微沖裁模具的微細電火花加工工藝研究

丁青旺，于騰龍，王 會，余祖元，李劍中，劉漢月

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024）

微沖裁加工是大批量生產(chǎn)薄型微小零件的高效方法。然而，微小模具必須在線加工才能避免模具在二次裝夾中產(chǎn)生的位置誤差，這對微小模具特別是復雜形狀的微小沖裁模具的加工帶來了新的要求與挑戰(zhàn)。為解決這一問題，日本東京大學的研究人員早在20世紀80年代末就采用微細電火花加工技術在線制備了微沖裁模具[1]，在不銹鋼薄片上沖裁長方形微孔。此后，韓國學者利用微細電火花加工方法制作出了直徑15 μm的硬質(zhì)合金微沖頭及直徑17 μm的硬質(zhì)合金微模具孔，并在13 μm厚的黃銅和不銹鋼薄片上沖裁出直徑15 μm的微孔[2]。國內(nèi)研究人員利用自行研制的微細電火花與微沖裁復合加工裝置，采用微細電火花加工技術在線制作了直徑100 μm的硬質(zhì)合金微沖頭和直徑110 μm的硬質(zhì)合金沖?？?，并在厚20 μm的黃銅箔上沖裁出直徑105 μm的微孔[3]。

迄今為止，對采用微細電火花加工技術的微沖裁加工的研究，通常以微小簡單形狀為主，在復雜精密微模具制作方面的研究較少。復雜形狀的精密微模具，其整體尺寸大，且局部尺寸微小，導致加工工藝復雜，加工效率低，精度難以控制，是微沖裁加工面臨的重要難題。本文介紹了采用微細電火花加工技術進行復雜截面形狀微沖裁模具的在線制作工藝。

1 微沖裁模具的形狀和尺寸

本文所加工的微沖裁模具見圖1。圖1a和圖1b分別為凹模和凸模端部的形狀和尺寸，凹模厚度為500 μm，凸模的軸向長度為600 μm，所用材料為硬質(zhì)合金YG6X。實驗中的沖裁加工取落料為工件，所以工件的形狀和尺寸與凹模相同，沿著凹模的輪廓向內(nèi)整體縮小單邊沖裁間隙的長度即為凸模的輪廓。因為所需沖裁的工件厚度t為100 μm，取單邊沖裁間隙c為工件厚度t的10%，即可得到單邊沖裁間隙c為10 μm。

圖1 模具的形狀和尺寸

圖1 所示的O1點為凸、凹模的幾何中心；O2點為凸、凹模的壓力中心，它是指沖裁時模具所受各沖壓力合力的作用點，它需與沖壓機床主軸中心重合，否則會因沖裁間隙不均勻而使模具產(chǎn)生偏載，導致機床運動部件和導軌的急劇磨損，從而降低機床和模具的壽命[4]。

2 凹模的制作

2.1 凹模制作工藝

凹模的制作主要包括鉆孔和銑輪廓兩道工藝（圖2）。鉆孔是用直徑300 μm的鎢電極，采用較大的放電能量，在凹模上面500 μm×500 μm面積的中心位置加工直徑約300 μm的通孔A（圖2a）。因為圓孔A周圍的凹模輪廓是正方形，鉆孔后留給下一工藝的余量是不均勻的，因此將鉆孔后的鎢電極用線電極電火花磨削技術 （WEDG）粗加工為直徑250 μm的圓形電極[5]，讓其穿過通孔A并沿著通孔A走正方形軌跡，進而得到如圖2b所示的方形通孔B。該過程作為粗加工，省去了對鎢電極的精加工，較大的放電能量可快速地去除大量材料，提高了加工效率；同時，所加工的通孔B有利于下一道工藝中加工液的流動，促進加工屑的排出，改善了加工質(zhì)量。為獲得尺寸準確、邊緣鋒利的凹模，進行銑輪廓精加工，以達到凹模的設計尺寸要求。

圖2 凹模制作工藝過程

利用經(jīng)WEDG加工的尺寸精確的鎢電極，沿著圖2c所示的銑輪廓走刀軌跡，采用小的放電能量，通過層層銑削去除材料，得到通透的凹模。圖2c所示的刀具輪廓指的是鎢電極的直徑與放電間隙之和。該過程作為精加工，尺寸精確的鎢電極可保證凹模的尺寸精確，小的放電能量能保證凹模邊緣的鋒利性。在層層銑削輪廓的工藝中，利用均勻損耗分段補償法對鎢電極進行軸向補償，以此保證每一層被加工面的平整度，提高火花放電的穩(wěn)定性，提高加工效率[6]。

