SUS304不銹鋼封裝板微沖壓工藝研究

郝智聰，徐 杰，單德彬，郭 斌

(1.微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

行業(yè)對微型構(gòu)件的需求促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的涌現(xiàn)和發(fā)展，隨著對微細(xì)加工技術(shù)研究的不斷深入，導(dǎo)致了微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)這一門新興學(xué)科的飛速發(fā)展和逐步進(jìn)入實用化階段［1-3］.薄板微型件在電子制造產(chǎn)業(yè)與IC產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使得薄板微成形成為此領(lǐng)域的研究熱點［4］.微沖壓技術(shù)具有低成本、產(chǎn)量大、加工簡單、成形件質(zhì)量好等優(yōu)點，特別適合薄板類零件的批量制造［5］.微沖壓成形主要針對微孔、微型筒形件以及微型引線框等微型零件進(jìn)行微拉深、彎曲以及沖裁等工藝［6-7］.Lee 等［8］系統(tǒng)研究了微型引線框沖裁時塑性各向異性、沖裁間隙等對沖裁力、沖裁能和引線框精度的影響規(guī)律;Joo等［9］以黃銅為實驗材料，采用中斷實驗研究微沖裁的斷裂機(jī)理，制造出直徑分別為100、50和25 μm的微孔類零件;Aoki等［10］針對 IC工業(yè)中的微孔，展開陣列微孔沖裁工藝研究，制得直徑200 μm的微孔類電子插腳;Saotome引入相對凸模半徑Dp/t(沖頭直徑與箔材厚度之比)研究極限拉深比的變化規(guī)律［11］;Katou 等［12-13］利用微沖裁技術(shù)對應(yīng)用在IC晶片上錫焊的錫料進(jìn)行落料，落料最小尺寸為 Φ50 μm×30 μm的圓柱.

為實現(xiàn)微型零件的批量制造，微成形裝備還需解決微型試樣的在線搬運、自動上料與卸料等難題［14］.Qin等［15］針對薄板微沖壓成形工藝，研制了基于微型伺服滾輪的自動送料裝置，采用無接觸光學(xué)直線編碼器實現(xiàn)位置的精確定位.利用這種快速高精度送料裝置，能夠滿足薄板微成形批量制造的要求.

本文以不銹鋼封裝板為研究對象，開展不銹鋼薄板高效率、一體化微沖壓工藝研究，設(shè)計了集自動送料、輔助定位、落料、微沖孔以及微拉深于一體的高效、復(fù)雜、高精度封裝板級進(jìn)模具裝置，分析成形條件對成形質(zhì)量的影響規(guī)律，確定最佳工藝參數(shù).

1 不銹鋼封裝板微沖壓工藝方案

1.1 封裝板結(jié)構(gòu)分析

本文成形的零件為某傳動機(jī)構(gòu)外封裝板，是薄板類零件.封裝板的總體尺寸為14.0 mm×6.5 mm，此零件上有多個不同尺寸的微孔，沖裁孔的最小直徑為0.8 mm，最大直徑為2.0 mm，此外還帶有3個直徑為0.72 mm的微型定位凸臺，凸臺高度為150 μm.零件三維造型圖如圖1所示.

圖1 不銹鋼封裝板三維造型圖

為滿足實際應(yīng)用過程中的特殊需要，該不銹鋼封裝板件要求加工精度高、抗沖擊性能好.同時，由于此零件的需求量大，要求其能夠滿足微型構(gòu)件的低成本批量化制造要求.針對不銹鋼封裝板的結(jié)構(gòu)特點，傳統(tǒng)制造工藝中主要采用機(jī)械加工方法加工封裝板微孔，采用電火花加工外輪廓，然后采用焊接方法制造3個定位凸臺.該方法在焊接過程中不僅會產(chǎn)生變形，精度難以保證，還降低了生產(chǎn)效率，不能滿足微型零件批量要求.

本文針對后封裝板結(jié)構(gòu)特點，對封裝板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將底面的3個凸臺設(shè)計為3個微杯凸臺，采用微沖裁拉深的復(fù)合工藝，實現(xiàn)封裝板的一體化成形.其中，通過多個尺寸不同的精度高的微型沖頭在模具上的精確固定，一次性沖壓后就沖裁出定位準(zhǔn)確的所有微孔.

1.2 封裝板件微沖壓工藝方案設(shè)計

采用一臺安裝有滾輪送料機(jī)構(gòu)的微沖壓系統(tǒng)，在一套模具中依次實現(xiàn)送料、板料展平、輔助定位、微沖孔、微拉深以及落料等多個復(fù)雜工步，不僅提高了微型構(gòu)件的加工效率，同時保證了微型構(gòu)件的成形精度.工藝路線如圖2所示.

