激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

陳鐵牛 郭鐘寧 曾柏文 印四華

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，510006

0 引言

為了改善零件上孔洞結(jié)構(gòu)內(nèi)的表面質(zhì)量，常用磨粒流加工方法進(jìn)行孔洞拋光加工，該方法是利用液壓設(shè)備產(chǎn)生高壓將流動(dòng)性的、黏彈性的磨粒推送到孔洞內(nèi)，并利用磨粒與加工表面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到拋光工件的效果[1]。然而對于微孔結(jié)構(gòu)，由于微孔對磨粒流產(chǎn)生較大阻力，常規(guī)磨粒流設(shè)備需要裝備高壓液壓系統(tǒng)才能將磨粒推入微孔內(nèi)，這對液壓系統(tǒng)的要求非常高，故本文提出了一種新的微孔拋光方法，即利用激光誘導(dǎo)空泡產(chǎn)生沖擊波和微射流形成的局部高壓將磨粒推送到微孔內(nèi)進(jìn)行孔壁拋光。

當(dāng)激光聚焦到液體中時(shí)，瞬間將焦點(diǎn)處的液體氣化形成等離子體，等離子體向周邊迅速膨脹而形成沖擊波，隨后空泡形成，空泡經(jīng)過多次膨脹和收縮后將發(fā)生潰滅，同時(shí)空泡每次膨脹初期都會(huì)再次向外輻射沖擊波，若空泡位于固體壁面附近還將產(chǎn)生微射流。根據(jù)ZWEIG等[2]的研究，水中激光等離子體沖擊波的速度非常大，當(dāng)激光能量為1 mJ、脈沖寬度為8 ns、波長為1 064 nm時(shí)，在距離等離子體120 μm處，沖擊波的傳播速度達(dá)到2.2 km/s。VOGEL等[3]指出射流速度達(dá)到100 m/s時(shí)，水錘壓力將達(dá)到450 MPa。宗思光等[4]利用高速攝影儀對單空泡和多空泡的生長潰滅過程進(jìn)行了大量研究，還對激光擊穿液體介質(zhì)聲輻射特性進(jìn)行了研究。劉秀梅[5]系統(tǒng)性地研究了空泡泡心與固體壁面之間的距離對射流速度的影響。DIJKINK等[6]制作了基于激光誘導(dǎo)空泡原理的微泵，成功地對液體進(jìn)行管道輸送。在磨粒流研究方面, BHRE等[7]研究了AISI4140鋼在磨粒流拋光過程中不同磨粒流壓力和加工時(shí)間對面粗糙度和形位公差的影響；KAR等[8]從磨粒流材料出發(fā),研究了磨粒流特性和磨粒成分對工件拋光效果的影響。人們還對磨粒的各種特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，如李琛等[9]對軟性磨粒流加工特性和近壁面區(qū)域切削機(jī)理進(jìn)行了研究。李俊燁[10]對微小孔磨粒流拋光裝置和工藝進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合激光空泡和磨粒流的特性，利用激光誘導(dǎo)空泡產(chǎn)生的等離子體沖擊波、空泡潰滅過程產(chǎn)生的高速射流將磨粒流推入到微孔內(nèi)，再利用磨粒與孔壁的高速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件的拋光，提出了一種新的磨粒流拋光方法。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖中激光器是Dawa200激光器，激光波長為1 064 nm(考慮到工件在水中距離水面10 mm，水吸收激光的能量可忽略，故選用常用的1 064 nm激光器)，脈寬為7 ns，能量通過衰減器衰減，0～200 mJ可調(diào)，頻率1～10 Hz可調(diào)。裝置中激光束經(jīng)過能量衰減器衰減后首先被低帶通反射鏡(800 nm以上波長可以全反射，800 nm以下波長可以全透射)反射，然后通過聚焦透鏡聚焦到水下工件的上方(工件浸沒在水下10 mm)。

為了觀測孔內(nèi)流體的流動(dòng)情況以研究微孔拋光的機(jī)理，工件材料選用透明材料有機(jī)玻璃(長30 mm，寬20 mm，厚4 mm)，有機(jī)玻璃材料的特性參數(shù)如表1所示，玻璃板上加工有直徑為0.5 mm的孔。為便于高速攝影儀的拍攝，圖1中水槽也是用有機(jī)玻璃制成的(水槽長寬為50 mm，高度為80 mm)，水槽內(nèi)為去離子水。將水槽放置在微移平臺(tái)上，微移平臺(tái)X、Y、Z方向的移動(dòng)范圍為0～20 mm，精度為0.02 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

