激光加工微小孔内表面粗糙度的测量 - 文章

激光加工微小孔内表面粗糙度的测量

作者：北京化工大学闫东升曹志清韩可赵军

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摘　要：采用激光打孔方法分别加工出直径为0.2mm、0.25mm和0.3mm的微小孔，应用剖分法直接接触式测量得到所加工微小孔的内表面粗糙度，并使用反射式显微镜进一步直接观察验证。该测量结果可用于熔融快速原型机喷头的微小孔内表面粗糙度的确定，也可用于研究纺丝机、喷墨打印机等类似微小孔时参考。
关键词：微小孔，粗糙度，激光加工，熔融沉积造型

1　引言

微小孔的加工一直是机械制造中的一个难点，围绕这个问题研究人员进行了大量研究。目前可用于加工微小孔的方法有：机械加工、激光加工、电火花加工、超声加工、电子束加工及复合加工等[1]。有关各种方法可加工的微小孔直径范围已有较多的报道，而对于加工所得微小孔侧壁粗糙度的研究却比较少。随着科学技术的发展和尖端产品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔越来越广泛地应用于汽车、电子、光纤通讯和流体控制等领域，这些应用对微小孔的加工也提出了更高的要求。例如，熔融沉积快速原型机所用喷头是一个高精度微小孔，不仅要求孔径大小准确，而且要求孔壁光滑，有利于熔体挤出以及挤出时微小孔流体阻力的准确控制。本文通过对可用于快速原型机喷头的微小孔侧壁粗糙度进行测量，进一步研究该微小孔粗糙度对熔融沉积快速原型机所用喷头工作质量的影响。本研究结果还可对纺丝、喷墨打印机等其他行业中类似微小孔表面粗糙度的研究提供参考。

快速原型(RP)技术是20世纪80年代末出现的一种先进制造技术[2]。采用快速原型技术可以对产品设计进行快速评价和修改，以及时响应市场需求，提高企业的竞争能力。熔融沉积造型(Fused Deposition modeling，FDm)作为一种快速原型制造工艺，是指采用热熔喷头将处于半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径逐层挤出，堆积、凝固后形成整个原型或零件[3]。常见的用于FDm的喷头口型直径约为0.2mm，属微小孔范围。目前如此微小的孔可以使用电火花、高速钻削以及激光等方法加工。激光加工工艺近年来发展较快，现在已经可以用激光在红、蓝宝石上加工直径为0.3mm、深径比为50：1的微小孔[4]；也可以利用聚焦极细的激光束方便地钻出直径为0.1～0.3mm的微小孔[5]。考虑到微小孔激光加工工艺的的优点及其应用日益增加的趋势，本文着重研究采用激光加工的微小孔内表面粗糙度的测量。

2　测量实验

(1)被测微小孔的确定

被测微小孔孔深为4mm；孔径分别为0.2mm、0.25mm和0.3mm；实验中每种直径的微小孔各加工3个。

(2)测量方法

对于孔深小于1mm的通孔，可以借助放大镜比较粗略地观察该孔内壁的粗糙度。本研究采用反射式显微镜直接观察孔口内表面情况，作为实测粗糙度试验的对照。对于孔深达4mm的微小孔内壁粗糙度，显然无法用此方法准确测量。由于所测量的微小孔孔径较小，可控光源无法准确地深入孔内，故无法用光干涉原理的方法测量。若采用直接接触式测量方法，虽然探头直径比微小孔内径小，但与其连接的后续部分太大，使得探头无法深入微小孔内部进行直接测量。因此，笔者对微小孔采用剖分法，并用锥度为60°的轮廓仪对剖分后外露的微小孔内表面进行直接测量，以取得准确数据。

