激光加工微小孔内表面粗糙度的测量

根据研究资料显示，采用激光加工获得的加工表面粗糙度Ra为1.6～0.4μm[8]。由表3可见：本实验测试的粗糙度参数的平均值约在3.2以内，此数值对应的加工表面特征为微见加工痕迹[7]，这与用反射式显微镜观察的结果基本吻合。

由于激光加工的微小孔直径大于0.5mm时，考虑到加工效率应使用套孔法进行，因此本实验中微小孔的直径接近于激光一次加工成型孔径的较大值。

考虑到粗糙度测量时对取样个数的要求，本实验中的微小孔深径比最大达到20。而在实际应用中，由于孔深对流经微小孔的流体流动阻力影响很大，因此诸如熔融沉积快速原型机所用喷头之类微小孔的深径比很少会达到本实验的数值。在加工直径相同而深径比较小的微小孔时，因所需穿透力较小，可以使用直径更小的光斑进行加工，所以加工精度将更高。因此，在一般情况下激光加工相近直径微小孔时，本实验所获结果可以作为孔侧壁表面粗糙度可达到的范围。

(3)激光加工在局部可以达到较好的粗糙度精度。由表1可见，对1#板6号孔所测得的Ra显示了该孔较好的粗糙度精度。由图2显示的1#板4号孔的局部连续粗糙度测量结果可以看到，在选定的1.9mm范围内Ry的峰值为13.6μm且该粗糙度曲线波动幅度不大，与所测该孔Ry结果8.1、10.9、10.8、10.7、8.8吻合；

图2　粗糙度曲线图

使用放大倍数为450倍的反射式显微镜对两平板在激光打孔入口处以及微小孔剖分平面进行观察，在计算机显示屏上得到微小孔内表面的直观图像(图3为对2#板7号孔的观察图像)。结果显示，在用激光直接加工微小孔时，绝大多数表面的粗糙程度是均匀的，数值是接近的。对个别地方出现的局部异常，其形成原因需进一步研究，并寻找解决和避免的办法。

图3　反射式显微镜观察结果

(4)由于激光加工蚀除材料的原理是将激光通过光学系统聚焦成一个极小的光斑，从而获得极高的能量密度和极高的温度，导致材料被瞬时急剧熔化和气化，在工件表面形成凹坑，与此同时，熔化物在气化所产生的金属蒸气压力推动下以很高的速度喷射出来。这一加工机理使得难以确定在微小孔的何处将出现粗糙度最大值。实验结果亦证实了此点。实验结果同时显示粗糙度的最小值未出现在激光打孔时的入口处。笔者认为，加工中的孔口处成为后序加工时被熔化和气化的金属排出微小孔的通路，这些被蚀除的材料显然要影响孔口处的粗糙状况，故该处的粗糙度数值不可能最小。

(5)本实验同时还测量了Ry，结果显示：Ry的极大值和极小值基本出现在对应的Ra处。

4　结论

(1)使用剖分法可以直接测量激光加工微小孔侧壁的表面粗糙度，该粗糙度宜采用轮廓仪测量。
(2)本实验所得激光加工微小孔侧壁的粗糙度数值约在3.2以内，此数值可以作为一般情况下激光加工相近直径微小孔侧壁所能保证的粗糙度范围。
(3)在采用激光加工微小孔时，孔内绝大多数内表面的粗糙程度均匀，个别地方局部异常的产生原因及出现位置尚需进一步研究。
(4)孔内表面粗糙度最大值的位置难以确定，而最小值未出现在激光打孔时的入口处。
(5)Rｙ的极值基本出现在对应的Rａ处。

参考文献
1杨兆军，王勋龙.微小孔钻削加工的难点及其技术对策.机械工程师，1997(5)：15～16
2颜永年，张人佶，卢清萍，曾光.基于RP的早期、多回路反馈模具快速制造系统.中国机械工程，1999，10(9)：994～997
3王秀峰，罗红杰.快速原形制造技术.中国轻工出版社，2001
4孔庆华.特种加工.同济大学出版社，1997
5晏绪光，高文彬，杨水其，裘明信.激光精密微孔加工技术及其在电子工业中的应用.杭州电子工业学院学报，1994，14(3)：4～10
6梁桂芳.切割技术手册.机械工业出版社，1997
7周富臣，周鹏飞，张改.机械制造计量检测技术手册.机械工业出版社，1999
8司乃军.机械加工工艺基础.高等教育出版社，2001第一作者：闫东升，硕士研究生，北京化工大学机电工程学院，100029北京市。(end) 激光器相关文章:激光器原理