248nm準(zhǔn)分子激光輔助微銑削加工有機(jī)玻璃表面微通道實(shí)驗(yàn)研究

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(gè)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(dú)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(jìn)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(jī)械加工等多方面知識于一體的新型加工技術(shù)[7]。王揚(yáng)等對氮化硅陶瓷材料在激光輔助車削和銑削兩方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)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(xì)加工技術(shù)的研究還處于探索階段，在切削力、切削機(jī)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(xì)加工方法的研究具有重大意義[10-13]。

本文對PMMA進(jìn)行了表面微通道的準(zhǔn)分子激光輔助微銑削實(shí)驗(yàn)，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(yàn)優(yōu)化了工藝參數(shù)組合。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理方法

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前，先對PMMA試樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

本實(shí)驗(yàn)加工系統(tǒng)見圖1。激光光源采用LPXpro型準(zhǔn)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(jī)，其額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jì)算機(jī)控制其移動速度的調(diào)節(jié)。

圖1 248 nm準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)前，需精準(zhǔn)調(diào)節(jié)光路及調(diào)整掩膜孔位置，使透過的激光束為準(zhǔn)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(shí)，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(shí)作用于PMMA表面。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃表面微通道中的一個(gè)重要參量。實(shí)驗(yàn)中，選取激光參數(shù)為頻率10 Hz，脈沖個(gè)數(shù)550個(gè)，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(jìn)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(zhǔn)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(dāng)激光電壓為15.5 kV時(shí)，準(zhǔn)分子激光照射在微銑刀上，同時(shí)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(shí)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(shí)的光熱效應(yīng)愈發(fā)明顯。當(dāng)激光電壓為18 kV時(shí)，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(dāng)激光電壓升至20 kV時(shí)，微通道底面已無明顯的銑削痕跡，此時(shí)微通道底面粗糙度為Ra702.43 nm，達(dá)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃微通道底面粗糙度。從圖4可看出，有機(jī)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(dāng)激光脈沖頻率在1～5 Hz之間時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)玻璃微通道底面粗糙度。從圖5可看出，有機(jī)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(shí)際加工過程中，需選擇合適的掃描速度，實(shí)現(xiàn)低粗糙度值的微通道加工。通過反復(fù)試驗(yàn)，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(yàn)

248 nm準(zhǔn)分子激光輔助微銑削加工有機(jī)玻璃表面微通道時(shí)，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(yàn)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(jì)了正交試驗(yàn)，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(yàn)因素，以加工后的表面粗糙度作為評價(jià)指標(biāo)，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(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)每個(gè)因素的取值范圍，對各因素各取4個(gè)水平，正交試驗(yàn)因素水平見表1，并設(shè)計(jì)了五因素四水平的 L16（45）正交試驗(yàn)表（表 2）。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2 結(jié)果計(jì)算及分析

正交試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果影響的顯著性。同時(shí)，對表2所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(biāo)、指標(biāo)的平均值作為縱坐標(biāo)，繪制水平與指標(biāo)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(yàn)分析結(jié)果相一致。

圖6 水平與指標(biāo)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(biāo)影響的主次順序?yàn)椋簰呙杷俣?、主軸轉(zhuǎn)速、激光脈沖頻率、激光電壓、銑削深度；同時(shí)，由極差分析得到的最優(yōu)試驗(yàn)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(yàn)選出的最優(yōu)方案A3B1C3D4E2不同，也未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)方案中。因此，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

表4是正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果，取檢驗(yàn)水平a=0.05。按方差分析觀點(diǎn)，只需對有顯著影響的因素選擇最佳水平，而其他對試驗(yàn)結(jié)果影響較小的因素，則可按實(shí)際選擇適當(dāng)?shù)乃健９视杀?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(yàn)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(yàn)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(zhǔn)分子激光輔助微銑削加工有機(jī)玻璃表面微通道的方法，設(shè)計(jì)了3組單因素實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(yàn)，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(jì)的準(zhǔn)分子激光輔助微銑削加工裝置能獨(dú)立完成微通道加工實(shí)驗(yàn)。

（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(dāng)能量密度在0.8 mJ/mm2左右時(shí)，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(zhǔn)分子激光輔助微銑削加工有機(jī)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(qiáng)。

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

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