微小孔的剖分加工有两种方法：一种是微小孔加工后再剖切，另一种是在紧密结合的两块光滑平板上沿结合缝打孔。由于孔径微小，加工后剖切应属薄板切割。此时为取得较高切割精度应使用激光切割。但由于切割光斑直径较大(如薄板厚为5mm、要求切割速度为1.5m/min时，光斑直径为0.2mm[6])，与所加工的微小孔直径接近，切割后所剩余的微小孔内表面太小，难以进行粗糙度测量；同时，为了保护微小孔内壁在剖切时不受飞溅物的影响，通常在剖切前向微小孔内先注入蜡等物质以保护孔内壁，但此时保护物对微小孔内壁粗糙度测量结果的影响无法评估，因此采用这种剖切加工工艺时需非常慎重，以避免测量的困难。鉴于上述原因，本试验采取第二种微小孔加工方法：加工好两块平板，将它们合紧后沿两板的接触面打骑缝孔，然后把两平板分开，直接测量暴露在外的微小孔内表面。采用这种方法测得的微小孔内壁的粗糙度能准确地反映微小孔内表面的实际加工情况。

钻孔时，两平板全长采用平口钳夹紧，以避免激光打孔时平板弯曲或受力不均匀。在激光打孔装置上设有放大倍数为57倍的显微放大装置，可以较清晰地观察两平板的接触面，故可较好的保证激光光束与平板接触面的相对位置并保证沿接触面打骑缝孔。平板接触面和加工工作台的垂直度可通过调整来保证。

(3)实验试件及设备

激光打孔机型号为JD—50，其激光器电压为1000V，激光脉冲宽度为300μs、激光波长为1.06μm；测试平板材料为45号钢，其磨削接触面表面粗糙度为3.2μm。激光打孔后的1#试验平板如图1所示。分别加工有孔径为0.2mm、0.25mm和0.3mm的微小孔各3个的两块测试平板，测量仪器为英国产Talysurf6型粗糙度测量仪，触针半径2μm，触针压力1mN，从托架左端起向右150mm以内直线度为0.5μm。微小孔孔口状况和孔的内表面采用放大倍数为450倍的反射式显微镜观察。

图1　1#试验平板立体示意图

3　实验结果与分析

3.1　测量结果

分别测量激光打孔后的两块测试平板上各孔的表面粗糙度，并将测量结果分别列入表1和表2(表中孔径后括号内的数值为激光打孔的孔号)：

3.2　结果分析

(1)表面粗糙度的检测方法通常有：比较法、印模法、光切法、干涉法和针描法，各种方法的适用范围不同，上述方法的适用范围分别为：比较法：Ra50μm～0.2μm；印模法：Ra50μm～3.2μm；光切法(用光切显微镜)：Ra50μm～3.2μm；干涉法(用干涉
显微镜)：Ra0.1μm～0.032μm；针描法(用轮廓仪)：Ra3.2μm～0.025μm[7]。本研究采用针描法测量，所用轮廓仪测量范围为Ra0.01μm～20μm。根据最后的测量结果可知(见表1、表2)，所测得的全部Ra数据都落在本实验所选轮廓仪的测量范围之内，且其中有83%的数据落在Ra3.2μm～0.025μm范围内，由此可见本实验选用针描法测量及所选项轮廓仪的量程是适当的。

(2)依照国家标准GB10610—1998，可知判定被检表面是否符合技术要求的可靠性以及由同一表面获得的表面粗糙度参数平均值的精度，取决于评定长度内的取样长度个数和评定尺度的个数。最小的评定长度等于取样长度。

本文所取的评定长度为0.25mm，评定方向沿微小孔轴线方向。按下式计算可得表面粗糙度参数的平均值：

式中　k———评定长度的个数
Rj———每个取样长度内确定的表面粗糙度参数值
N———1个评定长度内的取样长度个数

以4号孔为例，分别测得1#板4号孔各个取样长度内的表面粗糙度值Ra为1.78μm、1.58μm、1.59μm、1.38μm和1.63μm，将各值代入式(1)，将计算结果(1.59μm)列入表3。同理对1#板和2#板的其它孔进行测量和计算，将结果列入表3。

根据研究资料显示，采用激光加工获得的加工表面粗糙度Ra为1.6～0.4μm[8]。由表3可见：本实验测试的粗糙度参数的平均值约在3.2以内，此数值对应的加工表面特征为微见加工痕迹[7]，这与用反射式显微镜观察的结果基本吻合。

