多孔網(wǎng)柵鎢膜片精密鉆削和檢測(cè)技術(shù)研究*

陳豫紅 周尚榮 張鵬程

（中國(guó)工程物理研究院，四川綿陽 621900）

多孔網(wǎng)柵準(zhǔn)直器是安裝在閃光照相裝置上用于降低散射的最有效的器件，它是由多層約2 mm厚的多孔網(wǎng)柵鎢膜片精密定位組裝而成。多孔網(wǎng)柵鎢膜片的材料為鎢合金，屬高熔點(diǎn)難加工材料，鎢膜片上分布有數(shù)量眾多且密集排列的小孔，孔徑約φ0.9～1.1 mm，相鄰孔心距約1.1～1.5 mm。受材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工精度的多重影響，研制多孔網(wǎng)柵準(zhǔn)直器難度大，為此首先開展小面積多孔網(wǎng)柵準(zhǔn)直器樣機(jī)的研制。

群孔加工精度和效率是多孔網(wǎng)柵鎢膜片研制中的兩個(gè)重要指標(biāo)。關(guān)于鎢合金材料的小孔高效加工工藝技術(shù)目前還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本研究主要針對(duì)多孔網(wǎng)柵鎢膜片的結(jié)構(gòu)和材料特性，開展微小群孔鉆削加工和檢測(cè)工藝研究，掌握鎢合金群小孔鉆削工藝關(guān)鍵技術(shù)，并尋求快速準(zhǔn)確的群小孔檢測(cè)方法。

1 零件結(jié)構(gòu)工藝分析

根據(jù)成像原理，需要X射線穿過多孔網(wǎng)柵準(zhǔn)直器各層鎢膜片的小孔準(zhǔn)確聚焦到光源，因此每件鎢膜片上相鄰孔中心距各不相同。按照小面積多孔網(wǎng)柵準(zhǔn)直器樣機(jī)的設(shè)計(jì)要求，需要若干件鎢膜片，尺寸規(guī)格參數(shù)為:直徑105 mm，厚度為2 mm，孔徑為 φ1.1±0.02 mm，孔心距1.5±0.01 mm（注:這是距離光源最近鎢膜片的孔心距，其余各片的孔心距根據(jù)鎢膜片到光源的距離不同而不同），小孔分布在直徑60 mm范圍內(nèi)，每件鎢膜片上小孔數(shù)量約1 200個(gè)。鉆削工藝難度主要表現(xiàn)在以下幾方面:（1）鉆頭直徑小，剛性弱，鉆尖接觸工件表面時(shí)受軸向力作用易產(chǎn)生偏移，造成孔位和孔徑的加工誤差。（2）微小鉆頭為提高剛性，螺旋槽淺，因此容屑能力差，排屑困難，冷卻潤(rùn)滑效果差，造成鉆頭磨損嚴(yán)重或折斷。（3）鎢合金強(qiáng)度高，切削加工性差，切屑與刀具接觸長(zhǎng)度短，切削溫度高，容易產(chǎn)生積屑瘤和粘結(jié)磨損。（4）零件為薄板群孔結(jié)構(gòu)，剛性差，受切削力和切削熱等因素的影響可能導(dǎo)致工件加工變形。

2 交互式孔位自動(dòng)編程系統(tǒng)開發(fā)