表1 有機(jī)玻璃性能參數(shù)Tab.1 The properties of polymethyl methacrylate

實(shí)驗(yàn)中，磨粒材料選用SiC，其特性參數(shù)如表2所示，粒徑為13 μm。為提高磨粒流的黏度，增大磨粒與孔壁的摩擦效果，選用磨粒流溶液的濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為50%[9]。為使磨粒順暢地添加到微孔上方，采用圖1中針筒形磨粒儲(chǔ)存裝置，并通過調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力將針筒中的磨粒流輸送到直徑為0.5 mm孔入口位置。

表2 SiC 性能參數(shù)Tab.2 The properties of SiC

實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)攝像機(jī)(charge-coupled device,CCD)對激光聚焦位置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同軸成像，可見光可完全通過低帶通反射透鏡，而波長為1 064 nm的激光則無法通過。由此可見,光通過低帶通反射鏡后，通過管鏡在CCD中成像，再將圖像信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)激光聚焦位置與微孔中心對齊。圖1中高速攝影儀為FASTCAM SA-Z，選用的拍攝幀率每秒120 000 幀，光源選用鹵素?zé)粽彰髂K。

2 激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光機(jī)理研究

激光誘導(dǎo)空化微孔拋光是利用空泡初始階段的等離子體沖擊波、空泡潰滅階段的沖擊波和微射流共同作用來推送磨粒進(jìn)行拋光，因此需分別對它們進(jìn)行研究，由于等離子體沖擊波主要與激光能量和作用距離相關(guān)，但空泡潰滅階段的沖擊波和微射流情況較復(fù)雜，為優(yōu)化以上作用力的作用效果，需對空泡潰滅階段的情況進(jìn)行研究。

DIJKINK等[11]指出空泡在第一次潰滅產(chǎn)生射流時(shí)，對壁面的沖擊力最大，同時(shí)宗思光等[4]通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和研究認(rèn)為，射流和沖擊波都是造成固壁空蝕破壞的主要因素，而參數(shù)γ(定義γ=L/Rmax，其中L為泡心到固體壁面的距離，Rmax為最大泡半徑)的變化將影響空蝕破壞的效果。當(dāng)γ<0.4和γ>1.4時(shí)，空泡潰滅時(shí)的沖擊波對壁面的破壞起主要作用，而射流的破壞作用較小。當(dāng)0.4≤γ≤1.4時(shí)，空泡潰滅輻射的沖擊波和射流對壁面的破壞作用效果都很明顯。為充分利用空泡沖擊波和射流的作用力，在實(shí)驗(yàn)中激光聚焦于微孔上方0.5 mm處(此時(shí)0.4≤γ≤1.4)。

圖2為高速攝影儀拍攝的激光空泡拋光序列圖。圖2a中下半部分是直徑為0.5 mm的圓孔，孔入口處有一層厚度約0.4 mm的SiC磨粒(粒徑的大小為13 μm)，每個(gè)脈沖的激光能量為15.14 mJ，脈沖頻率為1 Hz。由圖2a可以看出，在0 μs時(shí)刻,激光聚焦于孔口上方0.5 mm處。在33.3 μs時(shí)刻，孔上方空泡已經(jīng)形成并開始膨脹，同時(shí)在圓孔下方出口處出現(xiàn)黑色氣泡狀現(xiàn)象。在66.6 μs時(shí)刻，孔上方空泡繼續(xù)膨脹，孔出口處的氣泡狀現(xiàn)象更加明顯，根據(jù)ZWEIG等[2]的研究，這種孔出口處的氣泡現(xiàn)象是孔內(nèi)液體高速流出時(shí)在出口處形成壓力差而形成的環(huán)形空泡，由于這種空泡基本上與孔上方空泡同步形成，因此可以判定這種空泡是激光擊穿液體產(chǎn)生的等離子體沖擊波推動(dòng)孔內(nèi)液體和磨粒高速向出口處噴出而形成的，孔內(nèi)磨粒在沖擊波的推動(dòng)下高速移動(dòng)，這必然會(huì)造成磨粒與微孔孔壁產(chǎn)生摩擦和碰撞，從而對微孔進(jìn)行拋光。在116.6 μs時(shí)刻，空泡達(dá)到最大泡半徑1 mm(采用圖像測量軟件測量)，同時(shí)孔下方的空泡已經(jīng)開始收縮并有脫離孔出口向下運(yùn)動(dòng)的趨勢。在166.6 μs時(shí)刻，孔上方的空泡已經(jīng)開始收縮，孔下方出口處的空泡已經(jīng)完全脫離微孔，空泡后面跟隨有少量磨粒從孔內(nèi)流出。在249.9 μs時(shí)刻，孔上方空泡達(dá)到最小泡徑并潰滅，此時(shí)留意圖片中橢圓區(qū)域，區(qū)域內(nèi)黑色物質(zhì)為微孔內(nèi)的磨粒。在408.1 μs時(shí)刻，橢圓區(qū)域已經(jīng)移動(dòng)到孔的中部。然后在491.4 μs時(shí)刻，孔內(nèi)磨粒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，由圖中橢圓區(qū)域的移動(dòng)情況可見，孔內(nèi)磨粒的流動(dòng)正好開始于空泡潰滅時(shí)刻，可見橢圓區(qū)域磨粒的流動(dòng)是由于空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和射流所導(dǎo)致。

