激光加工微小孔內(nèi)表面粗糙度的測(cè)量
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微小孔的加工一直是機(jī)械制造中的一個(gè)難點(diǎn)，圍繞這個(gè)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(bào)道，而對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)微小孔流體阻力的準(zhǔn)確控制。本文通過對(duì)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(cè)量，進(jìn)一步研究該微小孔粗糙度對(duì)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(duì)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)和修改，以及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)需求，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(gè)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(shì)，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(cè)量。
2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)
(1)被測(cè)微小孔的確定
被測(cè)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(gè)。
(2)測(cè)量方法
對(duì)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(cè)粗糙度試驗(yàn)的對(duì)照。對(duì)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(cè)量。由于所測(cè)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(cè)量。若采用直接接觸式測(cè)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(cè)量。因此，筆者對(duì)微小孔采用剖分法，并用錐度為60°的輪廓儀對(duì)剖分后外露的微小孔內(nèi)表面進(jìn)行直接測(cè)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(shí)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(shí)，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(cè)量；同時(shí)，為了保護(hù)微小孔內(nèi)壁在剖切時(shí)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(shí)保護(hù)物對(duì)微小孔內(nèi)壁粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響無法評(píng)估，因此采用這種剖切加工工藝時(shí)需非常慎重，以避免測(cè)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(cè)量暴露在外的微小孔內(nèi)表面。采用這種方法測(cè)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(shí)，兩平板全長(zhǎng)采用平口鉗夾緊，以避免激光打孔時(shí)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(duì)位置并保證沿接觸面打騎縫孔。平板接觸面和加工工作臺(tái)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(hào)為JD—50，其激光器電壓為1000V，激光脈沖寬度為300μs、激光波長(zhǎng)為1.06μm；測(cè)試平板材料為45號(hào)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(gè)的兩塊測(cè)試平板，測(cè)量?jī)x器為英國(guó)產(chǎn)Talysurf6型粗糙度測(cè)量?jī)x，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(cè)量結(jié)果
分別測(cè)量激光打孔后的兩塊測(cè)試平板上各孔的表面粗糙度，并將測(cè)量結(jié)果分別列入表1和表2(表中孔徑后括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為激光打孔的孔號(hào))：
(1)表面粗糙度的檢測(cè)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(cè)量，所用輪廓儀測(cè)量范圍為Ra0.01μm～20μm。根據(jù)最后的測(cè)量結(jié)果可知(見表1、表2)，所測(cè)得的全部Ra數(shù)據(jù)都落在本實(shí)驗(yàn)所選輪廓儀的測(cè)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(cè)量及所選項(xiàng)輪廓儀的量程是適當(dāng)?shù)摹?
(2)依照國(guó)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(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的取樣長(zhǎng)度個(gè)數(shù)和評(píng)定尺度的個(gè)數(shù)。最小的評(píng)定長(zhǎng)度等于取樣長(zhǎng)度。
本文所取的評(píng)定長(zhǎng)度為0.25mm，評(píng)定方向沿微小孔軸線方向。按下式計(jì)算可得表面粗糙度參數(shù)的平均值：
Rj———每個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)確定的表面粗糙度參數(shù)值
N———1個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的取樣長(zhǎng)度個(gè)數(shù)
以4號(hào)孔為例，分別測(cè)得1#板4號(hào)孔各個(gè)取樣長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果(1.59μm)列入表3。同理對(duì)1#板和2#板的其它孔進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，將結(jié)果列入表3。 激光器相關(guān)文章:激光器原理
評(píng)論