上海工程技術(shù)大學 王 越 王明紅
微孔的加工是先進制造技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,國內(nèi)外十分關(guān)注,并始終都在探索中,隨著科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,對微孔加工的要求越來越高,難度越來越大,微小孔尤其是微異形小孔[1](如圖1所示)的應(yīng)用日趨廣泛,廣泛應(yīng)用于航空航天、化纖機械等領(lǐng)域,這些小孔不僅孔徑小而且深徑比也較大,同時這些零件的材料有許多是高硬度高強度的難加工材料,這些對小孔的加工技術(shù)提出了新的要求。人們在微孔的加工中,采用了各種各樣的特種加工方法,電火花微孔加工就是行之有效的方法之一。但異形電極的加工確成為難點之一,本文針對化纖行業(yè)用異形噴絲板微孔用三葉形電極,進行了銀電極擠出過程的數(shù)值模擬,加工了工業(yè)化生產(chǎn)用噴絲板,并摸索出了一套完整的高精度整體電極制作及微孔加工工藝。
冷擠壓模具一般由以下四部分組成:(1)工作部分:凸模,凹模,上、下模座;(2)導向部分:導柱,導套或?qū)玻?3)卸料和頂出部分:卸料板,頂桿;(4)緊固部分:凹模壓板,螺栓,銷釘?shù)?。其特點:冷擠壓模具的外部輪廓形狀類似板料沖壓模具,但它比普通沖壓模具承受的壓力要大得多。一般接近甚至超過現(xiàn)有模具材料的強度極限。這種壓力又作用于冷擠壓模具的中心,成為相當大的集中載荷,而且工作時間很長,這是區(qū)別于其他成型方法和沖壓模具最為突出的特點。
擠壓生產(chǎn)中擠壓力的確定是十分必要的,擠壓力是擠壓設(shè)備的選擇、擠壓變形工序的擬定和模具設(shè)計的重要依據(jù)。迄今為止,國內(nèi)外眾多學者從不同的角度,根據(jù)不同的假設(shè)和實驗基礎(chǔ)提出了幾十種擠壓力的計算方法。但由于影響擠壓力的因素繁多,又相互作用,且在擠壓過程中不斷變化,所以擠壓工程中擠壓力的精確計算是一項艱巨的問題。
本文選用正擠壓單位擠壓力公式[2]:
以下例子為本文所設(shè)計的三葉形異形纖維加工電極工程中所需要的擠壓力,計算過程如下:
本文選用主缸最大壓力100KN的壓力機SHP10-10型。
模擬的材料純銀看作剛塑性材料,選取溫度為20°C作為模擬條件,應(yīng)變率分別選2.5和10對應(yīng)的應(yīng)變及應(yīng)力值計算見表1。
為對微腔模具擠壓過程進行數(shù)值模擬,下面以三葉形微腔模具為例進行擠壓模擬。模型采用簡化的方式,建模后如圖2所示.
模擬參數(shù)的輸入如表2所示。
3.4.1 模腔與銀粒子的摩擦對擠壓過程的影響
在冷擠壓過程中,由資料[3][4][5]可以查出,擠壓材料與模腔之間的摩擦系數(shù)在0.1-0.2之間,經(jīng)過模擬,擠壓可以進行,但模具受力情況及材料內(nèi)部的應(yīng)力分布情況有較大的差異,其載荷一行程曲線如圖3所示。
從圖3可以看出在有摩擦的時候,擠壓力在1300-1800N之間,而當沒有摩擦時,擠壓力僅需要400N左右,這說明摩擦對擠壓的影響較大,擠壓力越大,對模具的損害必然越大,由于噴絲板加工對電極的精度要求較高,要求每次擠出電極的尺寸要一致,為了減小修模次數(shù),應(yīng)該盡量減小摩擦對擠壓的影響。
表1 材料模型數(shù)據(jù)表
表2 模擬參數(shù)的輸入
圖1 異形孔孔形示意圖
圖3 摩擦對擠壓力的影響
3.4.2 凸模沖頭尺寸對擠壓的影響
目前,由于凸模應(yīng)用比較廣泛,需求量比較大,沖頭已經(jīng)進行了標準化設(shè)計,為了選用合適尺寸的沖頭,本文對不同尺寸沖頭大小對擠壓的影響進行了模擬,由于材料尺寸過小時,導致凸模沖頭的尺寸小,沖頭容易折斷,尺寸過大時,銀粒子會產(chǎn)生浪費,目前銀粒子尺寸基本選擇在Φ2.5×3左右,模腔尺寸為Φ2.53,比銀粒子直徑大30μm左右,下面我們將模擬沖頭大小不同時對擠壓的影響:
從圖4的模擬情況可以看出,當沖頭尺寸為Φ2.5的時候,擠壓基本按正擠壓情況進行,產(chǎn)生的飛邊較小,材料經(jīng)過??诹魅肽G唬划敍_頭尺寸為Φ2.4時,擠壓仍然可順利進行,擠出長度比Φ2.5時要短,飛邊較Φ2.5時要大;當沖頭尺寸為Φ2.3時,從模擬可以看出,雖然材料可以擠出,但會產(chǎn)生很大的飛邊,而且當擠出長度的時候,隨著擠壓的進行,材料將不再向下流動,而是沿著凸模與凹模中間的縫隙,向上擠出,因此從上面的模擬可見,沖頭尺寸限制在Φ2.4-Φ2.5比較合適。
根據(jù)加工要求,所要加工的微孔形狀如圖5所示:其中H=0.1±0.03mm,W=0.25±0.025mm,R=0.1。
圖2 擠壓初始位置圖
圖4 不同尺寸沖頭對擠壓影響的比較
圖5 異形孔形圖
圖6 模具片投影圖及表面粗糙度情況
圖7 實際加工孔型圖
實際對于要加工0.25×0.1的微孔,根據(jù)公式及機床加工時實際放電情況,可調(diào)單側(cè)放電間隙為10-30μm;通常情況下,根據(jù)加工經(jīng)驗,機床放電間隙在0.015mm時,加工出的零件比較穩(wěn)定,所以最終確定電極的尺寸為:H=0.085mm,W=0.24mm,R=0.1
由前面的模擬可知模具的粗糙度對擠出成形的質(zhì)量有很大的影響,甚至關(guān)系到能否擠出,對模具的壽命影響也很大,圖6是在顯微鏡下觀察到工作面粗糙度情況,可以看出,表面加工質(zhì)量較好,無明顯條狀紋理。
使用模具進行銀電極壓制,擠出長度控制在5-7mm,壓制過程中,壓力采用1700kgf。
擠壓出的電極經(jīng)矯直,然后進行電火花加工,所加工異形微孔孔形如圖7所示。
本文用Deform-3D軟件進行了銀電極擠出過程的數(shù)值模擬,分析了摩擦對擠壓力、應(yīng)力分布的影響及凸模尺寸對材料流動特性的影響,為模腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。并根據(jù)模擬結(jié)果對三葉形異形微孔進行加工,取得了預(yù)期效果。
[1]FZ/T92043-95,中華人民共和國紡織行業(yè)標準[S].
[2]洪慎章.冷擠壓實用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[3]賈俐俐主編.擠壓工藝及模具[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.
[4]上海交通大學《冷擠壓技術(shù)》編寫組.冷擠壓技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1976.
[5]楊長順編著.冷擠壓模具設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996.