(a)磨粒厚度0.4 mm

(b)磨粒厚度0.8 mm圖2 激光空泡微孔拋光過程序列圖Fig.2 The sequence diagrams of micro-hole polishing based on laser-induced cavitation bubble

繼續(xù)向直徑為0.5 mm微孔添加SiC磨粒，孔口磨粒厚度會(huì)由0.4 mm增大到0.8 mm，此時(shí)微孔拋光過程的序列圖見圖2b。由圖2b可以看出，在33.3 μs時(shí)刻，孔口上方的空泡已經(jīng)開始膨脹，但微孔下方并未出現(xiàn)類似圖2a的空泡。在116.6 μs時(shí)刻，孔口上方空泡達(dá)到最大泡半徑1.2 mm，隨后空泡開始收縮。在266.5 μs時(shí)刻，空泡潰滅，觀察圖中不同時(shí)刻橢圓區(qū)域可見，空泡潰滅后產(chǎn)生的沖擊波和射流推動(dòng)微孔內(nèi)的磨粒流動(dòng)。對比圖2a和圖2b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨粒厚度較小時(shí)，微孔拋光過程受到激光等離子沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流的聯(lián)合作用，而當(dāng)磨粒厚度較大時(shí)，微孔拋光過程主要受到空泡潰滅沖擊波和射流的作用，等離子沖擊波的作用會(huì)減小。如果繼續(xù)增大磨粒厚度到1.5 mm，同樣會(huì)出現(xiàn)與圖2b相同的情況，即并未出現(xiàn)圖2a中明顯的激光等離子體沖擊波。

當(dāng)磨粒厚度為0.4 mm時(shí)，激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方0.5 mm處，此時(shí)激光焦點(diǎn)位于磨粒上方0.1 mm處，聚焦處的能量密度很大，水在激光的作用下迅速氣化形成等離子體并向外輻射強(qiáng)烈的沖擊波。當(dāng)磨粒厚度為0.8 mm時(shí)，激光焦點(diǎn)已經(jīng)位于磨粒表面下方，由于激光無法穿透SiC磨粒到達(dá)焦點(diǎn)處，從而導(dǎo)致聚焦在磨粒上表面的光斑增大，能量密度減小，形成的等離子體沖擊波的強(qiáng)度降低，無法推動(dòng)0.8 mm厚度的磨粒進(jìn)入微孔，從而在圖2b中看不到激光等離子體沖擊波推動(dòng)磨粒的現(xiàn)象。由于微孔拋光過程中磨粒厚度是一個(gè)變化的過程，并不能很穩(wěn)定地維持在某一個(gè)厚度，因此激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光的過程是一個(gè)激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流此起彼伏、交替作用的過程。

為研究激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流推動(dòng)磨粒的速度，利用圖像測量軟件測量圖2a中微孔出口處的空泡前沿移動(dòng)速度(雖然此處空泡前沿速度并不是孔內(nèi)物質(zhì)噴出的速度，但可作為孔內(nèi)物質(zhì)噴出的參考速度)，如圖3所示。

圖3 等離子體沖擊波推送磨粒速度時(shí)間曲線Fig.3 The velocity-time curve of abrasive flow pushed by laser plasma shock wave

