激光加工微小孔内表面粗糙度的测量
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
3.1 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)：
(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：
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。 激光器相关文章:激光器原理
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