何鳳璽，陳 濤

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京100124）

隨著微通道廣泛應(yīng)用于DNA分析、血液分析、化學(xué)分析[1-4]等多個方面，對于微通道的加工要求越來越高。目前，微通道材料主要有玻璃、硅及其氧化物、聚合物等類型，利用玻璃、硅及其氧化物有一定的優(yōu)勢[5]，其加工方法較成熟，能滿足一般的應(yīng)用需要。但隨著研究的不斷深入，一些關(guān)鍵問題也隨之暴露了出來。首先，玻璃、硅及其氧化物的微通道加工工藝復(fù)雜，增加了成本和次品率；其次，隨著微通道的廣泛應(yīng)用，對微結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀也有了更高的要求。與玻璃、硅及其氧化物相比，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料具有獨特的性能和優(yōu)勢，不僅成本低廉、加工方式靈活多樣，而且可加工的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，加工步驟簡單，因此，它一出現(xiàn)就帶動了微通道技術(shù)的進一步發(fā)展[6]。

激光輔助銑削技術(shù)是集光學(xué)、材料學(xué)、傳熱學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、機械加工等多方面知識于一體的新型加工技術(shù)[7]。王揚等對氮化硅陶瓷材料在激光輔助車削和銑削兩方面進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)由其產(chǎn)生的外圓面、平面及復(fù)雜溝槽的加工質(zhì)量較好且無裂紋產(chǎn)生[8]。吳雪峰等在搭建激光輔助車削和銑削加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對激光輔助切削氮化硅陶瓷進行了系列研究，包括溫度場仿真、激光器集成和銑削加工連續(xù)軌跡等問題，并根據(jù)仿真和試驗結(jié)果優(yōu)選了工藝參數(shù)，使加工表面質(zhì)量及邊緣碎裂現(xiàn)象得到了很大程度的改善[9]。目前國內(nèi)外學(xué)者對激光輔助微細加工技術(shù)的研究還處于探索階段，在切削力、切削機理、切屑成形、尺度效應(yīng)、刀具磨損等方面仍有許多問題亟待解決，而這些方面又是制約切削加工質(zhì)量和提高材料可加工性的關(guān)鍵，因此，對激光輔助微細加工方法的研究具有重大意義[10-13]。

本文對PMMA進行了表面微通道的準分子激光輔助微銑削實驗，研究了工藝參數(shù)對銑削微通道底面質(zhì)量的影響，并通過正交試驗優(yōu)化了工藝參數(shù)組合。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗材料及處理方法

本實驗采用的PMMA材料厚度為3 mm，用CO2激光器將材料切割成20 mm×50 mm的小塊。實驗前，先對PMMA試樣進行清潔處理，將試樣放入去離子水中超聲清洗5 min，以去除材料表面附著的各種微小雜質(zhì)，然后用壓縮空氣吹干。

1.2 實驗裝置及研究方法

本實驗加工系統(tǒng)見圖1。激光光源采用LPXpro型準分子激光器，其主要參數(shù)為：工作氣體KrF，波長248 nm，激光脈沖工作重復(fù)頻率1～10 Hz，脈寬30 ns，最大輸出單脈沖能量1200 mJ。方形掩膜尺寸為10 mm×10 mm，聚焦投影物鏡的焦距為60 cm，三棱鏡的尺寸為40 mm×40 mm×13 mm。微銑削系統(tǒng)包括電主軸和微銑刀，電主軸選用直流無刷電機，其額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速可達3000 r/min，空載轉(zhuǎn)速為4500 r/min；微銑刀選用單刃螺旋銑刀（圖2），刃徑1 mm，微銑刀通過螺母與彈性夾頭固定在電主軸上。三維精密位移臺的x、y、z軸精度均為1 μm，并由計算機控制其移動速度的調(diào)節(jié)。

圖1 248 nm準分子激光輔助微銑削加工系統(tǒng)示意圖

圖2 單刃螺旋銑刀

實驗前，需精準調(diào)節(jié)光路及調(diào)整掩膜孔位置，使透過的激光束為準分子激光束的中心區(qū)域，該區(qū)域光束的激光能量密度較高且分布相對均勻；同時，將被加工的PMMA固定在位移臺上，通過調(diào)節(jié)三棱鏡角位臺和三維精密位移臺使激光束和微銑刀同時作用于PMMA表面。

實驗時，打開輔助吹氣，以盡快排除銑削殘屑，以免影響微通道的表面質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)位移臺移動速度、主軸轉(zhuǎn)速及激光加工參數(shù)，完成微通道的銑削。在微銑削實驗完成后，將試樣放入去離子水中超聲清洗5 min，再用光學(xué)顯微鏡和WykoNT1100白光干涉儀測量PMMA表面微通道底面粗糙度，以及用1918-R激光能量計測量微銑削位置處的激光單脈沖能量，將其除以光斑面積即可獲得微銑削位置的激光平均能量密度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光能量對微通道底面粗糙度的影響