具體的工藝流程如下:1)調(diào)節(jié)不銹鋼料帶送入導(dǎo)向柱上的導(dǎo)料槽中，保證后續(xù)送料過程的平穩(wěn)順暢.設(shè)置行程參數(shù)，啟動沖壓機(jī)，完成首次沖壓，沖出第1對定位孔.2)導(dǎo)料柱隨著模具恢復(fù)到初始位置之后，通過對自動送料機(jī)構(gòu)的設(shè)置，送料機(jī)構(gòu)精確送料，即第2個定位銷的距離.模具開始二次下行，沖出薄板中間位置處的3個小孔，直徑從左至右分別為1.0、1.0、0.8 mm，同時沖出第2對定位孔.3)待模具回復(fù)，送料機(jī)構(gòu)重復(fù)以上送料動作.當(dāng)4個定位孔與定位銷重合后，進(jìn)行了第3次沖孔，成形出直徑為 0.8、1.4、1.2、2.0 mm 的小孔.4)待經(jīng)過第3次沖壓的模具回到初始位置時，送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行第3次送料.完成之后，進(jìn)行拉深工序，通過調(diào)節(jié)模具的行程來控制拉伸杯的高度同時避免拉破，要求拉伸杯的高度為0.15 mm，直徑為0.72 mm.5)拉深工序完成，模具復(fù)位，送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行第4次送料，模具進(jìn)行最后一次動作，完成落料，得到包括多個不同尺寸微孔和3個微杯的封裝板零件.在充分研究了封裝板微沖壓工藝性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了集自動送料、輔助定位、落料、微沖孔以及微拉深于一體的高效、高精度封裝板級進(jìn)模具裝置，如圖3所示.

圖2 微沖壓工藝路線

圖3 封裝板微沖壓模具示意圖

該模具裝置采用負(fù)間隙導(dǎo)向方式，導(dǎo)向精度高，采用精密控制的滾輪帶料送料機(jī)構(gòu)實現(xiàn)間歇式準(zhǔn)確送料.針對此不銹鋼薄板上的微孔及拉伸杯數(shù)量較多且直徑大小不一，為了使成形出的薄板零件各個孔及拉伸杯的相對位置穩(wěn)定、精確，采用了定位銷與定位孔配合的方案，使得每次進(jìn)行下一步加工之前，定位銷先與前一步打出來的定位孔配合，以此沖頭或者凸模都能準(zhǔn)確地找到其相對于薄板的位置，從而保證了連續(xù)自動加工的可能性及成形零件的穩(wěn)定性、一致性.

2 封裝板微沖壓工藝實驗

2.1 實驗材料

奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)秀的耐腐蝕性及良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能及可焊接性能，因而在化工、石油、海洋、食品、輕工等多種領(lǐng)域具有廣泛的用途.

本文要成形的零件包含多個微小孔，在塑性變形過程中，應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，顯著地影響亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能，提高強度、韌性和成型性［16］.SUS304不銹鋼即是亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼的典型代表.本文選用厚度為150 μm的SUS304不銹鋼(0Cr18Ni9)薄板作為該微型構(gòu)件的材料，主要化學(xué)成分見表1.

表1 SUS304不銹鋼箔的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 實驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

采用日本微細(xì)加工研究所生產(chǎn)的DT-3H臺式螺旋沖壓機(jī)進(jìn)行不銹鋼封裝板微沖壓工藝實驗，設(shè)備如圖4(a)所示，位移測量精度為4 μm，輸出力測量精度為0.5%.

為了滿足不銹鋼封裝板零件的批量化生產(chǎn)需求，在DT-3H微沖壓系統(tǒng)旁邊添加了一個自動送料機(jī)構(gòu).不銹鋼封裝板微沖壓模具如圖4(b)所示.料機(jī)構(gòu)進(jìn)行第3次送料.完成之后，進(jìn)行拉深工序，通過調(diào)節(jié)模具的行程來控制拉伸杯的高度同時避免拉破，要求拉伸杯的高度為0.15 mm，直徑為0.72 mm.

圖4 封裝板微沖壓裝置

自動送料機(jī)構(gòu)送料時必須待導(dǎo)料柱復(fù)原，使得不銹鋼帶在整個送料過程中保持水平，同時在兩次工作的間隙為送料機(jī)構(gòu)送料保留足夠的時間及空間.根據(jù)沖壓模具加上墊塊的整體高度及沖頭和凹模的高度，設(shè)備行程范圍為25～10 mm，通過實驗確定最佳的上、下死點位置.封裝板微沖壓工藝實驗參數(shù)見表2.不銹鋼薄板與模具之間在成形過程中的摩擦力很小，實驗過程中沒有采用潤滑劑.