2.2 凹模加工參數(shù)的確定

凹模加工參數(shù)的確定是通過加工細長槽獲得該放電參數(shù)下鎢電極加工硬質(zhì)合金的放電間隙θ1和相對體積損耗率δ1，從而確定精加工所用的電壓和電容參數(shù)。其中，放電間隙用于凹模加工中微細鎢電極直徑的確定，相對體積損耗率用來制定鎢電極軸向的進給深度。

圖3是確定凹模加工參數(shù)時的實驗加工形狀，其加工工藝包括鉆孔和銑槽。實驗加工參數(shù)見表1。先采用未加工的鎢電極（直徑約300 μm）在圖3所示的A、B處分別加工孔心距為1500 μm的2個通孔，這有利于下一步銑槽加工時加工屑的排出，且在電極運動到槽兩端時可避免機床運動帶來的電極與工件的碰撞；然后采用經(jīng)WEDG加工的微細鎢電極在A、B兩點間進行層層銑削，加工出銑槽C。

表1 凹模加工參數(shù)確定實驗的加工參數(shù)

圖3 凹槽的形狀

在完成凹槽加工后，需對各參數(shù)進行測量，以計算在電壓80 V、電容470pF的煤油介質(zhì)中，鎢電極加工硬質(zhì)合金YG6X的放電間隙θ1和相對體積損耗率 δ1，其計算方法見式（1）～式（4）。 其中，槽的寬度w、長度l和鎢電極直徑d0通過顯微鏡測量得到；槽的深度h通過探測得到，具體方法是在加工完槽后，利用一細小鎢電極在槽的底部均勻地探測5個點，記錄其Z坐標值并取平均值；然后在槽的上表面均勻地探測4個點，記錄其Z坐標值并取平均值，兩者之差即為槽的深度。電極軸向損耗l00也通過探測得到，具體方法是在銑槽加工前，將電極在槽表面非加工區(qū)域探測得到Z坐標值，加工后在同一地方探測得到另一Z坐標值，二者之差即為銑槽時電極的軸向損耗長度。

式中：V22為銑槽實驗中電極損耗的體積；V11為槽的體積；l為槽的長度。

圖4是加工出的凹槽和加工后的電極。通過探測和測量得到凹槽和電極的相關參數(shù)，將其代入式（1）～式（4）可得到放電間隙 θ1=7 μm、相對體積損耗率 δ1=0.012。

圖4 凹槽（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的電極

根據(jù)求得的放電間隙（7 μm）及圖1a所示的凹模最小特征尺寸（200 μm），確定凹模加工中銑輪廓工藝所用的電極直徑d=180 μm。將此電極直徑及相對體積損耗率 δ1代入式（5）～式（8）中，即可得到加工凹模時銑輪廓工藝中微細鎢電極的軸向進給深度l1=1250 μm。

式中：t為凹模片的厚度；l0為銑輪廓中電極的軸向損耗長度；V1為銑輪廓中去除的凹模材料體積；V2為銑輪廓中鎢電極損耗的體積；d為銑輪廓所用的鎢電極直徑；s為凹模的表面積。

為保證凹模徹底加工透且其正反面尺寸一致，將電極軸向進給深度l1增大至2000 μm。此外，通過計算得到在對凹模進行層層銑削加工時，每一層加工中的電極軸向損耗量約為10 μm。文中采用均勻損耗分段補償方法，每一層分5次進行補償，以改善加工狀況，提高加工效率。實際的凹模加工參數(shù)見表2。

表2 凹模的加工參數(shù)

2.3 凹模加工結果

根據(jù)前文所述的凹模加工工藝設計和確定的加工參數(shù)進行凹模的制作。圖5是加工的凹模和凹模銑輪廓工藝中所用的鎢電極。

圖5 凹模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后電極

3 凸模的制作

3.1 凸模制作工藝

凸模的制作包括兩道工藝：先用微細鎢電極在厚500 μm的黃銅片上加工出與凹模形狀相似的工件作為反拷貝電極，然后控制凸模毛坯緩慢向下進給，將反拷貝電極作為工具電極對凸模毛坯進行反拷貝加工（圖6）。加工時，工具和工件端部浸在裝有加工液的油槽中。由于加工中電極無旋轉(zhuǎn)，放電間隙狹小，加工屑排出不暢，易產(chǎn)生電弧放電、短路等非正常放電現(xiàn)象，造成加工效率與精度下降。為解決該問題，在反拷貝加工中采用超聲波振動器對反拷貝電極底部的工作液施加超聲波振動[7]，其振動頻率約為1700 kHz。

