基于双振镜激光扫描的玻璃纤维复合板直壁孔制造

 基于双振镜激光扫描的玻璃纤维复合板直壁孔制造

吴自强1王帅2

海宁红狮宝盛科技有限公司.314400.陕西省紫阳县

摘要：采用扫描、激光和磨料三种方式对玻纤复合材料板直壁的孔位进行了加工，并对其加工质量、效率和成本进行了对比分析。结果表明，采用激光扫瞄成形直壁钻孔可得到良好的成形效果，但其效率较低；研磨方法和扫瞄方法均可对直壁成形有不同程度的改善，但其制造成本偏高。利用双振镜激光扫描法，可有效地改善直壁零件之成形品质及制造效率，并可降低制造成本。本项目将双振镜激光扫描技术应用于玻纤复合板（GRC）的制备，并基于该技术实现了GRC板材的直壁孔的制备。

关键词：双振镜；激光扫描；直壁孔；玻璃纤维复合板

一、引言

玻纤复合板（GRC）是一种以玻璃纤维为增强体，以水泥为基材，以酚醛树脂为粘合剂，采用压力模塑或注射成形的复合板。GRC板以其良好的保温、防火、防潮性能，在建筑、工业及交通运输等领域得到了广泛的应用。玻纤复合板（GRC）生产工艺由板料剪切、成形两道工序组成。板料的裁断是由一台自动裁断机完成的，它是先将板料切断，然后再进行成形。板的成形方法有：压模、挤压、焊接等。但由于玻纤的特殊结构，使得其加工（特别是高品质）非常困难。在机械制孔时，由于钻头和材料的相互作用，容易引起材料的脱层和拔丝，从而降低了加工质量；射流与材料间的作用力也是相同的，这是不可避免的，而玻纤复合材料本身的吸湿特性又会使其发生剥离。

激光加工技术是一种新型的无接触加工技术。由于激光与被测材料间无交互作用力，因而能避免以上工艺缺陷，是制备玻纤复合材料的一种有效途径。目前常用的激光冲孔方法有：激光冲孔、激光扫描制孔、激光旋转制孔。激光冲孔是利用一束激光在被测物体的同一部位连续地进行切割，直到被击穿为止。该方法采用激光扫描式制造方法，通过扫描振镜驱动激光聚焦，在被测物体表面形成任意形状的孔，并能实现对孔径尺寸的无约束。但孔侧壁的锥度不能通过激光打孔或激光扫描加工来实现，而带有锥形角度的聚焦激光仅能加工大入口和小出口的正锥孔。利用旋转楔与道威棱镜相结合的方式来调整光束的倾角，从而避免孔侧壁对激光光束的阻挡，从而解决了侧壁锥度问题。然而，受光学结构的制约，目前只能实现圆形孔的成形，孔径一般小于1mm。采用五轴联动加工技术，还能克服侧壁锥度，实现直壁零件的高效制造。但现有的五轴联动数控机床，如Scanlab公司的precSYS微加工系统以及Arges公司的PrecessionElephant2，都是针对微小零件的加工，其最大尺寸为5mm、3mm，不能进行更大尺寸的加工。另外，该工艺采用的光学元件多、结构复杂、成本高，很难大规模工业化应用。

采用激光打孔、激光扫描等方法，其加工精度不高，且孔的侧壁锥度很难消除。采用激光旋切技术和五轴激光制孔技术可以有效地解决侧壁锥削问题，但其适用范围受到限制。

二、双振镜激光扫描法

双振镜激光扫描方法是将两面反射镜对准薄板，通过调整两面反射镜之间的角度，实现对薄板法向加速度的控制。由于激光束在两个垂直方向上的运动，可以实现对薄板曲面的三维形貌的快速测量，所以本项目的研究成果也可应用到直壁零件的成形中。本文介绍了一种利用双振镜激光扫描方法，即将一片平板样品置于工作台上，并对其施以一定的压力。通过调节工作台上两个振镜的夹角，使平板试样表面法向加速度分别为0°，-90°，-45°，以-45°角度为最大值。在此过程中，将试片置于工作台上，施以一定的压力。