采用加工中心或數(shù)控鉆床加工小孔，需要確定每個(gè)孔的孔心坐標(biāo)，然后據(jù)此編制出數(shù)控加工程序。每件多孔網(wǎng)柵鎢膜片上的小孔約1 200個(gè)，因此若干件鎢膜片上的小孔數(shù)量相當(dāng)龐大。如此眾多的小孔，采用普通編程方法即手工計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)，逐一編制NC指令并輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，顯然是不可行的，程序進(jìn)行校驗(yàn)也非常困難。因此考慮開發(fā)孔位自動(dòng)編程系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成多層網(wǎng)柵鎢膜片數(shù)控鉆削程序的編制。通過調(diào)研分析，選擇了Visual Basic6.0語言作為開發(fā)工具，編制完成了交互式孔位自動(dòng)編程系統(tǒng)，并通過測(cè)試。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)下述功能:根據(jù)網(wǎng)柵光學(xué)模型，建立了孔位計(jì)算數(shù)學(xué)模型;采用人機(jī)交互方式，通過圖形菜單及其相關(guān)文字提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)參變量;一次運(yùn)行自動(dòng)計(jì)算出任意片數(shù)的鎢膜片孔位坐標(biāo)數(shù)據(jù);設(shè)定合理的打孔路線，自動(dòng)按機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的格式，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)的NC指令，并以文本文件輸出。

3 精密鉆削工藝技術(shù)研究

3.1 鉆削工藝實(shí)驗(yàn)

加工設(shè)備選用立式加工中心，鉆削刀具選用高速鋼鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭、粗柄硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行多組鉆孔試驗(yàn)。鉆削過程中采用了水基冷卻液，切削用量參考了刀具商提供的參數(shù)并結(jié)合實(shí)際，進(jìn)行了多輪參數(shù)調(diào)整和加工實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在夾持粗柄硬質(zhì)合金鉆頭時(shí)，采用了熱裝式夾頭（最小夾持直徑3 mm）。實(shí)驗(yàn)后，采用掃描電鏡、萬能工具顯微鏡和影像儀對(duì)加工樣件表面形貌進(jìn)行觀察和尺寸檢驗(yàn)。

另外在鉆削過程中不可避免會(huì)有毛刺產(chǎn)生，影響小孔加工質(zhì)量，需要考慮去除毛刺的方法，但是通常的手工清洗方法無法滿足此類細(xì)小群孔零件的清潔要求。這里采用了超聲波清洗的方法。

3.1.1 高速鋼鉆頭

刀具參數(shù):夾持柄直徑1.1 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長(zhǎng)度32 mm，刃長(zhǎng)16 mm，刀具懸長(zhǎng)20 mm，鋒角118°。切削參數(shù):轉(zhuǎn)速5 000 r/min，進(jìn)給量150 mm/min。

加工效果:單孔加工時(shí)間約2 s，經(jīng)檢測(cè)，小孔兩個(gè)坐標(biāo)方向的位置錯(cuò)動(dòng)均較大，最大孔心距差達(dá)到約0.6 mm。圖1和圖2分別為高速鋼鉆頭加工小孔掃描電鏡照片。

3.1.2 整體硬質(zhì)合金鉆頭

刀具參數(shù):夾持柄直徑1.1 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長(zhǎng)度40 mm，刃長(zhǎng)15 mm，刀具懸長(zhǎng)28 mm，鋒角130°。切削參數(shù):轉(zhuǎn)速7 200 r/min，進(jìn)給量95 mm/min。加工效果:單孔加工時(shí)間約2 s，經(jīng)檢測(cè)，小孔兩個(gè)坐標(biāo)方向的位置錯(cuò)動(dòng)均較大，最大孔心距差達(dá)到約0.3 mm，與高速鋼鉆頭加工效果相比，誤差有所減小，但仍然不符合設(shè)計(jì)要求。圖3和圖4分別為整體硬質(zhì)合金鉆頭加工小孔掃描電鏡照片。

3.1.3 粗柄整體硬質(zhì)合金鉆頭

刀具參數(shù):夾持柄直徑3 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長(zhǎng)度38 mm，刃長(zhǎng)3.6 mm，刀具懸長(zhǎng)26 mm，鋒角130°。切削參數(shù):轉(zhuǎn)速5 000 r/min，進(jìn)給量150 mm/min。加工效果:單孔加工時(shí)間約2 s，連續(xù)加工1 225個(gè)孔，未折斷，且刀具磨損較少。經(jīng)檢測(cè)，小孔加工直徑1.09 ～1.115 mm，孔心距 1.496 ～1.506 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。圖5和圖6分別為粗柄整體硬質(zhì)合金鉆頭加工小孔掃描電鏡照片。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