3.2 反拷貝加工放電間隙的確定

反拷貝加工放電間隙的確定實驗是通過反拷貝加工簡單形狀的方形凸模來得到該放電參數(shù)下黃銅電極對硬質(zhì)合金的放電間隙θ2，據(jù)此確定反拷貝電極的輪廓尺寸和實際反拷貝加工凸模時的電壓和電容參數(shù)。具體工藝過程為：用微細鎢電極在厚 500 μm 的黃銅片上加工約 500 μm×500 μm 的方形通孔作為反拷貝電極，再利用該電極在端部尺寸約1000 μm×1000 μm的硬質(zhì)合金方形棒上加工方形凸模。為促使加工屑排出，并使加工過程穩(wěn)定，在加工過程中采用超聲波輔助振動工作液的方法來提高加工效率和精度，振動器的電壓為15 V。表3是反拷貝凸模放電間隙確定實驗的加工參數(shù)。

圖6 凸模制作工藝示意圖

表3 反拷貝放電間隙確定實驗的加工參數(shù)

圖7是加工出的方形凸模和使用過的方形反拷貝電極。測量方形反拷貝電極的邊長和方形凸模的邊長，取二者差值的一半，即可得到在80 V電壓和470pF電容下，黃銅反拷貝電極加工硬質(zhì)合金的放電間隙θ2=15 μm。

圖7 方形凸模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的反拷貝電極

3.3 反拷貝電極的制作

如圖8a所示，將圖1所示的凸模輪廓向外擴大反拷貝放電間隙θ2=15 μm的距離，即可得到圖8b所示的反拷貝電極尺寸。其中，O1點是反拷貝電極的幾何中心，O2點是反拷貝電極的壓力中心。

圖8 反拷貝電極尺寸的確定寸

反拷貝電極的加工工藝和凹模的加工工藝相同，首先要進行反拷貝電極加工參數(shù)的確定實驗，所加工的凹槽和加工后的電極見圖9，再根據(jù)實驗得到鎢電極加工黃銅的放電間隙θ3=9 μm和相對體積損耗率δ3=0.018，據(jù)此可確定反拷貝電極的加工參數(shù)（表4）。最后，通過鉆孔粗加工和層層銑削的精加工得到反拷貝電極（圖10）。

圖9 凹槽（黃銅）和加工用電極

圖10 反拷貝電極（黃銅）和加工后的鎢電極

3.4 反拷貝加工凸模

凸模毛坯是直徑6 mm 的硬質(zhì)合金圓棒，因凸模的尺寸跨度相對圓棒的直徑較小，所以用電火花線切割技術在凸模毛坯端部加工出長2.1 mm、寬1.1 mm、高5 mm的長方體（圖11），通過這樣的粗加工可快速地去除材料，提高反拷貝加工的效率。長方體的幾何中心在圓棒的軸線上，其長、寬需保證反拷貝加工中該長方體能將反拷貝電極完全覆蓋。為了保證最后加工的凸模壓力中心在主軸中心上，需將主軸中心對準反拷貝電極的壓力中心。

表4 反拷貝電極的加工參數(shù)

根據(jù)前文所述的凸模制作工藝及確定的反拷貝加工參數(shù)，利用圖10所示的反拷貝電極進行凸模的反拷貝加工，加工出的凸模和加工后的反拷貝電極見圖12。

圖11 凸模毛坯（硬質(zhì)合金YG6X）

圖12 凸模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的反拷貝電極

4 凸凹模精度分析

4.1 尺寸誤差統(tǒng)計

將凸、凹模的尺寸進行統(tǒng)計整理，為便于表達，將凸、凹模的主要尺寸用編號A、B、C、D表示 （圖13）。將各尺寸的實際值減去圖1所示的設計尺寸，即可得到各尺寸的誤差（表5）。

圖13 凸凹模的尺寸編號示意圖

圖14 分別是凸模和凹模的邊緣，可見其邊緣鋒利。圖15是凸模的側(cè)壁圖，可見其尺寸均勻，沿軸向無明顯錐度。

4.2 尺寸誤差分析

表5 凸凹模的尺寸及其誤差 μm

圖14 凸凹模邊緣（硬質(zhì)合金YG6X）

圖15 凸模側(cè)壁（硬質(zhì)合金YG6X）

在機械加工中，機床、工具、工件和夾具組成的工藝系統(tǒng)都會產(chǎn)生誤差，且會在每個工藝過程中產(chǎn)生加工誤差，并最終反映為工件的加工誤差。工藝系統(tǒng)中能直接引起加工誤差的因素稱為原始誤差，其按時間順序可分為加工前的誤差、加工過程中的誤差和加工后的誤差（圖16）。