由于激光加工的微小孔直径大于0.5mm时，考虑到加工效率应使用套孔法进行，因此本实验中微小孔的直径接近于激光一次加工成型孔径的较大值。

考虑到粗糙度测量时对取样个数的要求，本实验中的微小孔深径比最大达到20。而在实际应用中，由于孔深对流经微小孔的流体流动阻力影响很大，因此诸如熔融沉积快速原型机所用喷头之类微小孔的深径比很少会达到本实验的数值。在加工直径相同而深径比较小的微小孔时，因所需穿透力较小，可以使用直径更小的光斑进行加工，所以加工精度将更高。因此，在一般情况下激光加工相近直径微小孔时，本实验所获结果可以作为孔侧壁表面粗糙度可达到的范围。

(3)激光加工在局部可以达到较好的粗糙度精度。由表1可见，对1#板6号孔所测得的Ra显示了该孔较好的粗糙度精度。由图2显示的1#板4号孔的局部连续粗糙度测量结果可以看到，在选定的1.9mm范围内Ry的峰值为13.6μm且该粗糙度曲线波动幅度不大，与所测该孔Ry结果8.1、10.9、10.8、10.7、8.8吻合；

图2　粗糙度曲线图

使用放大倍数为450倍的反射式显微镜对两平板在激光打孔入口处以及微小孔剖分平面进行观察，在计算机显示屏上得到微小孔内表面的直观图像(图3为对2#板7号孔的观察图像)。结果显示，在用激光直接加工微小孔时，绝大多数表面的粗糙程度是均匀的，数值是接近的。对个别地方出现的局部异常，其形成原因需进一步研究，并寻找解决和避免的办法。

图3　反射式显微镜观察结果

(4)由于激光加工蚀除材料的原理是将激光通过光学系统聚焦成一个极小的光斑，从而获得极高的能量密度和极高的温度，导致材料被瞬时急剧熔化和气化，在工件表面形成凹坑，与此同时，熔化物在气化所产生的金属蒸气压力推动下以很高的速度喷射出来。这一加工机理使得难以确定在微小孔的何处将出现粗糙度最大值。实验结果亦证实了此点。实验结果同时显示粗糙度的最小值未出现在激光打孔时的入口处。笔者认为，加工中的孔口处成为后序加工时被熔化和气化的金属排出微小孔的通路，这些被蚀除的材料显然要影响孔口处的粗糙状况，故该处的粗糙度数值不可能最小。

(5)本实验同时还测量了Ry，结果显示：Ry的极大值和极小值基本出现在对应的Ra处。

4　结论

(1)使用剖分法可以直接测量激光加工微小孔侧壁的表面粗糙度，该粗糙度宜采用轮廓仪测量。
(2)本实验所得激光加工微小孔侧壁的粗糙度数值约在3.2以内，此数值可以作为一般情况下激光加工相近直径微小孔侧壁所能保证的粗糙度范围。
(3)在采用激光加工微小孔时，孔内绝大多数内表面的粗糙程度均匀，个别地方局部异常的产生原因及出现位置尚需进一步研究。
(4)孔内表面粗糙度最大值的位置难以确定，而最小值未出现在激光打孔时的入口处。
(5)Rｙ的极值基本出现在对应的Rａ处。

参考文献
1杨兆军，王勋龙.微小孔钻削加工的难点及其技术对策.机械工程师，1997(5)：15～16
2颜永年，张人佶，卢清萍，曾光.基于RP的早期、多回路反馈模具快速制造系统.中国机械工程，1999，10(9)：994～997
3王秀峰，罗红杰.快速原形制造技术.中国轻工出版社，2001
4孔庆华.特种加工.同济大学出版社，1997
5晏绪光，高文彬，杨水其，裘明信.激光精密微孔加工技术及其在电子工业中的应用.杭州电子工业学院学报，1994，14(3)：4～10
6梁桂芳.切割技术手册.机械工业出版社，1997
7周富臣，周鹏飞，张改.机械制造计量检测技术手册.机械工业出版社，1999
8司乃军.机械加工工艺基础.高等教育出版社，2001第一作者：闫东升，硕士研究生，北京化工大学机电工程学院，100029北京市。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/5/2005)


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