微通道底面粗糙度是激光輔助銑削加工有機玻璃表面微通道中的一個重要參量。實驗中，選取激光參數(shù)為頻率10 Hz，脈沖個數(shù)550個，位移臺x軸移動速度0.1 mm/s，電主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min，輔助吹氣氣體壓力0.4 MPa，掃描方向與殘屑飛濺（即排屑）方向一致，通過改變激光器的電壓來控制其能量，進而得到不同能量下的微通道底面粗糙度值。

圖3a～圖3d是在不同激光電壓下的微銑削PMMA表面微通道的光學(xué)顯微鏡照片，圖3e是PMMA表面微通道粗糙度隨激光電壓的變化情況。由準分子激光與PMMA材料的作用原理可知，激光輸入的單脈沖能量越大，形成的氣化層和熔融層在寬度和深度上就越大。當激光電壓為15.5 kV時，準分子激光照射在微銑刀上，同時作用于未銑削材料與銑削過的微通道底面，其表面形貌見圖3a，可清晰地看到銑刀銑過的痕跡，此時激光能量過低，對材料的影響較小，表面粗糙度值較高。隨著激光能量的升高，激光作用于PMMA材料時的光熱效應(yīng)愈發(fā)明顯。當激光電壓為18 kV時，銑刀對材料的銑削痕跡明顯減弱（圖3b），微通道底面粗糙度值也隨之降低。當激光電壓升至20 kV時，微通道底面已無明顯的銑削痕跡，此時微通道底面粗糙度為Ra702.43 nm，達到最低值。之后，隨著激光電壓的升高，刻蝕率過高，殘留物增多，導(dǎo)致其不能及時排出，甚至出現(xiàn)了氣泡（圖3d），微通道底面粗糙度值也逐漸增大。

圖3 激光電壓對微銑削PMMA表面微通道的影響

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，線性擬合加工曲線，得到擬合公式：

式中：Y為微通道底面粗糙度；x為激光電壓。

可知，當激光電壓在20 kV（激光器輸出能量為704 mJ，微銑削處的激光單脈沖能量為10.3 mJ，光斑面積為13.22 mm2，激光平均能量密度為0.78 mJ/mm2）附近時，微通道底面粗糙度值最低。

2.2 激光脈沖頻率對微通道底面粗糙度的影響

實驗選取激光電壓20 kV（激光器輸出能量705 mJ）、位移臺x軸移動速度0.1 mm/s、電主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min、輔助吹氣氣體壓力0.4 MPa，掃描方向與排屑方向一致，得到不同激光脈沖頻率下的有機玻璃微通道底面粗糙度。從圖4可看出，有機玻璃微通道底面粗糙度值隨著激光脈沖頻率的增加而降低，且當激光脈沖頻率在1～5 Hz之間時，微通道底面粗糙度值降幅明顯，5 Hz之后雖仍有降低，但逐漸趨于穩(wěn)定。實驗數(shù)據(jù)表明，最佳激光脈沖頻率為7～10 Hz，在此加工頻率范圍內(nèi)，所得的微通道底面粗糙度值較低。

圖4 激光脈沖頻率對微通道底面粗糙度的影響

2.3 激光掃描速度對微通道底面粗糙度的影響

實驗選取激光電壓20 kV（激光器輸出能量705 mJ）、激光脈沖頻率10 Hz、電主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min、輔助吹氣氣體壓力0.4 MPa，掃描方向與排屑方向一致，通過控制位移臺x軸進給速度間接控制掃描速度，得到不同激光掃描速度下的有機玻璃微通道底面粗糙度。從圖5可看出，有機玻璃微通道底面粗糙度值總體上隨著掃描速度的增加而增大。因此，在實際加工過程中，需選擇合適的掃描速度，實現(xiàn)低粗糙度值的微通道加工。通過反復(fù)試驗，得到了最佳的掃描速度為0.1～0.3 mm/s。在此范圍內(nèi)，所得的微通道底面粗糙度值較低，加工效率較高。

圖5 掃描速度對微通道底面粗糙度的影響

3 激光輔助微銑削正交試驗

248 nm準分子激光輔助微銑削加工有機玻璃表面微通道時，激光參數(shù)和微銑削參數(shù)都會對微通道底面質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了減少試驗次數(shù)，結(jié)合上述各參數(shù)對微通道底面粗糙度的影響，設(shè)計了正交試驗，以激光電壓、掃描速度、銑削深度、激光脈沖頻率和主軸轉(zhuǎn)速作為試驗因素，以加工后的表面粗糙度作為評價指標，研究不同工藝參數(shù)對微通道底面質(zhì)量的影響規(guī)律。