圖16 凸凹模的加工誤差

工藝系統(tǒng)幾何誤差是指機床、工具和夾具在制造時的誤差。其中，機床的誤差主要包括直線運動平臺的誤差及主軸的回轉(zhuǎn)誤差，本實驗所用運動平臺的最小分辨率為0.1 μm，重復定位精度為1 μm，主軸的徑向跳動在1 μm內(nèi)，可很好地滿足加工要求；工具的誤差主要指加工中所用鎢電極的直徑誤差，機床受周圍環(huán)境的影響在不同時段會產(chǎn)生變形，導致同樣的坐標值在不同時段加工出的電極直徑不同，因此會帶來加工誤差。為保證電極尺寸的準確性，在每次電極加工前，要先進行試加工，并以此為參考調(diào)整坐標值進行電極加工。

原理誤差是指電火花三維加工控制系統(tǒng)中采用的斜線和圓弧插補帶來的誤差。以圖17所示的外圓弧加工為例，如果在零件建模時采用圖示的理論輪廓，則根據(jù)所采用的逐點比較法插補原理，工件加工后的輪廓為圖示的實際輪廓，它和理論輪廓相差約插補步長的距離。實驗中控制機床按4 μm的插補步長空走一直徑500 μm的圓，將所采集的機床實際軌跡點坐標和圓的理論軌跡進行比較，結果顯示最遠的實際軌跡點和圓的理論軌跡相差約3.8 μm。為消除此誤差，在零件建模時將圓弧的半徑增大插補步長的量至圖示的補償輪廓，這樣，工件加工后的輪廓就更接近圖中的理論輪廓。

實驗中使用的工件通常為長20 mm、寬20 mm的薄片，裝夾時將其放在夾具的定位平面上，并壓緊其4個角。壓緊力不均勻會導致工件整體傾斜，由此帶來工件表面和主軸軸線的垂直度誤差，此誤差可通過探測工件表面4個角的Z坐標獲得，根據(jù)探測結果通過調(diào)節(jié)壓緊力來減小工件表面和主軸軸線的垂直度誤差。如圖18所示，通過調(diào)整可將工件表面上1 mm×1 mm范圍內(nèi)的平面度誤差控制在約10 μm內(nèi)，所加工的工件在XY方向的最大尺寸為1500 μm，此平面度誤差會導致該尺寸增大為1500.075 μm，該誤差可忽略不計。

圖18 工件平面度誤差對加工的影響

工藝系統(tǒng)熱變形存在于整個加工過程中，主要包括環(huán)境溫度變化引起的熱變形，以及反拷貝加工中施加于工作液的振動引發(fā)的加工液溫度變化引起的熱變形。為消除環(huán)境溫度變化引起的熱變形，實驗中控制機床周圍的室溫在23.5～24.5℃。圖19是從上午8點至晚上10點、每隔0.5 h記錄的機床周圍溫度，可見其溫度變化在1℃內(nèi)。

圖19 機床周圍溫度變化

機床主軸通過一懸臂結構和Z軸相連，由溫度變化引起的懸臂結構熱變形在X方向?qū)ΨQ，故可忽略；而其在Y方向引起的熱變形是單向的，不可忽略。圖20是該懸臂結構實物圖，包括Y方向長約100 mm的鋁合金材料結構和Y方向長約30 mm的聚四氟乙烯材料結構，兩種材料的熱膨脹系數(shù)分別約為 23.8×10-6℃-1和 10.3×10-5℃-1。 當溫度變化1℃時，該懸臂結構會在Y方向產(chǎn)生約5 μm的變形量。針對該系統(tǒng)性誤差，可在凹模零件建模時將尺寸C設計為495 μm以補償熱變形。此外，對工作液施加超聲振動后，工作液溫度會高于機床周圍溫度，通過實驗觀察，該溫差約為6℃。為消除加工液溫度變化引起的加工誤差，在反拷貝加工前即對工作液施加振動，待工作液溫度穩(wěn)定后再進行加工。

圖20 主軸懸臂結構

加工后的誤差主要包括測量誤差和探測誤差。為了消除顯微鏡的測量誤差，對每個尺寸分別測量3次取平均值。為了消除探測誤差，實驗分別對平面四周的4個點進行探測，以及對凹槽底部和表面均勻地探測5個點，同一個點探測3次取平均值。

5 結語

本文介紹了復雜形狀微沖裁模具的制作工藝。為了提高加工效率和精度，采用超聲波振動工作液的方式，促使狹窄放電間隙中的加工屑排出，降低非正常放電的發(fā)生。針對加工誤差，從工藝系統(tǒng)的各要素進行了分析。

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