高發(fā)偉 , 王鑫昱 , 寧立偉 , 張曉紅 , 陳卓 , 甘霖

(1.乳源瑤族自治縣東陽光化成箔有限公司，廣東 韶關(guān)，512721；2.湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 岳陽，414006;3.邵陽學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

傳統(tǒng)的皮膚磨削術(shù)是一種表面重建的形式，以機械方式在真皮層上進行修復(fù)，以促進膠原重塑和上皮再形成，適用于處理凹凸不平、顏色或形狀不規(guī)則的傷疤。KARMISHOLT等[1]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)電動磨削術(shù)能夠改善皮膚的表面形貌，但會使疤痕和紅斑變得更加嚴(yán)重，且磨削處理只能針對皮膚表層乃至真皮淺層的頑固性皮膚損傷。激光處理是使用激光的特性去除皮膚表面缺陷，具有恢復(fù)速度快的特點，但是激光處理之后可能會出現(xiàn)炎癥性的色素沉著[2-3]。目前對激光處理皮膚疾病的研究較多，而對于激光輔助磨削處理皮膚的研究較少，激光參數(shù)與磨削參數(shù)對皮膚處理影響的研究則更為鮮見。

文中通過對皮膚磨削術(shù)和激光處理進行系統(tǒng)化的試驗，對處理后的表面進行形貌觀察，得出不同處理下的皮膚形貌。此外，針對皮膚磨削術(shù)無法進行較深層次地處理和激光處理有可能會導(dǎo)致色素沉積等問題，開展脈沖激光輔助磨削皮膚試驗研究，觀察處理后的表面形貌，分析處理特性與處理質(zhì)量。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

由于人體皮膚與豬皮在皮膚組織結(jié)構(gòu)上相似，且豬皮在皮膚處理中起了很重要的輔助作用[4]，因此，文中選用豬的皮膚進行試驗。首先，將豬皮表面的雜物去除干凈，然后，將豬皮切成表面邊長約為20 mm的正方形狀，用冷鑲嵌方法將豬皮試樣固定于圓形模具中，通過熱熔膠將樣品固定于載物塊上。豬皮樣品的制樣過程見圖1。

圖1 豬皮樣品制樣過程

1.2 激光處理皮膚表面實驗

試驗平臺系統(tǒng)中所使用的激光設(shè)備是YCP-1-120-50-50-HC-RG型IPG光纖激光器。試驗中所用的脈沖激光處理皮膚裝置的工作原理示意圖見圖2。

圖2 脈沖激光處理皮膚裝置的工作原理示意圖

該激光器的脈沖頻率(f)的可調(diào)節(jié)范圍可從1～200 kHz，平均功率(P)的調(diào)節(jié)范圍可從1～50 W，波長(λ)為固定值1 064 nm，脈沖寬度(τ)的調(diào)節(jié)范圍可從0.2～25 ms。激光光斑直徑小于10 μm。文中使用的激光功率分別為15、20、25 和30 W；掃描次數(shù)為6次；脈沖頻率為25 kHz；掃描速度為1 500 mm/s，見表1。

表1 激光處理參數(shù)

1.3 磨削處理皮膚表面實驗

試驗在PPG48型數(shù)控高精度臥軸距臺平面磨床上進行，砂輪處理豬皮樣品示意圖見圖3。

圖3 砂輪處理豬皮樣品示意圖

該機床的主要參數(shù)如下：主磨床主軸最大輸出功率為4.5 KW，主軸速度為3 500 r/min，工作范圍為630 mm×200 mm。在豬皮磨削試驗過程中，選用了金剛石砂輪。PPG48精密平面磨床的砂輪線速度為15～30 m/s；工件速度為5 m/min；單次進給深度為127 mm，見表2。金剛石砂輪的砂輪直徑為350 mm；磨料層厚度為10 mm；砂輪內(nèi)孔直徑為127 mm，見表3。

表2 磨削試驗配置

表3 砂輪參數(shù)

