrity of ultrasonic assisted drilling soft magnetic alloy 1J22 ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2025 ， 61 （ 1 ）： 345 - 359 . （In Chinese）

LIAO Y S ， CHEN Y C ， LIN H M . Feasibility study of the ultrasonic vibration assisted drilling of Inconel superalloy ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2007 ， 47 （ 12/13 ）： 1988 - 1996 .

王春浩，李鹏南，邱新义，等 . 纵扭超声辅助钻削CFRP/TC4叠层结构的轴向力理论建模［J］. 机械工程学报， 2025 ， 61 （ 7 ）： 210 - 219 .

WANG Chunhao ， LI Pengnan ， QIU Xinyi ， et al . Predicon of thrust force of CFRP/TC4 stacks structures in longitudinal torsional ultrasonic assisted drilling ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2025 ， 61 （ 7 ）： 210 - 219 . （In Chinese）

孙婷，解丽静，姜佳明，等 . C f /SiC复合材料超声振动辅助小孔钻削试验研究［J］. 工具技术， 2025 ， 59 （ 6 ）： 28 - 33 .

SUN Ting ， XIE Lijing ， JIANG Jiaming ， et al . Experimental study on ultrasonic vibration assisted small hole drilling of C f /SiC composites ［J］. Tool Engineering ， 2025 ， 59 （ 6 ）： 28 - 33 . （In Chinese）

闫帆 . SiCp/Al复合材料超声辅助钻削研究［D］. 太原：太原科技大学， 2024 ： 19 - 28 .

YAN Fan . Research on ultrasonic assisted drilling of SiCp/Al composites ［D］. Taiyuan ： Taiyuan University of Science and Technology ， 2024 ： 19 - 28 . （In Chinese）

MATHEW N T ， VIJAYARAGHAVAN L . High-throughput dry drilling of titanium aluminide ［J］. Materials and Manufacturing Processes ， 2017 ， 32 （ 2 ）： 199 - 208 .

李辉，高峰，李艳 . 硬质合金钻头绿色钻削镍基高温合金的试验研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 1 ）： 76 - 83 .

LI Hui ， GAO Feng ， LI Yan . Experimental study on green drilling nickel-base superalloy with carbide bit ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 1 ）： 76 - 83 . （In Chinese）

EL-KHABEERY M M ， SALEH S M ， RAMADAN M R . Some observations of surface integrity of deep drilling holes ［J］. Wear ， 1991 ， 142 （ 2 ）： 331 - 349 .

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