精密模具冷却孔内轮廓测量方法探究 - 激光频率梳 3D 轮廓测量

摘要

本文针对精密模具冷却孔内轮廓测量难题，探究基于激光频率梳 3D 轮廓测量的方法。分析传统测量方法局限性，阐述该技术原理、系统构成与测量步骤，通过实验案例验证其在冷却孔内轮廓测量中的应用优势，为模具制造提供技术参考。

关键词

精密模具；冷却孔；内轮廓测量；激光频率梳；3D 轮廓测量

一、引言

在精密模具制造中，冷却孔内轮廓精度直接影响模具散热效率与成型件质量。冷却孔常具大深径比（≥10:1）、复杂型面等特点，其内壁轮廓偏差会导致冷却液流动不均，引发模具局部过热，影响注塑件尺寸精度与表面质量。传统测量方法如接触式探针、工业 CT 等，在面对复杂型面冷却孔时，存在测量效率低、精度不足或损伤孔壁等问题。激光频率梳 3D 轮廓测量技术凭借高相干性与非接触特性，为冷却孔内轮廓精密测量提供了创新方案。

二、传统测量方法的局限性

2.1 接触式探针测量

采用微型探针扫描冷却孔内壁，理论精度达 ±10μm，但对深径比＞15:1 的冷却孔，探针易弯曲变形，测量误差超 ±50μm。在某汽车模具冷却孔（深径比 20:1，孔径 2mm）测量中，探针折断率达 25%，且无法测量孔内凹槽等复杂结构。

2.2 工业 CT 测量

通过 X 射线断层扫描重构内轮廓，空间分辨率对孔径＜3mm 的冷却孔仅达 ±20μm，且单次扫描时间＞15 分钟，辐射防护成本高。对带螺旋槽的冷却孔，CT 图像易受金属伪影干扰，难以准确反演轮廓细节。

2.3 超声测量

利用超声波反射原理测量轮廓，受冷却孔内介质影响大，对表面粗糙度 Ra＞1.6μm 的孔壁，测量误差＞±30μm，且无法识别孔内微小缺陷。

三、激光频率梳 3D 轮廓测量原理

激光频率梳作为飞秒脉冲光源，其频谱由等间隔梳齿状光谱线（f_{text{rep}}=c/2L）组成，通过锁定载波包络偏移频率f_{text{ceo}}实现光频绝对测量。测量时，激光脉冲经分光分为测量光与参考光：测量光通过微型光学探头聚焦至冷却孔内壁，反射光与参考光干涉，干涉信号频谱偏移量对应光程差。通过傅里叶变换解析相位延迟Deltaphi，利用公式d=ccdotDeltaphi/(4pi f_{text{rep}})计算深度值，结合振镜扫描数据重构三维轮廓。

四、测量系统设计与构成

4.1 柔性光学探头

设计直径 1mm 的光纤探针，集成微型振镜扫描模块（扫描角度 ±20°），采用波长 1064nm 飞秒激光频率梳（重复频率 80MHz，脉冲宽度 100fs），轴向测量分辨率达 20nm，径向扫描步长 80nm，可适应弯曲冷却孔测量。

4.2 自适应进给机构

采用形状记忆合金驱动的蛇形进给装置，配合压电陶瓷纳米定位pt（分辨率 1nm），可沿曲率半径≥5mm 的冷却孔轴线精准移动，轴向定位误差＜±80nm。

4.3 高速数据处理系统

使用采样率 4MHz 的傅里叶变换光谱仪，结合 GPU 并行计算模块，每秒处理 120 组干涉光谱数据，生成三维点云密度达 8×10^5 点 / 秒，实时重构内轮廓模型。

五、测量方法与步骤

5.1 系统标定

利用标准曲面深孔（直径 3mm，深径比 15:1，含 0.5mm 凹槽）进行校准，调节参考光路延迟线使 1064nm 波长处相位误差＜0.01π，标定振镜角度 - 坐标转换系数，确保三维坐标精度。

5.2 冷却孔扫描

将柔性探头插入冷却孔，记忆合金机构自动适应孔道弯曲度，启动压电进给机构（速度 0.1mm/s）与振镜扫描（频率 150Hz）。激光频率梳以 80kHz 频率发射脉冲，对深度 10mm 的冷却孔，全程扫描约 3 分钟，采集数据点超 140 万个。

5.3 数据处理

采用小波变换滤除噪声，通过光频梳双频锁定算法解算相位延迟，利用三角网格剖分算法重构三维轮廓，同步计算孔径、槽深、曲率半径等参数，生成带偏差色谱的 STL 模型。

六、实验验证与优势分析

6.1 应用案例

对某精密注塑模具螺旋冷却孔（直径 2.5mm，深径比 18:1，含 3 处 0.8mm 深凹槽）进行测量：传统接触式测量因探针无法弯曲而失败；工业 CT 测量未识别出第 2 处凹槽的 0.02mm 尺寸偏差。采用激光频率梳测量方案，3.5 分钟完成扫描，测得凹槽深度误差 ±6μm，定位螺旋段曲率偏差 ±0.01mm，指导电火花加工参数调整后，模具冷却效率提升 20%，注塑件翘曲变形量降低 35%。

6.2 技术优势

6.2.1 复杂型面适应性

可测量带螺旋、凹槽等复杂结构的冷却孔，柔性探头弯曲角度达 ±30°，解决传统方法对异形孔的测量难题。

6.2.2 纳米级测量精度

轴向深度测量精度 ±8μm，径向轮廓分辨率 80nm，可识别冷却孔内壁的加工纹理与微小缺陷。

6.2.3 非接触快速测量

无需物理接触避免孔壁损伤，3 - 5 分钟完成全孔测量，效率是工业 CT 的 3 倍以上，适用于生产线在线检测。

6.2.4 全参数同步分析

自动生成孔径变化率、曲率半径、表面粗糙度（Ra＜0.2μm）等 30 余项参数，为冷却系统优化提供数据支撑。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。

核心技术优势

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）