1.4 脈沖激光輔助磨削皮膚表面

實驗使用最佳的磨削參數(shù)在不同功率的脈沖激光燒蝕后的皮膚上進行磨削，研究脈沖激光輔助磨削對皮膚表面質(zhì)量的影響。首先，利用脈沖激光對皮膚的改性作用，使用不同的激光功率對皮膚表面進行燒蝕。然后，使用金剛石砂輪磨削處理燒蝕后的皮膚表面，去除表面的碳化物，磨平皮膚表面并對其形貌進行觀察。最后，并與單一處理方式獲得的處理表面進行對比。

1.5 實驗儀器

文中利用超景深三維顯微鏡(型號為VHX-5000)對激光燒蝕和磨削之后的皮膚表面進行形貌觀察，超景深三維顯微鏡包含了20～5 000倍之間的3種鏡頭，可以拍攝皮膚表面的3D圖，測量圖中的各種結(jié)構(gòu)尺寸，能夠?qū)ζつw表面的總體特征和各種細微特征進行觀測分析。

2 實驗結(jié)果與分析

為了全方位地了解激光處理和磨削處理對于皮膚表面形貌的影響，設(shè)計了不同的試驗對豬皮分別進行相關(guān)激光燒蝕和磨削試驗，將處理完成后的皮膚表面放在顯微鏡下觀察，通過分析其表面形貌，觀察缺陷，然后，使用最佳的磨削參數(shù)在不同功率的脈沖激光燒蝕后的皮膚上進行磨削試驗，分析脈沖激光輔助磨削對于皮膚表面試驗的影響。

2.1 激光處理皮膚表面的微觀形貌

從圖4可以看出，脈沖激光功率對皮膚表面處理深度的影響，處理深度與激光功率之間成正比關(guān)系，但斜率逐漸增加。在較小功率下(15 W和20 W)，皮膚表面發(fā)生的形貌改變不是很大，被激光照射的皮膚區(qū)域會吸收能量，部分皮膚組織會被氣化，氣化物會與皮膚分離形成溝槽，熔融物會沉積在溝槽底部[5]。隨著激光平均功率增加到25 W和30 W時，溝槽的深度從414.00 μm增加到1 074.31 μm，這是因為此時激光的能量密度已經(jīng)超過皮膚的氣化閾值[6]，單個脈沖去除皮膚的深度顯著增加，并且皮膚吸收的熱量會不斷擴散，影響到更深的層次的皮膚組織，因此，激光燒蝕處理的深度會得到顯著提升。

圖4 不同激光功率下的皮膚處理深度變化曲線

圖5所示為不同激光功率下的皮膚表面的形貌圖，可以看出，隨著激光功率增大，皮膚表面的溝槽深度在不斷變大，溝槽的寬度也隨之不斷增加。試驗過程中，當(dāng)激光功率達到20 W以上時，皮膚底面會出現(xiàn)黑色的碳化物沉積[7]。這可能是由皮膚表面吸收的激光能量不斷增加，熱量也不斷累積，當(dāng)激光能量遠大于皮膚氣化閾值時，皮膚的真皮層膠原層吸收光子能量，導(dǎo)致皮膚組織內(nèi)部出現(xiàn)干性壞死，其顏色快速變化為棕黑色。由于大量的氣化物或熔融物因為激光的持續(xù)處理沒有辦法及時排出皮膚表面，因此,在溝槽底表面與側(cè)壁處重新凝固附著形成熔渣。

圖5 不同激光功率下的皮膚表面形貌圖

2.2 磨削處理皮膚表面的微觀形貌

從圖6可以看出，砂輪線速度對皮膚表面處理的影響，隨著線速度增加，皮膚表面逐漸改善。當(dāng)砂輪線速度不超過20 m/s時，皮膚表面的主要缺陷為塑性的滑移變形。由于皮膚的去除方式主要靠砂輪的法向擠壓產(chǎn)生塑性變形，因此，在進給過程中磨粒和工件之間會出現(xiàn)摩擦和擠壓現(xiàn)象，將皮膚擠壓到磨粒兩側(cè)，大部分材料在磨粒剪切作用下向前運動形成磨屑。且磨粒的磨平磨損使得磨粒與皮膚之間的接觸面積增大，隨著應(yīng)力集中不斷增強，磨削平面出現(xiàn)滑移變形，真皮組織中的纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生形變[8]，同時磨削區(qū)溫度隨之上升，處理硬化效果變強，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)熱損傷。