由圖2b可知,磨粒厚度0.8 mm時(shí)等離子體沖擊波并沒有推動(dòng)磨粒，因此該情況下磨粒速度一直為0,見圖3。由圖3可看出,當(dāng)磨粒厚度為0.4 mm時(shí)，在33.3 μs時(shí)刻磨粒的速度v為13.9 m/s，之后磨粒速度不斷減小，在141.6 μs時(shí)刻，速度已經(jīng)減小到2.5 m/s。水錘壓力的關(guān)系表達(dá)式如下[2]：

(1)

式中，c1、c2分別為液體中的聲速和固體壁面工件中的聲速；ρ1、ρ2分別為液體的密度和固體壁面工件的密度；p為水錘壓力。

將c1=1 480m/s、c2=2 760m/s、ρ1=1 000kg/m3、ρ2=1 190kg/m3和v=13.9 m/s代入式(1)，可得水錘壓力為14.2 MPa。由于等離子體沖擊波在傳播路徑上是不斷衰減的，因此直徑為0.5 mm孔入口位置的壓力應(yīng)該比這個(gè)壓力要大。

圖4 空泡潰滅沖擊波和射流推送磨粒速度時(shí)間曲線Fig.4 The velocity-time curve of abrasive flow pushed by shock wave and micro-jet during cavitation collapse

圖4所示為空泡潰滅沖擊波和射流推送磨粒速度時(shí)間曲線(此處的速度對應(yīng)圖2中橢圓區(qū)域磨粒的移動(dòng)速度)。由圖4可以看出，磨粒初期的速度都較大，在291.6 μs時(shí)刻厚度為0.8 mm磨粒的推送速度為9.36 m/s，在258.3 μs時(shí)刻厚度為0.4 mm磨粒的推送速度為7.08 m/s，然后速度逐漸減小，在491.4 μs時(shí)刻速度都減小到2 m/s左右。同樣通過式(1)可以將速度9.36 m/s和7.08 m/s轉(zhuǎn)換為水錘壓力，分別為9.5 MPa和7.2 MPa。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，磨粒厚度為0.8 mm時(shí)空泡潰滅沖擊波和射流推送磨粒的速度較磨粒厚度為0.4 mm時(shí)要大，這可能是由于磨粒厚度為0.8 mm時(shí)激光轉(zhuǎn)化給等離子體沖擊波的能量較小(圖2b中未觀測到等離子體沖擊波推動(dòng)磨粒)，大部分能量都轉(zhuǎn)化給了空泡潰滅沖擊波和射流。

為了驗(yàn)證厚度為4 mm有機(jī)玻璃微孔的尾部壓力大小，利用壓力測試裝置進(jìn)行微孔尾部壓力測試，如圖5所示。圖中夾具上部為直徑15 mm和深度10 mm的儲(chǔ)液槽，內(nèi)部注滿去離子水，夾具下端安裝有高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器(型號CGY1401，昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司)，傳感器量程為0～80 MPa，對應(yīng)輸出電壓為0～5 V，壓力與電壓成線性關(guān)系，并利用示波器測量輸出電壓的變化情況。夾具上方水槽和下方高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器之間由直徑0.5 mm、長度4 mm的管道連通，為了與圖2的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行比較，圖5中激光參數(shù)和激光焦點(diǎn)位置的設(shè)置與圖2的完全相同。

圖5 壓力測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure testing experimental setup

圖6 電壓時(shí)間曲線Fig.6 The voltage-time curve

圖6所示為示波器測量得到的壓力時(shí)間曲線。由圖6可以看出，曲線開始階段測量的最大電壓約為1 022 mV，轉(zhuǎn)換成壓力為16.35 MPa，之后在245 μs時(shí)刻出現(xiàn)輕微的波動(dòng)，對比前面圖3的分析，壓力值16.35 MPa應(yīng)為空泡形成初期的等離子體沖擊波造成的，與圖3中高速攝影儀轉(zhuǎn)換后計(jì)算得到的水錘壓力14.2 MPa接近。空泡潰滅形成的沖擊波和射流沖擊作用傳遞到4 mm微孔的孔尾應(yīng)已衰減得非常小了，所以圖6中曲線的后期只出現(xiàn)了輕微的波動(dòng)。這說明對整個(gè)微孔起主要作用的是等離子體沖擊波，空泡潰滅沖擊波和射流只對微孔孔口位置起作用，對孔尾作用有限。

