【摘 要】為了解決電火花加工微孔過程中電極磨損問題，提出了一種將接觸式和非接觸式傳感器集成到坐標測量機上測量微孔幾何參量的理論和方法，可對噴墨打印機噴嘴、生物醫(yī)學儀器孔、冷卻燃氣渦輪機噴嘴和柴油機噴油器噴孔等微孔進行實時測量。介紹了系統(tǒng)的組成和測量原理，討論了測量步驟。分析了微孔的圓柱度、直徑、圓度、直線度和錐度五個幾何特征參量，研究了量具的重復性和再現(xiàn)性，以此來評價測量系統(tǒng)的性能，測量結果對于電火花加工微孔過程中的質(zhì)量控制具有決定性的作用。

【關鍵詞】微孔 幾何參量

一、引言

微孔和直徑小于0.5mm的小孔廣泛應用在噴墨打印機噴嘴、生物醫(yī)學儀器、冷卻燃氣渦輪機噴嘴和柴油機噴油器噴嘴上，高速公路上卡車柴油機噴油器上的微孔直徑通常介于150μm到200μm之間，深1mm。這些微孔可以通過電火花加工、電解加工、激光打孔或者傳統(tǒng)的打孔方式加工而成。由于孔的尺寸小和高的深寬比，傳統(tǒng)的坐標測量機和光學顯微鏡對于微孔幾何參量的測量幾乎是不可行的。通常測量這種微孔的方法是切出一個孔截面來測量，或是用塑料模具做一個噴孔的復制品。兩種方法都只能提供關于噴孔形狀和尺寸的有限信息，并且具有破壞性。

通常柴油機噴油器上的微孔是利用電火花加工技術實現(xiàn)的，由于加工過程中陶瓷電極絲的磨損會導致不能加工成理想的負錐形孔，這就需要在加工的不同階段調(diào)整過程參數(shù)來控制孔的形狀。過程參數(shù)的確定需要通過獲得微孔的形體特征來實現(xiàn)，本文提出了一種將接觸式光纖傳感器和非接觸式光學圖像傳感器集成到坐標測量機上研究微孔幾何參量的理論和方法，構成具有實際應用價值的光電檢測系統(tǒng)，其具有高速度、高精度、適于在線檢測等特點。

二、系統(tǒng)的組成和測量原理

該檢測系統(tǒng)主要由光源單元、CCD圖像傳感器單元、光纖傳感器單元、坐標測量機系統(tǒng)和計算機圖像處理系統(tǒng)組成。

光纖探針頂端是一個直徑74μm的小球，該小球連接一個直徑25μm、長1.5mm的玻璃纖維柄，連接這個玻璃纖維柄的是一個長20mm的錐形玻璃柄，它的直徑從25μm逐漸增加到200μm。該探針在坐標測量機的控制下在X、Y、Z軸方向上移動并微觸微孔內(nèi)壁，由CCD圖像傳感器捕獲探針和微孔位置關系圖像，利用圖像處理軟件產(chǎn)生一個矩形框來圈上球的弧形區(qū)，以此來找到球的中心位置和半徑。

在相同的Z點，探針與孔內(nèi)壁上每隔30度的12個位置接觸，依次記做P1、P2、……、P12，這些點可以通過坐標測量機確定，即可以確定這12點所確定的圓的中心O。

三、測量的步驟

在Z軸方向上取12個截面，每個截面上取12個接觸點。在測量階段1，Z軸方向上相鄰的截面間距為30μm；在測量階段2，相鄰的截面間距為130μm；在測量階段3，毗連的截面間距為50μm。這樣每個孔測量144個點，通過分析測量點來確定微孔的形體特征，即圓柱度、直徑、圓度、錐度和直線度五個特征參數(shù)。

對于測量系統(tǒng)的重復性和可靠性研究，實驗和數(shù)據(jù)分析遵循測量系統(tǒng)分析參考指南給出的標準程序。對于重復性的研究，在噴頭固定不動的前提下，設置好微孔的參考位置之后，進行4次重復性測量。對于再現(xiàn)性的研究，設置兩個測量組，選取3個微孔，在相同的程序下分別進行4次測量，總共重復兩次。因此，在這個研究中總共測量了3456個接觸點。

四、實驗結果

取直徑0.20mm、深0.9mm的三個柴油機噴油嘴噴孔做測試，這些孔是用直徑167μm的鎢電極絲鉆削而成的，電極絲和工件的平均間隙大約是15μm。三個微孔的五個特征參數(shù)分析如下：

（一）圓柱度：大約是圓柱尺寸的10%。

（二）直徑：最大直徑在孔深0.35mm處，位于孔的中間附近，最小直徑在孔的0.85mm深處，此處孔直徑較小可能是由于電極絲末端的圓化和尖化造成的，可在第3階段利用大的間隙電壓增大孔的內(nèi)徑尺寸。在電極入口處，孔的直徑也是小的，這可能是由于在第1階段間隙電壓比較低的緣故。

（三）圓度：在第1階段，圓度很小，大約2.0μm到3.5μm之間。在第2階段，圓度大約維持在4.5μm左右。在第3階段，圓度變化非常大，在4.0μm和8. 5μm之間。這樣大的圓度測量變化由三個因素決定：1.鉆到孔末端時電極的不均勻磨損；2.由于在第3階段大間隙電壓造成表面粗糙；3.在孔內(nèi)部測量的不確定度大。

（四）直線度：直線度范圍從7μm到14μm，3點比其他3點的直線度大。在微孔加工過程中，點3位于底部，由于重力作用產(chǎn)生碎屑堆積和去離子水的滴下，很可能是點3直線度不好的原因。

（五）錐度：盡管點3的直線度很高，但錐度T34始終低于T12，錐度也低于直線度。

五、結論

本文所提出的檢測系統(tǒng)可在電火花加工微孔過程中應用，對于加工過程中的質(zhì)量控制和提高裝配效率具有重要的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)所采取的原理和方法提高了微孔形體測量的自動化程度，能夠適應現(xiàn)代化工業(yè)需要，具備一定的通用性和功能擴展能力，具有應用和推廣價值。

參考文獻：

[1]Chen-Chun Kao，Albert J Shih. Form measurements of micro-holes[J]. Measurement Science and Technology， 2007，18（1）：3603-3611（9）.

[2]Chen-Chun Kao.Monitoring and control of micro-hole electrical discharge Machining[DB/OL].A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor. Michigan：Philosophy （Mechanical Engineering） in The University Of Michigan.2007.

[3]張連存，張亞婷，張國玉等.一種內(nèi)徑尺寸光電非接觸測量方法[J].電子科技大學學報.2006，35（5）：828～831.

[4]鄭軍，張偉.基于環(huán)形光切法的復雜深孔圖像檢測[J]，清華大學學報.2004，44（11）：1456～1459.