摘 要：采用激光打孔方法分別加工出直徑為0.2mm、0.25mm和0.3mm的微小孔，應用剖分法直接接觸式測量得到所加工微小孔的內表面粗糙度，并使用反射式顯微鏡進一步直接觀察驗證。該測量結果可用于熔融快速原型機噴頭的微小孔內表面粗糙度的確定，也可用于研究紡絲機、噴墨打印機等類似微小孔時參考。 關鍵詞：微小孔，粗糙度，激光加工，熔融沉積造型 1 引言 微小孔的加工一直是機械制造中的一個難點，圍繞這個問題研究人員進行了大量研究。目前可用于加工微小孔的方法有：機械加工、激光加工、電火花加工、超聲加工、電子束加工及復合加工等[1]。有關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壁粗糙度的研究卻比較少。隨著科學技術的發展和尖端產品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔越來越廣泛地應用于汽車、電子、光纖通訊和流體控制等領域，這些應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所用噴頭是一個高精度微小孔，不僅要求孔徑大小準確，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確控制。本文通過對可用于快速原型機噴頭的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速原型機所用噴頭工作質量的影響。本研究結果還可對紡絲、噴墨打印機等其他行業中類似微小孔表面粗糙度的研究提供參考。 快速原型(RP)技術是20世紀80年代末出現的一種先進制造技術[2]。采用快速原型技術可以對產品設計進行快速評價和修改，以及時響應市場需求，提高企業的競爭能力。熔融沉積造型(Fused Deposition modeling，FDm)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的材料按CAD分層數據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展較快，現在已經可以用激光在紅、藍寶石上加工直徑為0.3mm、深徑比為50：1的微小孔[4]；也可以利用聚焦極細的激光束方便地鉆出直徑為0.1～0.3mm的微小孔[5]。考慮到微小孔激光加工工藝的的優點及其應用日益增加的趨勢，本文著重研究采用激光加工的微小孔內表面粗糙度的測量。 2 測量實驗 (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；實驗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壁的粗糙度。本研究采用反射式顯微鏡直接觀察孔口內表面情況，作為實測粗糙度試驗的對照。對于孔深達4mm的微小孔內壁粗糙度，顯然無法用此方法準確測量。由于所測量的微小孔孔徑較小，可控光源無法準確地深入孔內，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徑小，但與其連接的后續部分太大，使得探頭無法深入微小孔內部進行直接測量。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表面進行直接測量，以取得準確數據。 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，另一種是在緊密結合的兩塊光滑平板上沿結合縫打孔。由于孔徑微小，加工后剖切應屬薄板切割。此時為取得較高切割精度應使用激光切割。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表面太小，難以進行粗糙度測量；同時，為了保護微小孔內壁在剖切時不受飛濺物的影響，通常在剖切前向微小孔內先注入蠟等物質以保護孔內壁，但此時保護物對微小孔內壁粗糙度測量結果的影響無法評估，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表面。采用這種方法測得的微小孔內壁的粗糙度能準確地反映微小孔內表面的實際加工情況。 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有放大倍數為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整來保證。 (3)實驗試件及設備 激光打孔機型號為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以內直線度為0.5μm。微小孔孔口狀況和孔的內表面采用放大倍數為450倍的反射式顯微鏡觀察。 