激光加工微小孔內(nèi)表面粗糙度的測量
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微小孔的加工一直是機(jī)械制造中的一個難點(diǎn)，圍繞這個問題研究人員進(jìn)行了大量研究。目前可用于加工微小孔的方法有：機(jī)械加工、激光加工、電火花加工、超聲加工、電子束加工及復(fù)合加工等[1]。有關(guān)各種方法可加工的微小孔直徑范圍已有較多的報道，而對于加工所得微小孔側(cè)壁粗糙度的研究卻比較少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和尖端產(chǎn)品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔越來越廣泛地應(yīng)用于汽車、電子、光纖通訊和流體控制等領(lǐng)域，這些應(yīng)用對微小孔的加工也提出了更高的要求。例如，熔融沉積快速原型機(jī)所用噴頭是一個高精度微小孔，不僅要求孔徑大小準(zhǔn)確，而且要求孔壁光滑，有利于熔體擠出以及擠出時微小孔流體阻力的準(zhǔn)確控制。本文通過對可用于快速原型機(jī)噴頭的微小孔側(cè)壁粗糙度進(jìn)行測量，進(jìn)一步研究該微小孔粗糙度對熔融沉積快速原型機(jī)所用噴頭工作質(zhì)量的影響。本研究結(jié)果還可對紡絲、噴墨打印機(jī)等其他行業(yè)中類似微小孔表面粗糙度的研究提供參考。
快速原型(RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一種先進(jìn)制造技術(shù)[2]。采用快速原型技術(shù)可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評價和修改，以及時響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的競爭能力。熔融沉積造型(Fused Deposition modeling，F(xiàn)Dm)作為一種快速原型制造工藝，是指采用熱熔噴頭將處于半流動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑逐層擠出，堆積、凝固后形成整個原型或零件[3]。常見的用于FDm的噴頭口型直徑約為0.2mm，屬微小孔范圍。目前如此微小的孔可以使用電火花、高速鉆削以及激光等方法加工。激光加工工藝近年來發(fā)展較快，現(xiàn)在已經(jīng)可以用激光在紅、藍(lán)寶石上加工直徑為0.3mm、深徑比為50：1的微小孔[4]；也可以利用聚焦極細(xì)的激光束方便地鉆出直徑為0.1～0.3mm的微小孔[5]?？紤]到微小孔激光加工工藝的的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用日益增加的趨勢，本文著重研究采用激光加工的微小孔內(nèi)表面粗糙度的測量。
2 測量實(shí)驗(yàn)
(1)被測微小孔的確定
被測微小孔孔深為4mm；孔徑分別為0.2mm、0.25mm和0.3mm；實(shí)驗(yàn)中每種直徑的微小孔各加工3個。
(2)測量方法
對于孔深小于1mm的通孔，可以借助放大鏡比較粗略地觀察該孔內(nèi)壁的粗糙度。本研究采用反射式顯微鏡直接觀察孔口內(nèi)表面情況，作為實(shí)測粗糙度試驗(yàn)的對照。對于孔深達(dá)4mm的微小孔內(nèi)壁粗糙度，顯然無法用此方法準(zhǔn)確測量。由于所測量的微小孔孔徑較小，可控光源無法準(zhǔn)確地深入孔內(nèi)，故無法用光干涉原理的方法測量。若采用直接接觸式測量方法，雖然探頭直徑比微小孔內(nèi)徑小，但與其連接的后續(xù)部分太大，使得探頭無法深入微小孔內(nèi)部進(jìn)行直接測量。因此，筆者對微小孔采用剖分法，并用錐度為60°的輪廓儀對剖分后外露的微小孔內(nèi)表面進(jìn)行直接測量，以取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