3 激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光實(shí)驗(yàn)和分析

前文激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)中激光能量為15.14 mJ，拋光零件為有機(jī)玻璃，由于有機(jī)玻璃不是硬脆材料，不適合進(jìn)行SiC磨粒流拋光，因此有必要改用其它硬脆材料進(jìn)行實(shí)際拋光實(shí)驗(yàn)。選用304不銹鋼圓管(06Cr-19Ni10，GB/T20878-2007)進(jìn)行拋光，圓管內(nèi)徑為0.5 mm，分別利用不同激光能量、激光頻率和激光脈沖次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比分析不同參數(shù)下微孔拋光效果。

3.1 不同激光能量和脈沖次數(shù)參數(shù)下微孔拋光實(shí)驗(yàn)和分析

為了驗(yàn)證激光空泡推送磨粒進(jìn)行微孔拋光的實(shí)際效果，首先采用不同激光能量進(jìn)行微孔拋光實(shí)驗(yàn)，每個(gè)脈沖的激光能量E分別為7 mJ、10.5 mJ、15.5 mJ和21.6 mJ，激光焦點(diǎn)位置位于微孔上方0.5 mm，其它激光參數(shù)與圖1一致。圖7為激光能量與微孔表面拋光后粗糙度關(guān)系圖。利用激光共聚焦顯微鏡(LEXT OLS4000, Olympus)進(jìn)行面粗糙度值Sa測量，測量參數(shù)λc=8 μm，測量面積為321 μm×321 μm(測量位置是孔入口處)。

圖7 不同能量下面粗糙度-脈沖次數(shù)曲線圖Fig.7 The surface roughness-pulse number curve under different laser energy

由圖7可以看出，激光能量從7 mJ變化到21.6 mJ過程中，面粗糙度值都隨著脈沖次數(shù)的增加而減小，當(dāng)激光能量為7 mJ時(shí)，面粗糙度的減小程度沒有其他能量值下顯著，經(jīng)過7 000個(gè)脈沖拋光后面粗糙度值從0.944 μm減小到0.597 μm，降幅為0.347 μm；而在激光能量為21.6 mJ時(shí)，面粗糙度的降幅為0.845 μm。隨著激光能量從7 mJ不斷增大到21.6 mJ的過程中，各條曲線粗糙度的減小程度也在增加，這表明面粗糙度的減小速率隨著激光能量的增大而增大，因此，大能量的激光相對于小能量激光能夠更快地減小微孔的面粗糙度。

當(dāng)激光能量增大時(shí)，會(huì)有更多的能量轉(zhuǎn)化為等離子沖擊波，使沖擊波的作用明顯增強(qiáng)，同時(shí)空泡直徑也將隨之變得更大[2]，空泡的能量也將變大，潰滅時(shí)將產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊波和射流[3]。因此隨著激光能量的增大，空泡泡徑變大，會(huì)使等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和微射流的作用都增強(qiáng)，因此能夠?qū)⒛チＲ愿斓乃俣韧迫氲轿⒖變?nèi)，使磨粒更有效地對微孔進(jìn)行拋光。

圖7不僅說明激光能量對微孔拋光影響很大，同時(shí)也說明激光脈沖次數(shù)對拋光效果改善有顯著作用，圖中4種不同能量下的面粗糙度都隨著脈沖次數(shù)的增加而減小。可見脈沖次數(shù)對面粗糙度的影響是十分明顯的。

3.2 不同激光脈沖頻率參數(shù)下微孔拋光實(shí)驗(yàn)和分析

分別采用1 Hz、5 Hz和10 Hz的激光脈沖頻率對內(nèi)徑為0.5 mm的304不銹鋼管內(nèi)壁進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)(由于該Dawa200脈沖激光器只能在1～10 Hz范圍調(diào)節(jié)脈沖頻率，因此未進(jìn)行更高頻率的脈沖頻率實(shí)驗(yàn))，脈沖次數(shù)從0～7 000進(jìn)行變化，激光能量為15.5 mJ，焦點(diǎn)位于微孔上方0.5 mm處，其他參數(shù)與圖1一致。

圖8為不同脈沖頻率作用下，微孔拋光后的面粗糙度與脈沖次數(shù)的關(guān)系曲線圖。由圖8可以看出，激光脈沖頻率在1～10 Hz范圍內(nèi)改變時(shí)，對微孔面粗糙度的改善效果沒有明顯的區(qū)別，圖中3條曲線的變化趨勢基本相同，經(jīng)過7 000個(gè)激光脈沖拋光后的工件表面粗糙度都有改善。由此可見，在較低脈沖頻率情況下，工件表面質(zhì)量的改善與脈沖頻率關(guān)系不大。