由于鎢合金材料的難加工性使得微小群孔的鉆削加工精度難以保證，必須從工件、刀具以及切削參數(shù)等方面綜合考慮，采取措施來提高整個(gè)工藝系統(tǒng)的剛性，保證高精度高效率地加工鎢合金小孔。

（1）采用磨削加工等方法，提高鎢合金板表面質(zhì)量和形位精度，從而保證鉆頭的入鉆精度，同時(shí)加工中采用壓裝工件方式，保證工件的裝夾剛性。

（2）鎢合金的強(qiáng)度高，故切削力大，致使切削刃和與之接觸的工件材料產(chǎn)生極高的熱應(yīng)力，因此采用高速鋼鉆頭加工時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，而采用具有高切削性能的細(xì)晶?；虺?xì)晶粒的硬質(zhì)合金鉆頭，刀具磨損程度減輕，加工質(zhì)量得到明顯改善。

（3）鉆尖的振動(dòng)對(duì)鉆孔精度和鉆頭壽命有直接影響，因此一方面采用制造精度高、裝夾剛性高且切削刃短的階梯鉆頭，另一方面采用夾持精度好、夾持剛性高的熱裝式夾頭，能有效提高刀具的定心精度。

（4）鎢合金材料的切削加工性較差，切削用量選取不宜過大。實(shí)驗(yàn)中采用的主軸轉(zhuǎn)速在5 000 r/min左右，進(jìn)給量在150 mm/min左右，加工效果較好。同時(shí)充分有效的冷卻是加工中不可缺少的手段。

（5）鉆削過程中有少量毛刺產(chǎn)生，采用超聲波清除孔內(nèi)毛刺，效率高，清洗效果好，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 群小孔精密檢測(cè)技術(shù)研究

4.1 測(cè)量方法的選取

多孔網(wǎng)柵鎢膜片上小孔數(shù)目眾多、孔徑微小，檢測(cè)難度較大，檢測(cè)精度和效率是測(cè)量方法選取的兩個(gè)主要考慮因素。由于鎢膜片上孔徑尺寸微小，測(cè)量器具受到限制，適用于采用非接觸式的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。目前常用的測(cè)量方法是采用萬能工具顯微鏡。雖然萬能工具顯微鏡能夠精確地測(cè)量孔徑，但是它主要針對(duì)單個(gè)小孔的測(cè)量，用于檢測(cè)微小群孔時(shí)由于勞動(dòng)強(qiáng)度太大，容易出現(xiàn)人為誤差，且效率過低。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，微小群孔的快速檢測(cè)有了一條可行之路。目前，針對(duì)微小群孔等平面二維產(chǎn)品的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外均開展了快速檢測(cè)技術(shù)方面的研究，并研制了相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，如影像測(cè)量?jī)x。影像測(cè)量?jī)x是基于成像在光電耦合器件上的光學(xué)影像系統(tǒng)，通過光電耦合器件采集，經(jīng)過軟件處理成像，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，再利用測(cè)量軟件進(jìn)行幾何運(yùn)算得出最終結(jié)果的非接觸式測(cè)量。它將人眼瞄準(zhǔn)改進(jìn)為自動(dòng)尋邊界，測(cè)量高效便捷，從而減小了人為誤差，大大提高了工作效率。影響影像儀測(cè)量精度的因素較多，其中高清晰的圖像質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的前提。此外通過對(duì)標(biāo)件實(shí)測(cè)來修正成像誤差，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，可以提高關(guān)鍵數(shù)據(jù)的批測(cè)精度。根據(jù)多孔網(wǎng)柵鎢膜片上小孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸精度指標(biāo)，考慮首先選用萬能工具顯微鏡和影像儀進(jìn)行小孔檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)檢測(cè)精度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步考察影像儀測(cè)量的準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率，從而確定采用影像儀測(cè)量多孔網(wǎng)柵鎢膜片小孔的可行性。

