引言

立式數(shù)控深孔鉆作為深孔加工的關(guān)鍵設(shè)備，其工藝水平直接影響零件加工質(zhì)量。深孔加工面臨排屑、散熱等挑戰(zhàn)，而光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展為深孔加工精度控制提供了新途徑。激光頻率梳 3D 輪廓檢測技術(shù)與立式數(shù)控深孔鉆工藝的結(jié)合，實現(xiàn)了深孔加工與檢測的一體化創(chuàng)新。

立式數(shù)控深孔鉆工藝分析

設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

立式數(shù)控深孔鉆采用立柱式結(jié)構(gòu)，主軸垂直布置，配備高壓冷卻排屑系統(tǒng)（壓力 3-8MPa）和數(shù)控系統(tǒng)（控制精度 0.1μm）。其工作原理是通過數(shù)控系統(tǒng)控制主軸旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速 2000-10000r/min）與進給（速度 0.01-1mm/s），配合高壓切削液將切屑排出，實現(xiàn)深孔的高精度加工。

典型加工工藝參數(shù)

在加工 45# 鋼 φ10mm×300mm 深孔時，優(yōu)化工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速 5000r/min，進給量 0.05mm/r，切削液壓力 5MPa，采用極壓乳化液（濃度 8%）。該參數(shù)下加工的深孔直線度≤0.05mm/100mm，表面粗糙度 Ra≤1.6μm，加工效率較傳統(tǒng)設(shè)備提升 30%。

工藝優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

立式數(shù)控深孔鉆的優(yōu)勢在于自動化程度高，可實現(xiàn)復(fù)雜深孔的編程加工，且加工精度穩(wěn)定。但面臨的挑戰(zhàn)包括：深徑比＞20:1 時排屑困難，易導(dǎo)致刀具磨損；加工高硬度材料（如鈦合金）時散熱問題突出，影響孔壁質(zhì)量；小孔徑（φ＜3mm）深孔加工時，刀具剛性不足易引發(fā)振動。

深孔光學(xué)檢測難點分析

加工精度檢測需求

深孔加工后需檢測直線度、圓度、表面粗糙度等參數(shù)，其中直線度要求≤0.1mm/100mm，圓度≤0.03mm，表面粗糙度 Ra≤1.2μm。傳統(tǒng)接觸式檢測如三坐標(biāo)測量效率低，且接觸力可能影響檢測精度，難以滿足批量生產(chǎn)需求。

光學(xué)檢測技術(shù)瓶頸

結(jié)構(gòu)光檢測在深徑比＞15:1 時，孔底光照不足，導(dǎo)致輪廓數(shù)據(jù)缺失；激光三角法受光斑發(fā)散影響，深孔底部測量誤差＞10μm；工業(yè) CT 檢測成本高，且對大深度深孔的分辨率不足，無法滿足精密檢測要求。

激光頻率梳 3D 輪廓檢測方法

檢測系統(tǒng)集成

設(shè)計適配立式數(shù)控深孔鉆的集成檢測系統(tǒng)，包括直徑 2mm 的光纖探頭、1550nm 光頻梳激光模塊（重復(fù)頻率 800MHz）、MEMS 振鏡（掃描角度 ±30°）。系統(tǒng)安裝于機床主軸旁，通過數(shù)控系統(tǒng)控制探頭軸向移動（分辨率 0.1μm），實現(xiàn)加工后直接檢測。

檢測工藝實現(xiàn)

采用 “加工 - 檢測” 一體化流程：深孔加工完成后，主軸退回原點，檢測探頭自動伸入孔內(nèi)。先以 1mm/s 速度掃描孔入口段（0-10mm）確定基準(zhǔn)軸線，再以 0.5mm/s 速度螺旋掃描全孔（點云密度 300 點 /mm）。通過雙波長補償技術(shù)（1550nm 主測距、1310nm 穿透切削液）和振動補償模塊，確保檢測精度。

數(shù)據(jù)處理與精度驗證

利用最小二乘法擬合孔壁點云得到實際軸線，計算與基準(zhǔn)軸線的偏差，得到直線度、偏心量等參數(shù)。對 φ8mm×200mm 標(biāo)準(zhǔn)深孔檢測顯示，直線度測量誤差≤0.03mm/100mm，圓度誤差≤0.02mm，與三坐標(biāo)測量吻合度 98%。批量檢測數(shù)據(jù)表明，該方法使深孔加工合格率從 85% 提升至 96%。

工藝與檢測協(xié)同優(yōu)化

加工參數(shù)實時調(diào)整

檢測系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)實時通信，當(dāng)檢測到直線度偏差＞0.05mm/100mm 時，自動調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速（±500r/min）或進給量（±0.01mm/r）。某批次鈦合金深孔加工中，該閉環(huán)控制使直線度合格率從 78% 提升至 94%。

復(fù)合工藝創(chuàng)新

提出 “分步加工 - 在線檢測” 復(fù)合工藝：先粗加工至深徑比 10:1，在線檢測后調(diào)整參數(shù)進行精加工。相比傳統(tǒng)一次加工，該工藝使刀具壽命延長 50%，表面粗糙度 Ra≤0.8μm，滿足航空零件要求。

技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

當(dāng)前面臨超深徑比（＞30:1）深孔底部信號弱的問題，需研發(fā)高功率光頻梳光源；檢測系統(tǒng)與機床的時空同步精度需進一步提升，以實現(xiàn)動態(tài)加工過程檢測。未來將融合 AI 算法，開發(fā)自學(xué)習(xí)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)深孔加工質(zhì)量的預(yù)測與優(yōu)化。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)簡介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進展。2000年左右，美國J.Hall教授團隊?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級精度，革新自動化檢測技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢?

①同軸落射測距：獨特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