表2 不銹鋼封裝板微沖壓工藝參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 封裝板微沖壓工藝實驗

采用上述設(shè)備及模具進(jìn)行微沖壓試驗，成形出質(zhì)量良好的微型封裝板件，如圖5所示.結(jié)果表明，采用該復(fù)雜一體化級進(jìn)示微沖壓成形模具裝置，制造出質(zhì)量良好的封裝板件.采用掃描電子顯微鏡測試封裝板微孔表面形貌及輪廓，結(jié)果表明，不同直徑的微孔其沖裁端面都十分平整，而落料邊的端面同樣也是比較平整的，無毛刺.

圖5 不銹鋼封裝板表面輪廓

采用掃描電子顯微鏡對微孔斷面質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示.微沖裁孔的光亮帶占比很大，且圓角帶、斷裂帶及光亮帶分布比較均勻，表明采用微沖壓技術(shù)加工的封裝板具有較好的斷面質(zhì)量.

研究了不同行程下限與微杯定位凸臺高度之間的關(guān)系，結(jié)果見表3.由表3可知:行程下限為24.3 mm時，微杯定位凸臺高度僅為0.09 mm;隨著模具行程下限的降低，微杯定位凸臺的高度也緩慢增加;到行程下限為24.55 mm時，微杯定位凸臺的高度達(dá)到了0.18 mm，達(dá)到了微杯定位凸臺的高度要求.

同時，采用該裝備進(jìn)行了后封裝板件的批量制造試驗，在送料速度 25 mm/s、沖壓速度10 mm/s條件下批量制造出不銹鋼封裝板件，如圖7所示.測試結(jié)果顯示，加工效率為1 120件/h，實現(xiàn)了不銹鋼封裝板件的高效率批量制造.

圖6 微沖裁孔斷面

表3 微杯定位凸臺高度

圖7 不銹鋼封裝板零件

3.2 尺寸精度測試

微孔類零件的輪廓精度評價是實現(xiàn)微孔實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，由封裝板零件的具體結(jié)構(gòu)可知，對零件成形精度的評估，主要是對微孔及微杯定位凸臺的成形精度進(jìn)行測量.其中，對微沖裁孔的精度測量本文主要包括微孔的尺寸誤差，圓度及質(zhì)量穩(wěn)定性的測量，而對微杯定位凸臺的測量則主要是拉深高度及微杯定位凸臺的圓度.本文采用激光共聚焦顯微鏡分別對不同零件的同一個微孔直徑進(jìn)行了測量，其具體分布如表4所示.結(jié)果顯示，微孔圓度誤差為＜4.5 μm，尺寸精度誤差＜3 μm，微孔的成形尺寸精度穩(wěn)定且精度高，尺寸誤差在±0.05 mm之內(nèi)，根據(jù) GB/T 1804—2000《一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差》中的劃分，此精度級別屬于精密級，能夠滿足使用要求.

表4 微孔測量結(jié)果

同時，采用激光共聚焦顯微鏡對微杯定位凸臺的測量結(jié)果見表5.從表5可以看到，微杯定位凸臺的高度都大于150 μm，滿足其設(shè)計要求.另外，采用微沖壓成形的凸臺尺寸輪廓清晰，尺寸精度穩(wěn)定性良好，圓度比較理想，微杯定位凸臺激光共聚焦測量三維圖如圖8所示.

表5 微杯定位凸臺測量結(jié)果

圖8 圖微杯定位凸臺三維圖

3.3 力學(xué)性能檢測

不銹鋼封裝板作為某傳動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，封裝板的抗沖擊性能是滿足其安全工作的一個重要指標(biāo).本文采用馬歇特錘擊試驗機(jī)，按照配重0.185 kg、錘質(zhì)量0.682 kg、總質(zhì)量0.867 kg的條件，對應(yīng)5～23齒，進(jìn)行相應(yīng)過載的錘擊，測試結(jié)果見表6.結(jié)果表明，真實的沖擊實驗與仿真結(jié)果一致，在超過47 880 g的超負(fù)荷條件下，封裝板表面平整，未出現(xiàn)明顯變形，能夠滿足封裝板機(jī)械性能要求.

表6 封裝板檢測情況

4 結(jié) 論

1)研制了集自動送料、輔助定位、構(gòu)件成形于一體的高效、復(fù)雜、高精度不銹鋼封裝板零件級進(jìn)式模具裝置，實現(xiàn)不銹鋼封裝板高質(zhì)量成形.

2)研究了不銹鋼封裝板落料、微沖孔以及微拉深一體化微成形工藝，通過大量實驗確定了最佳的工藝參數(shù)，實驗結(jié)果表明成形零件的尺寸精度高、穩(wěn)定性好，成形效率可達(dá)1 120件/h，實現(xiàn)了不銹鋼封裝板件高效率、低成本批量化制造新工藝.

3)對不銹鋼封裝板進(jìn)行抗沖擊性能測試，結(jié)果表明在超過47 800 g的超負(fù)荷條件下，封裝板表面平整，未出現(xiàn)明顯變形，能夠滿足不銹鋼封裝板的機(jī)械系性能要求.

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