激光(guāng)加工微小孔内表面粗糙度的(de)測量

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摘 要：采用(yòng)激光(guāng)打孔方法分(fēn)别加工出直徑爲0.2mm、0.25mm和(hé)0.3mm的(de)微小孔，應用(yòng)剖分(fēn)法直接接觸式測量得(de)到所加工微小孔的(de)内表面粗糙度，并使用(yòng)反射式顯微鏡進一步直接觀察驗證。該測量結果可(kě)用(yòng)于熔融快(kuài)速原型機噴頭的(de)微小孔内表面粗糙度的(de)确定，也(yě)可(kě)用(yòng)于研究紡絲機、噴墨打印機等類似微小孔時參考。 關鍵詞：微小孔，粗糙度，激光(guāng)加工，熔融沉積造型 1 引言 微小孔的(de)加工一直是機械制造中的(de)一個難點，圍繞這個問題研究人(rén)員進行了(le)大(dà)量研究。目前可(kě)用(yòng)于加工微小孔的(de)方法有：機械加工、激光(guāng)加工、電火花加工、超聲加工、電子束加工及複合加工等[1]。有關各種方法可(kě)加工的(de)微小孔直徑範圍已有較多(duō)的(de)報道，而對于加工所得(de)微小孔側壁粗糙度的(de)研究卻比較少。随著(zhe)科學技術的(de)發展和(hé)尖端産品的(de)日益精密化(huà)、集成化(huà)和(hé)微型化(huà)，微小孔越來越廣泛地應用(yòng)于汽車、電子、光(guāng)纖通(tōng)訊和(hé)流體控制等領域，這些應用(yòng)對微小孔的(de)加工也(yě)提出了(le)更高(gāo)的(de)要求。例如，熔融沉積快(kuài)速原型機所用(yòng)噴頭是一個高(gāo)精度微小孔，不僅要求孔徑大(dà)小準确，而且要求孔壁光(guāng)滑，有利于熔體擠出以及擠出時微小孔流體阻力的(de)準确控制。本文通(tōng)過對可(kě)用(yòng)于快(kuài)速原型機噴頭的(de)微小孔側壁粗糙度進行測量，進一步研究該微小孔粗糙度對熔融沉積快(kuài)速原型機所用(yòng)噴頭工作質量的(de)影(yǐng)響。本研究結果還可(kě)對紡絲、噴墨打印機等其他(tā)行業中類似微小孔表面粗糙度的(de)研究提供參考。 快(kuài)速原型(RP)技術是20世紀80年代末出現的(de)一種先進制造技術[2]。采用(yòng)快(kuài)速原型技術可(kě)以對産品設計進行快(kuài)速評價和(hé)修改，以及時響應市場需求，提高(gāo)企業的(de)競争能力。熔融沉積造型(Fused Deposition modeling，FDm)作爲一種快(kuài)速原型制造工藝，是指采用(yòng)熱熔噴頭将處于半流動狀态的(de)材料按CAD分(fēn)層數據控制的(de)路徑逐層擠出，堆積、凝固後形成整個原型或零件[3]。常見的(de)用(yòng)于FDm的(de)噴頭口型直徑約爲0.2mm，屬微小孔範圍。目前如此微小的(de)孔可(kě)以使用(yòng)電火花、高(gāo)速鑽削以及激光(guāng)等方法加工。激光(guāng)加工工藝近年來發展較快(kuài)，現在已經可(kě)以用(yòng)激光(guāng)在紅、藍寶石上加工直徑爲0.3mm、深徑比爲50：1的(de)微小孔[4]；也(yě)可(kě)以利用(yòng)聚焦極細的(de)激光(guāng)束方便地鑽出直徑爲0.1～0.3mm的(de)微小孔[5]。考慮到微小孔激光(guāng)加工工藝的(de)的(de)優點及其應用(yòng)日益增加的(de)趨勢，本文著(zhe)重研究采用(yòng)激光(guāng)加工的(de)微小孔内表面粗糙度的(de)測量。 2 測量實驗 (1)被測微小孔的(de)确定 被測微小孔孔深爲4mm；孔徑分(fēn)别爲0.2mm、0.25mm和(hé)0.3mm；實驗中每種直徑的(de)微小孔各加工3個。 (2)測量方法 對于孔深小于1mm的(de)通(tōng)孔，可(kě)以借助放大(dà)鏡比較粗略地觀察該孔内壁的(de)粗糙度。本研究采用(yòng)反射式顯微鏡直接觀察孔口内表面情況，作爲實測粗糙度試驗的(de)對照(zhào)。對于孔深達4mm的(de)微小孔内壁粗糙度，顯然無法用(yòng)此方法準确測量。由于所測量的(de)微小孔孔徑較小，可(kě)控光(guāng)源無法準确地深入孔内，故無法用(yòng)光(guāng)幹涉原理(lǐ)的(de)方法測量。若采用(yòng)直接接觸式測量方法，雖然探頭直徑比微小孔内徑小，但與其連接的(de)後續部分(fēn)太大(dà)，使得(de)探頭無法深入微小孔内部進行直接測量。因此，筆者對微小孔采用(yòng)剖分(fēn)法，并用(yòng)錐度爲60°的(de)輪廓儀對剖分(fēn)後外露的(de)微小孔内表面進行直接測量，以取得(de)準确數據。 微小孔的(de)剖分(fēn)加工有兩種方法：一種是微小孔加工後再剖切，另一種是在緊密結合的(de)兩塊光(guāng)滑平闆上沿結合縫打孔。由于孔徑微小，加工後剖切應屬薄闆切割。此時爲取得(de)較高(gāo)切割精度應使用(yòng)激光(guāng)切割。但由于切割光(guāng)斑直徑較大(dà)(如薄闆厚爲5mm、要求切割速度爲1.5m/min時，光(guāng)斑直徑爲0.2mm[6])，與所加工的(de)微小孔直徑接近，切割後所剩餘的(de)微小孔内表面太小，難以進行粗糙度測量；同時，爲了(le)保護微小孔内壁在剖切時不受飛濺物(wù)的(de)影(yǐng)響，通(tōng)常在剖切前向微小孔内先注入蠟等物(wù)質以保護孔内壁，但此時保護物(wù)對微小孔内壁粗糙度測量結果的(de)影(yǐng)響無法評估，因此采用(yòng)這種剖切加工工藝時需非常慎重，以避免測量的(de)困難。鑒于上述原因，本試驗采取第二種微小孔加工方法：加工好兩塊平闆，将它們合緊後沿兩闆的(de)接觸面打騎縫孔，然後把兩平闆分(fēn)開，直接測量暴露在外的(de)微小孔内表面。采用(yòng)這種方法測得(de)的(de)微小孔内壁的(de)粗糙度能準确地反映微小孔内表面的(de)實際加工情況。 鑽孔時，兩平闆全長采用(yòng)平口鉗夾緊，以避免激光(guāng)打孔時平闆彎曲或受力不均勻。在激光(guāng)打孔裝置上設有放大(dà)倍數爲57倍的(de)顯微放大(dà)裝置，可(kě)以較清晰地觀察兩平闆的(de)接觸面，故可(kě)較好的(de)保證激光(guāng)光(guāng)束與平闆接觸面的(de)相對位置并保證沿接觸面打騎縫孔。平闆接觸面和(hé)加工工作台的(de)垂直度可(kě)通(tōng)過調整來保證。 (3)實驗試件及設備 激光(guāng)打孔機型号爲JD—50，其激光(guāng)器電壓爲1000V，激光(guāng)脈沖寬度爲300μs、激光(guāng)波長爲1.06μm；測試平闆材料爲45号鋼，其磨削接觸面表面粗糙度爲3.2μm。激光(guāng)打孔後的(de)1#試驗平闆如圖1所示。分(fēn)别加工有孔徑爲0.2mm、0.25mm和(hé)0.3mm的(de)微小孔各3個的(de)兩塊測試平闆，測量儀器爲英國産Talysurf6型粗糙度測量儀，觸針半徑2μm，觸針壓力1mN，從托架左端起向右150mm以内直線度爲0.5μm。微小孔孔口狀況和(hé)孔的(de)内表面采用(yòng)放大(dà)倍數爲450倍的(de)反射式顯微鏡觀察。 