圖1 1#試驗平板立體示意圖3 實驗結果與分析 3.1 測量結果 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，并將測量結果分別列入表1和表2(表中孔徑后括號內的數值為激光打孔的孔號)：3.2 結果分析 (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。根據最后的測量結果可知(見表1、表2)，所測得的全部Ra數據都落在本實驗所選輪廓儀的測量范圍之內，且其中有83%的數據落在Ra3.2μm～0.025μm范圍內，由此可見本實驗選用針描法測量及所選項輪廓儀的量程是適當的。 (2)依照國家標準GB10610—1998，可知判定被檢表面是否符合技術要求的可靠性以及由同一表面獲得的表面粗糙度參數平均值的精度，取決于評定長度內的取樣長度個數和評定尺度的個數。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的平均值：式中 k———評定長度的個數 Rj———每個取樣長度內確定的表面粗糙度參數值 N———1個評定長度內的取樣長度個數 以4號孔為例，分別測得1#板4號孔各個取樣長度內的表面粗糙度值Ra為1.78μm、1.58μm、1.59μm、1.38μm和1.63μm，將各值代入式(1)，將計算結果(1.59μm)列入表3。同理對1#板和2#板的其它孔進行測量和計算，將結果列入表3。根據研究資料顯示，采用激光加工獲得的加工表面粗糙度Ra為1.6～0.4μm[8]。由表3可見：本實驗測試的粗糙度參數的平均值約在3.2以內，此數值對應的加工表面特征為微見加工痕跡[7]，這與用反射式顯微鏡觀察的結果基本吻合。 由于激光加工的微小孔直徑大于0.5mm時，考慮到加工效率應使用套孔法進行，因此本實驗中微小孔的直徑接近于激光一次加工成型孔徑的較大值。 考慮到粗糙度測量時對取樣個數的要求，本實驗中的微小孔深徑比最大達到20。而在實際應用中，由于孔深對流經微小孔的流體流動阻力影響很大，因此諸如熔融沉積快速原型機所用噴頭之類微小孔的深徑比很少會達到本實驗的數值。在加工直徑相同而深徑比較小的微小孔時，因所需穿透力較小，可以使用直徑更小的光斑進行加工，所以加工精度將更高。因此，在一般情況下激光加工相近直徑微小孔時，本實驗所獲結果可以作為孔側壁表面粗糙度可達到的范圍。 (3)激光加工在局部可以達到較好的粗糙度精度。由表1可見，對1#板6號孔所測得的Ra顯示了該孔較好的粗糙度精度。由圖2顯示的1#板4號孔的局部連續粗糙度測量結果可以看到，在選定的1.9mm范圍內Ry的峰值為13.6μm且該粗糙度曲線波動幅度不大，與所測該孔Ry結果8.1、10.9、10.8、10.7、8.8吻合； 圖2 粗糙度曲線圖使用放大倍數為450倍的反射式顯微鏡對兩平板在激光打孔入口處以及微小孔剖分平面進行觀察，在計算機顯示屏上得到微小孔內表面的直觀圖像(圖3為對2#板7號孔的觀察圖像)。結果顯示，在用激光直接加工微小孔時，絕大多數表面的粗糙程度是均勻的，數值是接近的。對個別地方出現的局部異常，其形成原因需進一步研究，并尋找解決和避免的辦法。 圖3 反射式顯微鏡觀察結果(4)由于激光加工蝕除材料的原理是將激光通過光學系統聚焦成一個極小的光斑，從而獲得極高的能量密度和極高的溫度，導致材料被瞬時急劇熔化和氣化，在工件表面形成凹坑，與此同時，熔化物在氣化所產生的金屬蒸氣壓力推動下以很高的速度噴射出來。這一加工機理使得難以確定在微小孔的何處將出現粗糙度最大值。實驗結果亦證實了此點。實驗結果同時顯示粗糙度的最小值未出現在激光打孔時的入口處。筆者認為，加工中的孔口處成為后序加工時被熔化和氣化的金屬排出微小孔的通路，這些被蝕除的材料顯然要影響孔口處的粗糙狀況，故該處的粗糙度數值不可能最? ? (5)本實驗同時還測量了Ry，結果顯示：Ry的極大值和極小值基本出現在對應的Ra處。 4 結論 (1)使用剖分法可以直接測量激光加工微小孔側壁的表面粗糙度，該粗糙度宜采用輪廓儀測量。 (2)本實驗所得激光加工微小孔側壁的粗糙度數值約在3.2以內，此數值可以作為一般情況下激光加工相近直徑微小孔側壁所能保證的粗糙度范圍。 (3)在采用激光加工微小孔時，孔內絕大多數內表面的粗糙程度均勻，個別地方局部異常的產生原因及出現位置尚需進一步研究。 (4)孔內表面粗糙度最大值的位置難以確定，而最小值未出現在激光打孔時的入口處。 (5)Rｙ的極值基本出現在對應的Rａ處。 參考文獻 1楊兆軍，王勛龍.微小孔鉆削加工的難點及其技術對策.機械工程師，1997(5)：15～16 2顏永年，張人佶，盧清萍，曾光.基于RP的早期、多回路反饋模具快速制造系統.中國機械工程，1999，10(9)：994～997 3王秀峰，羅紅杰.快速原形制造技術.中國輕工出版社，2001 4孔慶華.特種加工.同濟大學出版社，1997 5晏緒光，高文彬，楊水其，裘明信.激光精密微孔加工技術及其在電子工業中的應用.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.高等教育出版社，2001第一作者：閆東升，碩士研究生，北京化工大學機電工程學院，100029北京市。