多孔網柵鎢膜片精密鉆削和檢測技術研究*

陳豫紅 周尚榮 張鵬程

（中國工程物理研究院，四川綿陽 621900）

多孔網柵準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厚的多孔網柵鎢膜片精密定位組裝而成。多孔網柵鎢膜片的材料為鎢合金，屬高熔點難加工材料，鎢膜片上分布有數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、結構特點及加工精度的多重影響，研制多孔網柵準直器難度大，為此首先開展小面積多孔網柵準直器樣機的研制。

群孔加工精度和效率是多孔網柵鎢膜片研制中的兩個重要指標。關于鎢合金材料的小孔高效加工工藝技術目前還未見相關文獻報導。本研究主要針對多孔網柵鎢膜片的結構和材料特性，開展微小群孔鉆削加工和檢測工藝研究，掌握鎢合金群小孔鉆削工藝關鍵技術，并尋求快速準確的群小孔檢測方法。

1 零件結構工藝分析

根據成像原理，需要X射線穿過多孔網柵準直器各層鎢膜片的小孔準確聚焦到光源，因此每件鎢膜片上相鄰孔中心距各不相同。按照小面積多孔網柵準直器樣機的設計要求，需要若干件鎢膜片，尺寸規格參數為: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，每件鎢膜片上小孔數量約1 200個。鉆削工藝難度主要表現在以下幾方面:（1）鉆頭直徑小，剛性弱，鉆尖接觸工件表面時受軸向力作用易產生偏移，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，冷卻潤滑效果差，造成鉆頭磨損嚴重或折斷。（3）鎢合金強度高，切削加工性差，切屑與刀具接觸長度短，切削溫度高，容易產生積屑瘤和粘結磨損。（4）零件為薄板群孔結構，剛性差，受切削力和切削熱等因素的影響可能導致工件加工變形。

2 交互式孔位自動編程系統開發

采用加工中心或數控鉆床加工小孔，需要確定每個孔的孔心坐標，然后據此編制出數控加工程序。每件多孔網柵鎢膜片上的小孔約1 200個，因此若干件鎢膜片上的小孔數量相當龐大。如此眾多的小孔，采用普通編程方法即手工計算坐標點，逐一編制NC指令并輸入機床數控系統，顯然是不可行的，程序進行校驗也非常困難。因此考慮開發孔位自動編程系統，利用計算機自動完成多層網柵鎢膜片數控鉆削程序的編制。通過調研分析，選擇了Visual Basic6.0語言作為開發工具，編制完成了交互式孔位自動編程系統，并通過測試。該系統可實現下述功能:根據網柵光學模型，建立了孔位計算數學模型;采用人機交互方式，通過圖形菜單及其相關文字提示輸入相關數據為設計參變量;一次運行自動計算出任意片數的鎢膜片孔位坐標數據;設定合理的打孔路線，自動按機床數控系統規定的格式，將坐標數據轉換為數控系統的NC指令，并以文本文件輸出。

3 精密鉆削工藝技術研究

3.1 鉆削工藝實驗

加工設備選用立式加工中心，鉆削刀具選用高速鋼鉆頭、硬質合金鉆頭、粗柄硬質合金鉆頭進行多組鉆孔試驗。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并結合實際，進行了多輪參數調整和加工實驗，同時在夾持粗柄硬質合金鉆頭時，采用了熱裝式夾頭（最小夾持直徑3 mm）。實驗后，采用掃描電鏡、萬能工具顯微鏡和影像儀對加工樣件表面形貌進行觀察和尺寸檢驗。

另外在鉆削過程中不可避免會有毛刺產生，影響小孔加工質量，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:夾持柄直徑1.1 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長度32 mm，刃長16 mm，刀具懸長20 mm，鋒角118°。切削參數:轉速5 000 r/min，進給量150 mm/min。

加工效果:單孔加工時間約2 s，經檢測，小孔兩個坐標方向的位置錯動均較大，最大孔心距差達到約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 整體硬質合金鉆頭

刀具參數:夾持柄直徑1.1 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長度40 mm，刃長15 mm，刀具懸長28 mm，鋒角130°。切削參數:轉速7 200 r/min，進給量95 mm/min。加工效果:單孔加工時間約2 s，經檢測，小孔兩個坐標方向的位置錯動均較大，最大孔心距差達到約0.3 mm，與高速鋼鉆頭加工效果相比，誤差有所減小，但仍然不符合設計要求。圖3和圖4分別為整體硬質合金鉆頭加工小孔掃描電鏡照片。

3.1.3 粗柄整體硬質合金鉆頭

刀具參數:夾持柄直徑3 mm，鉆頭直徑1.1 mm，刀具長度38 mm，刃長3.6 mm，刀具懸長26 mm，鋒角130°。切削參數:轉速5 000 r/min，進給量150 mm/min。加工效果:單孔加工時間約2 s，連續加工1 225個孔，未折斷，且刀具磨損較少。經檢測，小孔加工直徑1.09 ～1.115 mm，孔心距 1.496 ～1.506 mm，滿足設計規范。圖5和圖6分別為粗柄整體硬質合金鉆頭加工小孔掃描電鏡照片。

