注塑模具冷却水道孔深光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

一、引言

注塑模具冷却水道孔（直径 4-12mm，长径比 5-22，多为密集弯扭孔系，孔壁粗糙度要求 Ra≤0.8μm，材质多为 P20 预硬钢）是塑件成型质量核心，孔深偏差＞4μm 或内壁凹凸＞1.5μm 会导致冷却不均，引发塑件缩痕率超 3%。传统检测依赖水压测试与工业内窥镜，前者仅能判断密封性，无法量化孔深，后者受弯扭孔遮挡，检测覆盖率＜70%，且孔深测量误差＞6μm。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借弯扭孔适配与高精度解析优势，突破水道孔检测的精度与覆盖率瓶颈，为注塑模具质量管控提供可靠方案。

二、检测原理与模具孔系适配系统设计

（一）核心检测原理

依托激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 的光频基准特性，将水道孔深与弯扭轮廓测量转化为复杂轨迹下光程差的精准解析。锁模飞秒脉冲经分束器形成探测光与参考光，探测光通过柔性探头沿弯扭孔道聚焦于孔底，反射光随孔深、走向变化产生光程差，与参考光在平衡探测器形成干涉信号。依据v_N = Nf_{text{rep}} + f_{text{ceo}}频率公式提取相位信息，结合三维轨迹解算重构 3D 轮廓，孔深测量精度达 0.07μm 量级。

（二）模具专用系统构建

系统采用中心波长 1550nm 飞秒激光频率梳（重复频率 200MHz），搭配直径 2.5mm 的耐磨探头（表面镀钛涂层，硬度 HV1200），适配模具金属表面检测。通过六轴联动平台驱动实现 0.05mm 步距的弯扭轨迹扫描（线速度 1.0mm/s），结合 8 通道高速数据采集卡（采样率 5GS/s），单模具全孔系检测耗时≤65s。针对 P20 钢反光特性，增设 12nm 带宽滤光片与抗反射膜，信噪比提升 45%。

三、水道孔检测的关键技术突破

（一）密集弯扭孔遮挡消除

开发孔系轨迹建模算法，通过预扫描获取弯扭参数（曲率半径、扭转角），实时调整探头偏转角度（范围 ±32°）与俯仰角度（范围 ±20°），消除孔系密集与弯扭导致的遮挡。结合消像差聚光镜组，将光斑直径压缩至 14μm，在长径比 22 的 Φ6mm 弯扭孔检测中，孔壁、孔底及转角区域数据完整度达 99.3%，检测覆盖率提升至 100%。

（二）加工残留干扰抑制

研发双参量校准模块，实时修正f_{text{rep}}与f_{text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜0.6ms），抵消六轴运动误差、±2.5℃温度波动及铁屑反射干扰。通过灰度阈值分割算法剔除加工残留杂波，缺陷识别准确率达 98.8%。实验显示，补偿后孔深测量重复性误差从 0.45μm 降至 0.11μm，内壁轮廓分辨率达 0.2μm。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准弯扭孔量规（孔深偏差 ±0.1μm）校准，系统孔深测量误差≤±0.21μm，可清晰识别钻削痕迹（深度 1.2μm）与内壁凸起。与高精度三坐标测量机对比，检测一致性达 99.4%，效率较内窥镜提升 9 倍。

（二）实际应用案例

在汽车保险杠注塑模具（Φ10mm 主水道，12 个 Φ5mm 分支弯扭孔，最小曲率半径 15mm）检测中，成功检出 0.28μm 的孔深锥度偏差与 1.3μm 的内壁凹凸，检测结果通过塑件冷却均匀性试验验证。在批量检测中，该技术实现 100% 孔系筛查，误判率控制在 0.18% 以下，较水压测试降低 86%

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.Hänsch（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）

审核编辑 黄宇