圖8 不同頻率下面粗糙度-脈沖次數(shù)曲線圖Fig.8 The surface roughness-pulse number curve under different laser frequency

激光頻率為1 Hz、5 Hz和10 Hz，對應(yīng)的脈沖時(shí)間間隔分別為1 s、0.2 s和0.1 s。由于空泡作用周期只有幾百μs，相對于激光脈沖間隔而言，這是兩個(gè)不同的數(shù)量級。當(dāng)激光照射到水下時(shí)，激光與水形成的空泡有足夠的時(shí)間生長和潰滅，以完成對微孔的作用，然后激光發(fā)射的下一個(gè)脈沖才會(huì)作用到水中，因此在1 Hz、5 Hz和10 Hz的脈沖頻率作用下，對微孔面粗糙度的改善效果基本上一致，故圖8中3條曲線的變化趨勢幾乎一致，沒有明顯的變化，但在高頻率脈沖作用下能夠提高微孔拋光的效率。如果激光頻率進(jìn)一步增大，達(dá)到10 kHz，這時(shí)脈沖時(shí)間間隔將減小到100 μs，會(huì)出現(xiàn)上一個(gè)脈沖產(chǎn)生的空泡還未潰滅，下一個(gè)脈沖的空泡又將產(chǎn)生，或者下一脈沖激光直接照射在上一個(gè)脈沖形成的空泡上的現(xiàn)象。這將產(chǎn)生多空泡之間的相互左右，由于本實(shí)驗(yàn)激光器頻率的限制，多空泡的相互作用未進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究。

圖9為微孔拋光前后表面的顯微結(jié)構(gòu)掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖,SEM型號為HITACHI S-3400 N。由圖9可以看出，工件未拋光前的表面非常粗糙(圖9a)，利用激光共聚焦顯微鏡(LEXT OLS4000, Olympus)測量得到面粗糙度為0.964 μm；圖9b所示為不銹鋼管經(jīng)過7 000次拋光后的放大效果，可見表面已經(jīng)變得非常光滑，測量得到面粗糙度為0.293 μm；圖9c所示為微孔中部拋光后的效果，面粗糙度為0.607 μm；圖9d所示為孔尾拋光后的效果，面粗糙度為0.907 μm，基本上與圖9a未拋光的表面一致。不銹鋼管中部和尾部的拋光效果相對于孔入口處的相差甚遠(yuǎn)，特別是孔尾部表面基本上和未拋光表面相似，這說明磨粒在微孔內(nèi)的作用距離有限，經(jīng)測量長度為4 mm不銹鋼管經(jīng)7 000次激光脈沖拋光后只有在孔入口處約1～1.5 mm范圍內(nèi)拋光效果較明顯。由于磨粒是在激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流的綜合作用下對微孔進(jìn)行拋光，它們都會(huì)隨著傳輸距離的增大而迅速衰減，同時(shí)射流的有效距離只能作用在孔入口處很小的范圍[3]，因此導(dǎo)致微孔入口處拋光效果較好，微孔中段和尾部的拋光效果不明顯。

(a)未拋光表面 (b)孔口7 000次拋光

(c)微孔中部7 000次拋光 (d)孔尾7 000次拋光圖9 微孔拋光前后對比圖Fig.9 The comparison pictures before and after polishing

4 結(jié)論

(1)當(dāng)磨粒層較薄時(shí)，激光誘導(dǎo)空泡微孔拋光過程中起主要作用的是等離子體沖擊波，當(dāng)磨粒層較厚時(shí)，空泡潰滅沖擊波和射流對拋光起主要作用。由于磨料厚度的不穩(wěn)定，因此微孔拋光過程是等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流綜合作用的結(jié)果。

(2)高能量激光較低能量的激光能夠更快的降低微孔的面粗糙度，并且微孔面粗糙度值將隨著激光脈沖次數(shù)的增大而減小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)1 Hz、5 Hz和10 Hz激光脈沖頻率對微孔拋光效果相同，在低頻率情況下，表面質(zhì)量的改善與激光頻率關(guān)系不大。

(3)由于等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和射流的主要作用區(qū)域在微孔入口處，拋光后的不銹鋼管孔入口處的拋光效果較好，孔中段和尾部的拋光效果不明顯。

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