3.2 實驗結果討論

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、刀具以及切削參數等方面綜合考慮，采取措施來提高整個工藝系統的剛性，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量和形位精度，從而保證鉆頭的入鉆精度，同時加工中采用壓裝工件方式，保證工件的裝夾剛性。

（2）鎢合金的強度高，故切削力大，致使切削刃和與之接觸的工件材料產生極高的熱應力，因此采用高速鋼鉆頭加工時，刀具磨損嚴重，而采用具有高切削性能的細晶?；虺毦Я５挠操|合金鉆頭，刀具磨損程度減輕，加工質量得到明顯改善。

（3）鉆尖的振動對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。實驗中采用的主軸轉速在5 000 r/min左右，進給量在150 mm/min左右，加工效果較好。同時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生，采用超聲波清除孔內毛刺，效率高，清洗效果好，保證了產品質量。

4 群小孔精密檢測技術研究

4.1 測量方法的選取

多孔網柵鎢膜片上小孔數目眾多、孔徑微小，檢測難度較大，檢測精度和效率是測量方法選取的兩個主要考慮因素。由于鎢膜片上孔徑尺寸微小，測量器具受到限制，適用于采用非接觸式的測量方法進行測量。目前常用的測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量孔徑，但是它主要針對單個小孔的測量，用于檢測微小群孔時由于勞動強度太大，容易出現人為誤差，且效率過低。

隨著數字圖像處理技術的發展，微小群孔的快速檢測有了一條可行之路。目前，針對微小群孔等平面二維產品的特點，國內外均開展了快速檢測技術方面的研究，并研制了相應的檢測設備，如影像測量儀。影像測量儀是基于成像在光電耦合器件上的光學影像系統，通過光電耦合器件采集，經過軟件處理成像，顯示在計算機屏幕上，再利用測量軟件進行幾何運算得出最終結果的非接觸式測量。它將人眼瞄準改進為自動尋邊界，測量高效便捷，從而減小了人為誤差，大大提高了工作效率。影響影像儀測量精度的因素較多，其中高清晰的圖像質量是實現精確測量的前提。此外通過對標件實測來修正成像誤差，并對其進行標定，可以提高關鍵數據的批測精度。根據多孔網柵鎢膜片上小孔的結構特點和尺寸精度指標，考慮首先選用萬能工具顯微鏡和影像儀進行小孔檢測實驗，并對檢測精度結果進行對比，進一步考察影像儀測量的準確度和檢測效率，從而確定采用影像儀測量多孔網柵鎢膜片小孔的可行性。

表1 小孔直徑檢測數據mm

表2 相鄰孔心距檢測數據 mm

萬能工具顯微鏡選取JX7型，其縱向測量精度為±（3+L/30+HL/4 000）μm，橫向測量精度為（3+L/50+HL/2 500）μm。其中:L為測量長度，單位mm;H為被測工件的測量面高出平臺玻璃面之數值，單位mm。按照多孔網柵鎢膜片的尺寸規格計算，其縱向測量精度為 ±3.05 μm，橫向測量精度為 ±3.03 μm。

影像儀選取Micro—Vu，配置精密影像檢測軟件。具體測量時，可以采用十字線在圓輪廓上取點的方式，也可標定直徑后，直接利用三維CAD模型編寫和調試影像測量程序，自動尋邊，這時采集的點數多，計算擬合出的圓更準確，而且效率提高。

4.2 測量實驗

為保證測量精度，首先采用超聲波徹底清洗小孔，保證影像的清晰度，同時為避免溫度對工件和儀器的影響，工件在恒溫間內進行尺寸測量，溫度控制在20±2℃。

實驗工件材料為2 mm厚的多孔網柵鎢膜片，上面鉆削加工了9個小孔（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與光學影像儀Micro—Vu對這些孔進行檢驗測試，并將兩者所得的測量結果進行對比，考察影像儀測量的準確度。下面是其中一組矩陣小孔的檢測數據，表1是小孔直徑檢測數據，表2是小孔孔心距檢測數據。

實驗結果表明:影像儀檢測數據與萬能工具顯微鏡所測數據較為接近，誤差不超過10 μm，說明采用影像儀進行多孔網柵鎢膜片群小孔的測量，測量精度較高，能夠滿足微小孔的檢測精度要求，另外影像儀為自動檢測，檢測效率高。測量實驗后，我們采用影像儀自動測量了多件多孔網柵鎢膜片，每件產品上都有1 225個孔，測量一遍，共計2 510個尺寸（包括孔徑和相鄰孔心距），完成一片產品檢測所需時間大約6 min。

5 結語

通過開展小孔數控鉆削工藝實驗，掌握了影響鎢合金材料群孔加工精度和效率的主要因素，獲得了多孔網柵鎢膜片合理可行的加工工藝方法，單孔加工時間約2 s，單支鉆頭可加工1 000多個孔，小孔加工質量和效率均較理想，滿足多孔網柵鎢膜片群孔的設計加工要求。采用影像儀進行群小孔的精密測量，測量精度能夠保證多孔網柵鎢膜片的設計要求，而且測量效率高。

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