圖1 1#試驗平闆立體示意圖3 實驗結果與分(fēn)析 3.1 測量結果 分(fēn)别測量激光(guāng)打孔後的(de)兩塊測試平闆上各孔的(de)表面粗糙度，并将測量結果分(fēn)别列入表1和(hé)表2(表中孔徑後括号内的(de)數值爲激光(guāng)打孔的(de)孔号)：3.2 結果分(fēn)析 (1)表面粗糙度的(de)檢測方法通(tōng)常有：比較法、印模法、光(guāng)切法、幹涉法和(hé)針描法，各種方法的(de)适用(yòng)範圍不同，上述方法的(de)适用(yòng)範圍分(fēn)别爲：比較法：Ra50μm～0.2μm；印模法：Ra50μm～3.2μm；光(guāng)切法(用(yòng)光(guāng)切顯微鏡)：Ra50μm～3.2μm；幹涉法(用(yòng)幹涉 顯微鏡)：Ra0.1μm～0.032μm；針描法(用(yòng)輪廓儀)：Ra3.2μm～0.025μm[7]。本研究采用(yòng)針描法測量，所用(yòng)輪廓儀測量範圍爲Ra0.01μm～20μm。根據最後的(de)測量結果可(kě)知(見表1、表2)，所測得(de)的(de)全部Ra數據都落在本實驗所選輪廓儀的(de)測量範圍之内，且其中有83%的(de)數據落在Ra3.2μm～0.025μm範圍内，由此可(kě)見本實驗選用(yòng)針描法測量及所選項輪廓儀的(de)量程是适當的(de)。 (2)依照(zhào)國家标準GB10610—1998，可(kě)知判定被檢表面是否符合技術要求的(de)可(kě)靠性以及由同一表面獲得(de)的(de)表面粗糙度參數平均值的(de)精度，取決于評定長度内的(de)取樣長度個數和(hé)評定尺度的(de)個數。最小的(de)評定長度等于取樣長度。 本文所取的(de)評定長度爲0.25mm，評定方向沿微小孔軸線方向。按下(xià)式計算(suàn)可(kě)得(de)表面粗糙度參數的(de)平均值：式中 k———評定長度的(de)個數 Rj———每個取樣長度内确定的(de)表面粗糙度參數值 N———1個評定長度内的(de)取樣長度個數 以4号孔爲例，分(fēn)别測得(de)1#闆4号孔各個取樣長度内的(de)表面粗糙度值Ra爲1.78μm、1.58μm、1.59μm、1.38μm和(hé)1.63μm，将各值代入式(1)，将計算(suàn)結果(1.59μm)列入表3。同理(lǐ)對1#闆和(hé)2#闆的(de)其它孔進行測量和(hé)計算(suàn)，将結果列入表3。根據研究資料顯示，采用(yòng)激光(guāng)加工獲得(de)的(de)加工表面粗糙度Ra爲1.6～0.4μm[8]。由表3可(kě)見：本實驗測試的(de)粗糙度參數的(de)平均值約在3.2以内，此數值對應的(de)加工表面特征爲微見加工痕迹[7]，這與用(yòng)反射式顯微鏡觀察的(de)結果基本吻合。 由于激光(guāng)加工的(de)微小孔直徑大(dà)于0.5mm時，考慮到加工效率應使用(yòng)套孔法進行，因此本實驗中微小孔的(de)直徑接近于激光(guāng)一次加工成型孔徑的(de)較大(dà)值。 考慮到粗糙度測量時對取樣個數的(de)要求，本實驗中的(de)微小孔深徑比最大(dà)達到20。而在實際應用(yòng)中，由于孔深對流經微小孔的(de)流體流動阻力影(yǐng)響很大(dà)，因此諸如熔融沉積快(kuài)速原型機所用(yòng)噴頭之類微小孔的(de)深徑比很少會達到本實驗的(de)數值。在加工直徑相同而深徑比較小的(de)微小孔時，因所需穿透力較小，可(kě)以使用(yòng)直徑更小的(de)光(guāng)斑進行加工，所以加工精度将更高(gāo)。因此，在一般情況下(xià)激光(guāng)加工相近直徑微小孔時，本實驗所獲結果可(kě)以作爲孔側壁表面粗糙度可(kě)達到的(de)範圍。 (3)激光(guāng)加工在局部可(kě)以達到較好的(de)粗糙度精度。由表1可(kě)見，對1#闆6号孔所測得(de)的(de)Ra顯示了(le)該孔較好的(de)粗糙度精度。