微小孔的剖分加工有兩種方法：一種是微小孔加工后再剖切，另一種是在緊密結(jié)合的兩塊光滑平板上沿結(jié)合縫打孔。由于孔徑微小，加工后剖切應(yīng)屬薄板切割。此時為取得較高切割精度應(yīng)使用激光切割。但由于切割光斑直徑較大(如薄板厚為5mm、要求切割速度為1.5m/min時，光斑直徑為0.2mm[6])，與所加工的微小孔直徑接近，切割后所剩余的微小孔內(nèi)表面太小，難以進(jìn)行粗糙度測量；同時，為了保護(hù)微小孔內(nèi)壁在剖切時不受飛濺物的影響，通常在剖切前向微小孔內(nèi)先注入蠟等物質(zhì)以保護(hù)孔內(nèi)壁，但此時保護(hù)物對微小孔內(nèi)壁粗糙度測量結(jié)果的影響無法評估，因此采用這種剖切加工工藝時需非常慎重，以避免測量的困難。鑒于上述原因，本試驗(yàn)采取第二種微小孔加工方法：加工好兩塊平板，將它們合緊后沿兩板的接觸面打騎縫孔，然后把兩平板分開，直接測量暴露在外的微小孔內(nèi)表面。采用這種方法測得的微小孔內(nèi)壁的粗糙度能準(zhǔn)確地反映微小孔內(nèi)表面的實(shí)際加工情況。
鉆孔時，兩平板全長采用平口鉗夾緊，以避免激光打孔時平板彎曲或受力不均勻。在激光打孔裝置上設(shè)有放大倍數(shù)為57倍的顯微放大裝置，可以較清晰地觀察兩平板的接觸面，故可較好的保證激光光束與平板接觸面的相對位置并保證沿接觸面打騎縫孔。平板接觸面和加工工作臺的垂直度可通過調(diào)整來保證。
(3)實(shí)驗(yàn)試件及設(shè)備
激光打孔機(jī)型號為JD—50，其激光器電壓為1000V，激光脈沖寬度為300μs、激光波長為1.06μm；測試平板材料為45號鋼，其磨削接觸面表面粗糙度為3.2μm。激光打孔后的1#試驗(yàn)平板如圖1所示。分別加工有孔徑為0.2mm、0.25mm和0.3mm的微小孔各3個的兩塊測試平板，測量儀器為英國產(chǎn)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以內(nèi)直線度為0.5μm。微小孔孔口狀況和孔的內(nèi)表面采用放大倍數(shù)為450倍的反射式顯微鏡觀察。
圖1 1#試驗(yàn)平板立體示意圖
3.1 測量結(jié)果
分別測量激光打孔后的兩塊測試平板上各孔的表面粗糙度，并將測量結(jié)果分別列入表1和表2(表中孔徑后括號內(nèi)的數(shù)值為激光打孔的孔號)：
(1)表面粗糙度的檢測方法通常有：比較法、印模法、光切法、干涉法和針描法，各種方法的適用范圍不同，上述方法的適用范圍分別為：比較法：Ra50μm～0.2μm；印模法：Ra50μm～3.2μm；光切法(用光切顯微鏡)：Ra50μm～3.2μm；干涉法(用干涉
顯微鏡)：Ra0.1μm～0.032μm；針描法(用輪廓儀)：Ra3.2μm～0.025μm[7]。本研究采用針描法測量，所用輪廓儀測量范圍為Ra0.01μm～20μm。根據(jù)最后的測量結(jié)果可知(見表1、表2)，所測得的全部Ra數(shù)據(jù)都落在本實(shí)驗(yàn)所選輪廓儀的測量范圍之內(nèi)，且其中有83%的數(shù)據(jù)落在Ra3.2μm～0.025μm范圍內(nèi)，由此可見本實(shí)驗(yàn)選用針描法測量及所選項(xiàng)輪廓儀的量程是適當(dāng)?shù)摹?
(2)依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB10610—1998，可知判定被檢表面是否符合技術(shù)要求的可靠性以及由同一表面獲得的表面粗糙度參數(shù)平均值的精度，取決于評定長度內(nèi)的取樣長度個數(shù)和評定尺度的個數(shù)。最小的評定長度等于取樣長度。
本文所取的評定長度為0.25mm，評定方向沿微小孔軸線方向。按下式計算可得表面粗糙度參數(shù)的平均值：
Rj———每個取樣長度內(nèi)確定的表面粗糙度參數(shù)值
N———1個評定長度內(nèi)的取樣長度個數(shù)
以4號孔為例，分別測得1#板4號孔各個取樣長度內(nèi)的表面粗糙度值Ra為1.78μm、1.58μm、1.59μm、1.38μm和1.63μm，將各值代入式(1)，將計算結(jié)果(1.59μm)列入表3。同理對1#板和2#板的其它孔進(jìn)行測量和計算，將結(jié)果列入表3。 激光器相關(guān)文章:激光器原理
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