表1 小孔直徑檢測(cè)數(shù)據(jù)mm

表2 相鄰孔心距檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

萬能工具顯微鏡選取JX7型，其縱向測(cè)量精度為±（3+L/30+HL/4 000）μm，橫向測(cè)量精度為（3+L/50+HL/2 500）μm。其中:L為測(cè)量長(zhǎng)度，單位mm;H為被測(cè)工件的測(cè)量面高出平臺(tái)玻璃面之?dāng)?shù)值，單位mm。按照多孔網(wǎng)柵鎢膜片的尺寸規(guī)格計(jì)算，其縱向測(cè)量精度為 ±3.05 μm，橫向測(cè)量精度為 ±3.03 μm。

影像儀選取Micro—Vu，配置精密影像檢測(cè)軟件。具體測(cè)量時(shí)，可以采用十字線在圓輪廓上取點(diǎn)的方式，也可標(biāo)定直徑后，直接利用三維CAD模型編寫和調(diào)試影像測(cè)量程序，自動(dòng)尋邊，這時(shí)采集的點(diǎn)數(shù)多，計(jì)算擬合出的圓更準(zhǔn)確，而且效率提高。

4.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為保證測(cè)量精度，首先采用超聲波徹底清洗小孔，保證影像的清晰度，同時(shí)為避免溫度對(duì)工件和儀器的影響，工件在恒溫間內(nèi)進(jìn)行尺寸測(cè)量，溫度控制在20±2℃。

實(shí)驗(yàn)工件材料為2 mm厚的多孔網(wǎng)柵鎢膜片，上面鉆削加工了9個(gè)小孔（3×3矩陣，如圖7所示）為一組的多組小孔，孔直徑為 1.1±0.02 mm，孔心距為1.5±0.01 mm，分別采用萬能工具顯微鏡JX7與光學(xué)影像儀Micro—Vu對(duì)這些孔進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，并將兩者所得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考察影像儀測(cè)量的準(zhǔn)確度。下面是其中一組矩陣小孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)，表1是小孔直徑檢測(cè)數(shù)據(jù)，表2是小孔孔心距檢測(cè)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:影像儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與萬能工具顯微鏡所測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，誤差不超過10 μm，說明采用影像儀進(jìn)行多孔網(wǎng)柵鎢膜片群小孔的測(cè)量，測(cè)量精度較高，能夠滿足微小孔的檢測(cè)精度要求，另外影像儀為自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)效率高。測(cè)量實(shí)驗(yàn)后，我們采用影像儀自動(dòng)測(cè)量了多件多孔網(wǎng)柵鎢膜片，每件產(chǎn)品上都有1 225個(gè)孔，測(cè)量一遍，共計(jì)2 510個(gè)尺寸（包括孔徑和相鄰孔心距），完成一片產(chǎn)品檢測(cè)所需時(shí)間大約6 min。

5 結(jié)語

通過開展小孔數(shù)控鉆削工藝實(shí)驗(yàn)，掌握了影響鎢合金材料群孔加工精度和效率的主要因素，獲得了多孔網(wǎng)柵鎢膜片合理可行的加工工藝方法，單孔加工時(shí)間約2 s，單支鉆頭可加工1 000多個(gè)孔，小孔加工質(zhì)量和效率均較理想，滿足多孔網(wǎng)柵鎢膜片群孔的設(shè)計(jì)加工要求。采用影像儀進(jìn)行群小孔的精密測(cè)量，測(cè)量精度能夠保證多孔網(wǎng)柵鎢膜片的設(shè)計(jì)要求，而且測(cè)量效率高。

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