1 引言
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(lái)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(lái)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]。考慮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(wú)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(wú)法準(zhǔn)確地深入孔內(nèi)，故無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
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))：
3.2 結(jié)果分析
(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?br />
(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：
式中 k———評(píng)定長(zhǎng)度的個(gè)數(shù)
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。
根據(jù)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(shí)驗(yàn)測(cè)試的粗糙度參數(shù)的平均值約在3.2以內(nèi)，此數(shù)值對(duì)應(yīng)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(jié)果基本吻合。
由于激光加工的微小孔直徑大于0.5mm時(shí)，考慮到加工效率應(yīng)使用套孔法進(jìn)行，因此本實(shí)驗(yàn)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(cè)量時(shí)對(duì)取樣個(gè)數(shù)的要求，本實(shí)驗(yàn)中的微小孔深徑比最大達(dá)到20。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于孔深對(duì)流經(jīng)微小孔的流體流動(dòng)阻力影響很大，因此諸如熔融沉積快速原型機(jī)所用噴頭之類微小孔的深徑比很少會(huì)達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的數(shù)值。在加工直徑相同而深徑比較小的微小孔時(shí)，因所需穿透力較小，可以使用直徑更小的光斑進(jìn)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(shí)，本實(shí)驗(yàn)所獲結(jié)果可以作為孔側(cè)壁表面粗糙度可達(dá)到的范圍。
(3) 激光加工在局部可以達(dá)到較好的粗糙度精度。由表1可見，對(duì)1#板6號(hào)孔所測(cè)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(hào)孔的局部連續(xù)粗糙度測(cè)量結(jié)果可以看到，在選定的1.9mm范圍內(nèi)Ry的峰值為13.6μm且該粗糙度曲線波動(dòng)幅度不大，與所測(cè)該孔R(shí)y結(jié)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(shù)為450倍的反射式顯微鏡對(duì)兩平板在激光打孔入口處以及微小孔剖分平面進(jìn)行觀察，在計(jì)算機(jī)顯示屏上得到微小孔內(nèi)表面的直觀圖像(圖3為對(duì)2#板7號(hào)孔的觀察圖像)。結(jié)果顯示，在用激光直接加工微小孔時(shí)，絕大多數(shù)表面的粗糙程度是均勻的，數(shù)值是接近的。對(duì)個(gè)別地方出現(xiàn)的局部異常，其形成原因需進(jìn)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(jié)果
(4)由于激光加工蝕除材料的原理是將激光通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦成一個(gè)極小的光斑，從而獲得極高的能量密度和極高的溫度，導(dǎo)致材料被瞬時(shí)急劇熔化和氣化，在工件表面形成凹坑，與此同時(shí)，熔化物在氣化所產(chǎn)生的金屬蒸氣壓力推動(dòng)下以很高的速度噴射出來(lái)。這一加工機(jī)理使得難以確定在微小孔的何處將出現(xiàn)粗糙度最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦證實(shí)了此點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示粗糙度的最小值未出現(xiàn)在激光打孔時(shí)的入口處。筆者認(rèn)為，加工中的孔口處成為后序加工時(shí)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(shù)值不可能最小。
(5)本實(shí)驗(yàn)同時(shí)還測(cè)量了Ry，結(jié)果顯示：Ry的極大值和極小值基本出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的Ra處。
4 結(jié)論
(1)使用剖分法可以直接測(cè)量激光加工微小孔側(cè)壁的表面粗糙度，該粗糙度宜采用輪廓儀測(cè)量。
(2)本實(shí)驗(yàn)所得激光加工微小孔側(cè)壁的粗糙度數(shù)值約在3.2以內(nèi)，此數(shù)值可以作為一般情況下激光加工相近直徑微小孔側(cè)壁所能保證的粗糙度范圍。
(3)在采用激光加工微小孔時(shí)，孔內(nèi)絕大多數(shù)內(nèi)表面的粗糙程度均勻，個(gè)別地方局部異常的產(chǎn)生原因及出現(xiàn)位置尚需進(jìn)一步研究。
(4)孔內(nèi)表面粗糙度最大值的位置難以確定，而最小值未出現(xiàn)在激光打孔時(shí)的入口處。
(5)Rｙ的極值基本出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的Rａ處.。