由圖2顯示的(de)1#闆4号孔的(de)局部連續粗糙度測量結果可(kě)以看到，在選定的(de)1.9mm範圍内Ry的(de)峰值爲13.6μm且該粗糙度曲線波動幅度不大(dà)，與所測該孔Ry結果8.1、10.9、10.8、10.7、8.8吻合； 圖2 粗糙度曲線圖使用(yòng)放大(dà)倍數爲450倍的(de)反射式顯微鏡對兩平闆在激光(guāng)打孔入口處以及微小孔剖分(fēn)平面進行觀察，在計算(suàn)機顯示屏上得(de)到微小孔内表面的(de)直觀圖像(圖3爲對2#闆7号孔的(de)觀察圖像)。結果顯示，在用(yòng)激光(guāng)直接加工微小孔時，絕大(dà)多(duō)數表面的(de)粗糙程度是均勻的(de)，數值是接近的(de)。對個别地方出現的(de)局部異常，其形成原因需進一步研究，并尋找解決和(hé)避免的(de)辦法。 圖3 反射式顯微鏡觀察結果(4)由于激光(guāng)加工蝕除材料的(de)原理(lǐ)是将激光(guāng)通(tōng)過光(guāng)學系統聚焦成一個極小的(de)光(guāng)斑，從而獲得(de)極高(gāo)的(de)能量密度和(hé)極高(gāo)的(de)溫度，導緻材料被瞬時急劇熔化(huà)和(hé)氣化(huà)，在工件表面形成凹坑，與此同時，熔化(huà)物(wù)在氣化(huà)所産生的(de)金屬蒸氣壓力推動下(xià)以很高(gāo)的(de)速度噴射出來。這一加工機理(lǐ)使得(de)難以确定在微小孔的(de)何處将出現粗糙度最大(dà)值。實驗結果亦證實了(le)此點。實驗結果同時顯示粗糙度的(de)最小值未出現在激光(guāng)打孔時的(de)入口處。筆者認爲，加工中的(de)孔口處成爲後序加工時被熔化(huà)和(hé)氣化(huà)的(de)金屬排出微小孔的(de)通(tōng)路，這些被蝕除的(de)材料顯然要影(yǐng)響孔口處的(de)粗糙狀況，故該處的(de)粗糙度數值不可(kě)能最? ? (5)本實驗同時還測量了(le)Ry，結果顯示：Ry的(de)極大(dà)值和(hé)極小值基本出現在對應的(de)Ra處。 4 結論 (1)使用(yòng)剖分(fēn)法可(kě)以直接測量激光(guāng)加工微小孔側壁的(de)表面粗糙度，該粗糙度宜采用(yòng)輪廓儀測量。 (2)本實驗所得(de)激光(guāng)加工微小孔側壁的(de)粗糙度數值約在3.2以内，此數值可(kě)以作爲一般情況下(xià)激光(guāng)加工相近直徑微小孔側壁所能保證的(de)粗糙度範圍。 (3)在采用(yòng)激光(guāng)加工微小孔時，孔内絕大(dà)多(duō)數内表面的(de)粗糙程度均勻，個别地方局部異常的(de)産生原因及出現位置尚需進一步研究。 (4)孔内表面粗糙度最大(dà)值的(de)位置難以确定，而最小值未出現在激光(guāng)打孔時的(de)入口處。 (5)Rｙ的(de)極值基本出現在對應的(de)Rａ處。 參考文獻 1楊兆軍，王勳龍.微小孔鑽削加工的(de)難點及其技術對策.機械工程師，1997(5)：15～16 2顔永年，張人(rén)佶，盧清萍，曾光(guāng).基于RP的(de)早期、多(duō)回路反饋模具快(kuài)速制造系統.中國機械工程，1999，10(9)：994～997 3王秀峰，羅紅傑.快(kuài)速原形制造技術.中國輕工出版社，2001 4孔慶華.特種加工.同濟大(dà)學出版社，1997 5晏緒光(guāng)，高(gāo)文彬，楊水(shuǐ)其，裘明(míng)信.激光(guāng)精密微孔加工技術及其在電子工業中的(de)應用(yòng).杭州電子工業學院學報，1994，14(3)：4～10 6梁桂芳.切割技術手冊.機械工業出版社，1997 7周富臣，周鵬飛，張改.機械制造計量檢測技術手冊.機械工業出版社，1999 8司乃軍.機械加工工藝基礎.高(gāo)等教育出版社，2001第一作者：闫東升，碩士研究生，北(běi)京化(huà)工大(dà)學機電工程學院，100029北(běi)京市。