日期: 2021-12-07
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微小孔细孔内粗糙度如何测量


1 引言
  微小孔的攻丝攻牙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。
  本文采用宾德钻孔攻牙攻丝动力头,钻细孔微孔加工工艺作为分析测试依据,针对细孔加工结果做效果检测实验,作为一般细孔加工钻孔动力头的加工分析依据。

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
  对于细孔深小于3mm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。
  微小孔的剖分加工方法:钻孔动力头采用优质钻孔刀具,在加工前确保刀具偏摆度小于0.005MM,采用扁头钻孔刀具,在钻细孔加工时,务必保证工件夹持稳固,工件表面与刀具尽可能接近垂直角度。
  钻细孔孔时,两平板全长采用平口钳夹紧,以避免钻孔打孔时平板弯曲或受力不均匀。在动力头钻细孔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
  钻孔动力头型号为BD3,其采用ER16夹头,其刀具采用日本yamawa专用细孔钻孔刀具。分别加工有孔径为0.5mm、0.75mm和0.8mm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 实验结果与分析
3.1 测量结果
  分别测量钻孔动力头加工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攻细孔的孔号):

3.2 结果分析
   (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:

式中 k———评定长度的个数
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。

   根据研究资料显示,采用宾德攻丝动力头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。
  由于宾德攻丝动力头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攻丝钻孔动力头攻牙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) 钻孔动力头钻细孔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动力头钻细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)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钻孔攻丝动力头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)本实验所得宾德动力头钻孔钻细孔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)在采用宾德动力头做细孔钻加工微小孔时,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.。

 


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