孔加工之穿透探测法

——对打孔区域辐射出的可见光进行监控可以获得更一致的孔加工

图1 通过补偿加工和材料
的变化，穿透探测法能够
得到更为一致的孔和气流。         冲击钻孔经常需要不同个数的脉冲来得到正确的尺寸和气流。激光输出、材料厚度以及从孔中移除
         材料时效率的变化是其中一部分原因。用来确保打孔过程一致性的一项常用措施是对激光器进行编程，以得到足够数量的脉冲，从而在材料厚度和激光器情况最差的情况下也能够打孔。
        这就意味着说，对于只需要很少脉冲的小孔，在孔打好后，会有额外不必要的脉冲被传送过来。这些额外的脉冲不仅浪费时间，而且也破坏了附近表面（背面），改变了孔的尺寸，还影响了孔的金相特征（如：重铸和热影响区）。
          图2 Inconel 718测试版
(15050mm)被用来对穿透
探测进行评估。在钻孔以
前，版上喷洒了氮化硼，
这是一种在钻孔涡沦机组
件中常用的抗飞溅化合物.
        研究证明了，穿透探测法能够改善打孔的一致性，它在孔刚打好的时候就探测打孔所需脉冲的实际个数，而后进行合适的、由用户自定义的操作。
        
        探测方法
        以前讨论过的激光加工中使用的穿透探测方法1,2似乎都具有以下的共同点。首先，它们使用专门的传感器，因此给系统增加了成本和复杂性。其次，传感器通常被外加到激光的光路上，这就需要安装专门的足够牢固的设备，以保护传感器免受激光钻孔的碎片的影响，以及避免工件或者夹具带来的碰撞。在一些情况下，传感器限制了激光系统的有效工作范围。
        这篇文章所讨论的技术（已进行美国专利申请）使用了摄像机作为传感设备。摄像机是一个典型的激光打孔系统的标准组件，它的安装使得它能够对打孔的区域摄像，其方向与进行打孔的激光光束共轴（见图1）。
        此外，这项技术使用了外购及自主研发的电子和机械组件，来调节激光打孔过程辐射的光，并且处理视频信号。摄像机的信号被反馈到穿透探测处理器中，将信号幅度与一个预先确定的值相比较，这个值是与小孔穿透的情形相对应的。产生了“已穿透”信号后，就开始了下一个步骤——关掉快门，继续移到下一个孔的位置，或者继续传送由用户自定义个数的额外脉冲。
        SPC数据采集软件可以被用来记录穿透所需的脉冲数，并且估计这个参数的实时走势。这个数据对于探测光束传输组件的污染很有用，比如可探测到聚焦透镜镜头盖的滑动，避免它给孔的质量带来不利影响。
        穿透探测是由CNC打孔程序控制的，它使用M64命令来指示系统打开快门或者等到穿透探测命令后再执行下一个程序模块。一个典型的穿透探测命令是M64 N2 X15 E3。这一行里面参数的意义分别是：
        ◆ Nx， x是传输脉冲个数的最小值。系统总是传输这个数目的脉冲，即使在脉冲传送以前就探测到已穿透也还是进行传输。其默认值为零。
        ◆ Xm，m是传输脉冲个数的最大值。如果在这些脉冲过后还没有探测到穿透，加工就停止，系统报错。这个参数必须大于零。
        ◆ En，n是在探测到穿透后继续传输的脉冲个数。其默认值为零，即没有额外脉冲。在探测到穿透后，系统继续传输n个额外脉冲（除非在此以前脉冲已达到最大数值m个）。 nextpage
        为了推进加工过程并改善装备，激光控制系统包含了示波器卡，以作为穿透探测装备的组成部分。示波器用来显示摄像机的信号，比较器的输出，并显示激光同步脉冲信号，这些脉冲是在安装以及/或者运行过程中来启动视频捕捉的。 图3 (a)使用了穿透探测法
(在穿透后使用了三个脉
冲)，与使用固定个数脉冲
相比，得到了更为一致的
出口孔直径。(b) (a)中的出
口孔直径归一化分布形式

        实验结果-孔径
        在使用此技术的过程中，穿透探测对孔的尺寸和气流连续性的影响可以通过标准的测试工件来估计，它包括了几个有30个孔的区域，以30o在Inconel 718材料表面钻孔（见图2）。孔入口的直径被定义为最大直径的探针也能深入孔深度的25%。孔出口的直径被定义为最大直径的探针能够伸入整个孔长度范围内。
        图3(a)给出了使用穿透探测和使用固定个数的脉冲（无穿透探测）两种情形下得到的进入孔和出口孔的直径分布。
        在图3(b)给出的出口孔直径的分布是来自图3(a)的数据。这些曲线说明了使用和不使用穿透探测来钻孔的两种情况下，不良的出口孔直径都在2%以内，在使用穿透探测的情况下，孔尺寸的分布更为狭窄。
        
        连续气流
        在使用和未使用穿透测试的两种情况下又钻了额外的测试版。使用穿透测试得到的测试版是在探测到穿透后又加了0到3个额外脉冲而得到的。两组额外的测试版使用了固定个数的脉冲（四个和五个）来钻孔得到的。使用Habco AF100T气流测试工作台来完成对每一个含30个小孔的区域进行气流的测量。图4总结了气流测量结果的标准偏差。

图4 经过激光所打小孔
的气流标准偏差。小孔
是在使用和未使用穿透
测试两种情形下得到的.
数据显示在穿透后使用
两到三个额外脉冲能够
得到的气流一致性最好.

        从数据中可以得到下面两个结论：
        1. 在穿透之后需要加入额外的脉冲（两个到三个）来得到连续的气流。当穿透之后，若不使用额外脉冲，则可以降低对背面的破坏，但是这将牺牲小孔的一致性。
        2. 使用了穿透探测，在穿透之后继续再传输两到三个脉冲，这与仅使用固定数目的脉冲相比，将产生更为连续的气流。
        
        结论
        本文介绍了激光打孔中一项新技术——穿透探测法。这项技术是利用监视从打孔区域辐射出来的可见光来实现的。通过测量出口孔直径和气流说明，利用这项技术能够得到更为一致的小孔。
        
        Terry VanderWert是美国Prima North America公司（Champlin, MN）的高级副总裁兼总经理，网址：www.prima-na.com。