三、GRC材料简介

GRC是一种以水泥、砂石等无机物为原料，加入纤维增强剂、减水剂、色浆等助剂，经特定成型技术制成的新型建材。GRC有很好的隔热、隔音效果，热导率很低，而且还具有很好的耐酸、碱性和耐蚀性。它是一种新型的保温隔热材料，适用于建筑物的外墙保温、屋面的保温、地下室的防水。目前，我国已有许多GRC产品生产厂家，但GRC直壁孔的制作方法尚无统一的规范。

四、设备及原理介绍

单轴伺服激光切割装置是目前最常用的一种加工装备，其基本原理是对被测物体表面的组织结构进行扫描。扫描方式采用激光对被测物体进行激光照射，在被测物体上留下一条直线。该工艺不仅具有高效性，而且只需改变激光与工件的接触位置，就可以实现各种曲面的加工。但这种方法的缺陷也非常明显：首先，它的加工精度不高；其次，它的加工效率不高。双振镜扫描方法是利用两面振动镜对被测表面进行同步扫描，使其具有较高的精度。同时，采用双振镜扫描方式，采用两台独立的激光发射装置，通过驱动两台振动镜在同一平面上移动，可以实现对各种曲面的扫描。

五、实验条件

实验采用某企业研制的一套具有双振镜扫描功能的激光扫描仪。采用两面振镜，一台光电变换器，实现了对激光的照射与扫描。为了实现激光束在轴线上的转动，要求激光束沿着轴线转动。在实际应用中，可以侦测到左右两个方向上的直线移动，并可对扫距、扫速进行实时测定。通过对振镜转动的控制，实现了激光束运动距离及运动速度的控制，实现了对激光束的扫描。

六、实验结果分析

采用双振镜扫描技术，对玻纤复合材料板材直壁的孔位进行加工，通过扫描、激光及磨料三种方式对其加工质量、效率及制造成本进行比较。扫描方法是目前最有效的方法，但是受限于激光扫描方式，仅能得到小尺寸的直壁孔洞；采用激光方法可以得到大口径直壁孔洞，但是因为功率的限制，不能得到大口径直壁孔洞；磨料的切削效率是最差的，但其高粘度特性使其能够得到大尺寸的直壁孔洞。通过对玻纤复合材料板材直壁钻孔的扫描和磨料切削，可知采用扫描方法得到的直壁孔洞形状最大，但其制造效率及制造成本均较高。

七、对比分析

目前，GRC产品的直壁孔加工技术主要有两种：一种是激光扫瞄工艺，另一种是磨削加工。其中，激光扫描方法使用的是激光扫描加工装置，而磨料方法使用的是研磨工具。经比较分析，采用激光扫描方法可明显改善直壁孔的成形质量，且成形质量更好，但因其生产率低下而导致制造成本偏高。而研磨与扫描两种方法均可改善直壁孔的成形质量，并可在一定程度上降低制造成本。但在实际生产中，每一道工序都要投入大量的人力、设备，这就造成了生产成本的提高。

结论：（1）通过双振镜激光扫描，实现不同时空位置下的高精度直壁成形。尽管这一方法还不能有效地提升产品的产量，但是它具有成本低廉、容易实现自动化等优点，可以在某种程度上弥补传统加工方法的缺陷。（2）采用双振镜激光扫描工艺，对GRC产品的直壁孔成形具有一定的改善作用。在应用这种方法时，需要对扫描频率、扫描时间、扫描间隔和扫描速率进行合理的选择。如果工艺条件不当，会造成直壁孔成形效果不好，孔型不规范。（3）研究中存在的问题是，该方法的机理解析比较单一，有待于进一步改进，从而进一步提升直壁零件的成形质量。

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