3.1 正交試驗方案設(shè)計

根據(jù)每個因素的取值范圍，對各因素各取4個水平，正交試驗因素水平見表1，并設(shè)計了五因素四水平的 L16（45）正交試驗表（表 2）。

表1 因素水平表

表2 正交試驗設(shè)計

3.2 結(jié)果計算及分析

正交試驗結(jié)果分析方法有極差分析法和方差分析法兩種，本文分別采用這兩種方法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。首先，用極差分析法確定最佳底面粗糙度所對應(yīng)的各參數(shù)的水平，以及各因素的不同水平對試驗結(jié)果造成的差別；然后，用方差分析法確定各參數(shù)對試驗結(jié)果影響的顯著性。同時，對表2所示的試驗結(jié)果進行比較，找出最優(yōu)工藝方案。顯然，底面粗糙度值最低的為9號方案，粗糙度值為Ra63.62 nm，所對應(yīng)的加工參數(shù)組合為A3B1C3D4E2，即：激光電壓22 kV（激光器輸出能量710 mJ），掃描速度 0.06 mm/s，銑削深度 0.15 mm，激光脈沖頻率10 Hz，主軸轉(zhuǎn)速2700 r/min。

為直觀起見，用因素的水平變化作為橫坐標、指標的平均值作為縱坐標，繪制水平與指標的關(guān)系圖（圖6）。由表2可見，各因素對微通道底面粗糙度的影響差異較大，粗糙度的最大值為Ra918.97 nm、最小值為Ra63.62 nm。由圖6可見，粗糙度值隨著激光電壓的增加先減小、再增大；隨著掃描速度的增加而增大；隨著銑削深度的增加先增大、再減小；隨著激光脈沖頻率和主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，這均與前文單因素試驗分析結(jié)果相一致。

圖6 水平與指標關(guān)系圖

由表3所示的極差分析結(jié)果可知，極差越大的因素，重要程度越高，所以各因素對指標影響的主次順序為：掃描速度、主軸轉(zhuǎn)速、激光脈沖頻率、激光電壓、銑削深度；同時，由極差分析得到的最優(yōu)試驗方案組合為A3B1C1D4E4，即：激光電壓22 kV（激光器輸出能量 710 mJ），掃描速度 0.06 mm/s，銑削深度0.05 mm，激光脈沖頻率10 Hz，主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min，這與正交試驗選出的最優(yōu)方案A3B1C3D4E2不同，也未出現(xiàn)在正交試驗方案中。因此，通過進一步實驗得到A3B1C1D4E4參數(shù)組合下的微通道底面粗糙度為Ra43.07 nm，說明該方案為最優(yōu)方案，實驗結(jié)果見圖7。

表4是正交試驗的方差分析結(jié)果，取檢驗水平a=0.05。按方差分析觀點，只需對有顯著影響的因素選擇最佳水平，而其他對試驗結(jié)果影響較小的因素，則可按實際選擇適當?shù)乃?。故由?可見，對于PMMA，掃描速度對微通道底面粗糙度的影響最顯著，隨后依次為主軸轉(zhuǎn)速、激光脈沖頻率、激光電壓、銑削深度，這與極差分析的結(jié)果一致。

表3 正交試驗極差分析結(jié)果

圖7 優(yōu)化工藝參數(shù)后的微通道加工形貌

表4 正交試驗方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過對微通道加工特性的研究與分析，提出了248 nm準分子激光輔助微銑削加工有機玻璃表面微通道的方法，設(shè)計了3組單因素實驗，針對不同的激光能量、激光脈沖頻率和激光掃描速度條件下的激光輔助微銑削進行了研究，分析了激光參數(shù)對微通道底面粗糙度的影響，并通過激光輔助微銑削正交試驗，用極差和方差分析比較了各參數(shù)對微通道底面粗糙度的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）自行設(shè)計的準分子激光輔助微銑削加工裝置能獨立完成微通道加工實驗。

（2）激光能量對于降低微通道底面粗糙度值有重要作用。微通道底面的銑削痕跡隨著激光能量密度的升高而逐漸消失，當能量密度在0.8 mJ/mm2左右時，銑削痕跡完全消失。但過高的激光能量密度會使微通道底面產(chǎn)生氣泡，反而使粗糙度值升高。

（3）準分子激光輔助微銑削加工有機玻璃表面微通道底面粗糙度的主要影響參數(shù)為掃描速度和主軸轉(zhuǎn)速。相對于激光參數(shù)來說，銑削參數(shù)對微通道底面粗糙度的影響明顯更強。

（4）基于優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，加工的有機玻璃微通道底面粗糙度可達Ra50 nm左右，且邊緣整潔，通道寬度均勻。

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