圖6 不同砂輪線速度下的皮膚處理表面形貌

當(dāng)砂輪線速度大于20 m/s時，皮膚表面的主要缺陷是劃痕與破損，這可能是因為皮膚組織被較為鋒利的磨粒撕破，帶走了部分皮膚組織，但這種裂紋不多，深度較小。當(dāng)線速度不斷變大，皮膚表面的變形越來越少，表面質(zhì)量得到提高。這是由于砂輪線速度變大之后，對皮膚進行磨削的磨粒數(shù)量變多，皮膚的未變形磨削厚度變小，塑性變形深度與砂輪皮膚之間的磨削力減小，材料的去除效率變高。

2.3 脈沖激光輔助磨削皮膚表面

為了研究磨削對使用不同激光功率燒蝕后皮膚表面的影響，結(jié)合前面的研究結(jié)果，設(shè)置最佳的磨削參數(shù)對燒蝕后的皮膚進行磨削試驗，使用的砂輪線速度為30 m/s；單次進給深度為5 μm，工件移動速度為2 m/min。

將皮膚表面的燒蝕痕跡完全磨削掉之后的表面形貌見圖7，從圖7可以看出，不同激光功率對于皮膚表面磨削形貌的影響，在圖7(a)和7(b)中磨削后的皮膚表面主要表現(xiàn)為滑移變形，這可能是因為此時皮膚所受激光熱影響較小，皮膚結(jié)構(gòu)改變較小，表面硬度仍然較小，皮膚依然擁有較好的塑性性能[9]。而在圖7(c)和7(d)中所顯示的皮膚表面主要看到少量裂紋和部分劃痕，這可能是因為經(jīng)過大功率激光燒蝕后的皮膚表面硬度增加，從而改善了處理效果。隨著激光功率增加，磨削處理后的皮膚表面質(zhì)量逐漸改善，且獲得的表面質(zhì)量有明顯提高。

圖7 脈沖激光輔助磨削后皮膚表面形貌圖

觀察圖8脈沖激光輔助磨削處理示意圖看出，一方面，皮膚表面溝槽減小了砂輪與皮膚的接觸面積，縮短單顆磨粒的接觸長度，減少瞬時接合的運動切削刃，從而降低了磨削力，減少了磨削熱及其影響范圍[10]。且溝槽為工件和砂輪提供了容屑空間，在進行磨削時磨屑可以順著工件的運動方向進入皮膚表面的溝槽，減少了磨屑堆積在工件和砂輪表面和損傷工件表面的情況發(fā)生，并且冷卻液可以通過儲存在溝槽中的方式更加方便地流入磨削區(qū)和大幅提高了磨屑的排出效率，進一步實現(xiàn)砂輪與磨削區(qū)冷卻。另一方面，激光改變了皮膚表面的材料屬性，激光的高能量使得皮膚表面碳化，蒸發(fā)皮膚內(nèi)部水分，使得皮膚變硬變脆，因而磨削時減少了塑性變形，利于材料的粉末化去除，當(dāng)砂輪進行磨削處理時，激光增強了皮膚表面組織的硬脆性，砂輪表面磨粒對皮膚進行劃擦，發(fā)生皮膚組織直接崩碎的現(xiàn)象，提高磨削的效率，并且降低對皮膚下層的影響，提升磨削性能。

圖8 脈沖激光輔助磨削處理示意圖

3 結(jié)論

本論文以與人體皮膚結(jié)構(gòu)組織相近的豬皮組織作為研究對象，對皮膚組織的激光處理和磨削技術(shù)進行深入系統(tǒng)地研究，從不同處理參數(shù)下的皮膚表面形貌方面揭示皮膚組織的激光燒蝕機理和磨削機理，確定了最佳處理參數(shù)，并提出了脈沖激光輔助磨削皮膚的試驗，主要結(jié)論如下：開展了脈沖激光輔助磨削皮膚試驗，使用試驗得出的最佳激光參數(shù)對皮膚表面進行燒蝕，通過設(shè)置不同激光功率控制溝槽深度，然后對燒蝕后的皮膚進行磨削，并進行表面形貌觀察，與單一的磨削方式得到的皮膚表面進行對比，發(fā)現(xiàn)脈沖激光輔助磨削有利于提高表面質(zhì)量。