分層厚度對(duì)微細(xì)電火花銑削加工模具及熱壓制品表面粗糙度的影響

項(xiàng)得勝，王　會(huì)，李劍中，虞慧嵐，余祖元

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

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分層厚度對(duì)微細(xì)電火花銑削加工模具及熱壓制品表面粗糙度的影響

項(xiàng)得勝，王會(huì)，李劍中，虞慧嵐，余祖元

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

摘要：分層厚度直接影響微細(xì)電火花銑削加工的加工效率及表面粗糙度。為了合理規(guī)劃微細(xì)電火花銑削加工的分層厚度，提高加工效率，研究了分層厚度對(duì)微細(xì)電火花加工的模具型腔及相應(yīng)熱壓成形制品表面粗糙度的影響，同時(shí)分析了熱壓成形制品表面與微模具型腔表面之間的關(guān)系，以及熱壓前、后微模具型腔表面輪廓的變化。結(jié)果表明：當(dāng)電極軌跡重疊率一定時(shí)，模具型腔底面的表面粗糙度值隨著分層厚度的增加而增大；分層厚度對(duì)型腔側(cè)壁表面粗糙度無(wú)明顯影響；熱壓制品表面輪廓算術(shù)平均偏差小于模具型腔表面輪廓算術(shù)平均偏差；熱壓后的模具表面輪廓發(fā)生了變化，表面粗糙度值Ra和峰高Rpk減小，峰谷Rvk增大。

關(guān)鍵詞：微細(xì)電火花加工；微模具；熱壓成形；表面粗糙度

隨著微機(jī)械電子系統(tǒng)的發(fā)展，微小制件得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。微注塑及微熱壓作為聚合物微塑成形技術(shù)，因其制品精度好，成形效率高，使其在電子、航空航天、生物科技及精密儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。微熱壓成形因聚合物流動(dòng)少，能有效地避免內(nèi)部應(yīng)力，被應(yīng)用于成形更精巧的結(jié)構(gòu)[4]。聚合物微熱壓成形是在合適的溫度、壓力下，模具的微小結(jié)構(gòu)復(fù)制到聚合物基板的一種工藝。

微模具的加工成為微塑成形的關(guān)鍵，因模具結(jié)構(gòu)微小，尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)的制造方法已不能滿足要求。因此，LIGA技術(shù)、微銑削加工技術(shù)、微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)、微細(xì)電火花加工技術(shù)等先進(jìn)制造工藝被應(yīng)用于微模具的加工領(lǐng)域[5]。由于電火花加工是非接觸式加工，工具與工件間無(wú)宏觀作用力，所以利用簡(jiǎn)單截面的柱狀電極，采用微細(xì)電火花逐層銑削的加工方式，能在任何導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料上加工出任意復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)[6]。

分層厚度是微細(xì)電火花銑削加工中的重要參數(shù)，既影響加工過(guò)程中的工具損耗，也直接影響三維結(jié)構(gòu)加工的效率，層厚越大，加工效率越高。微細(xì)電火花加工的模具型腔表面比光刻工藝加工的更粗糙；此外，聚合物材料的性質(zhì)使熱壓制品表面輪廓與微細(xì)電火花加工的模具型腔表面并非完全復(fù)制的關(guān)系。因此，微細(xì)電火花銑削加工的模具型腔表面粗糙度與熱壓制品表面粗糙度之間的關(guān)系，以及分層厚度對(duì)兩者表面質(zhì)量的影響值得研究，以達(dá)到合理規(guī)劃分層層厚、提高加工效率的目的。

本文采用微細(xì)電火花銑削加工工藝，在放電參數(shù)、電極軌跡重疊率一定的情況下，加工不同分層層厚的模具型腔。實(shí)驗(yàn)選取PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）作為熱壓成形材料，以Ra、Rpk、Rvk作為表面質(zhì)量的評(píng)定參數(shù)，研究了制品與模具表面輪廓的關(guān)系，以及分層厚度對(duì)模具側(cè)壁、底面及制品相應(yīng)表面的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

微模具型腔加工設(shè)備為自制立式微細(xì)電火花加工機(jī)床（圖1），其X、Y、Z 3個(gè)移動(dòng)平臺(tái)的最小分辨率均為0.1 μm，單向重復(fù)定位精度為1 μm，最大行程為204 mm。旋轉(zhuǎn)主軸徑向跳動(dòng)在1 μm以內(nèi)，最大轉(zhuǎn)速為40 000 r/min。

本文所涉及的熱壓成形試驗(yàn)均在圖2所示的熱壓成形機(jī)上完成，該熱壓成形機(jī)是大連理工大學(xué)微系統(tǒng)研究中心自行研制而成。其上下熱壓采用獨(dú)立的溫度控制，控制精度為±1℃；壓力通過(guò)傳感器進(jìn)行反饋控制，控制精度為±40 N；控制系統(tǒng)的軟件采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作及全自動(dòng)運(yùn)行，均滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2　實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1模具型腔的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)見圖3。三維型腔的設(shè)計(jì)尺寸為600 μm×600 μm×102 μm，其側(cè)壁分別有60°、45°的傾角。具有傾角的側(cè)壁結(jié)構(gòu)一方面有利于熱壓制品的脫模，降低制品次品率；另一方面，可得到不同分層厚度條件下，側(cè)壁臺(tái)階形誤差的大小及對(duì)側(cè)壁表面質(zhì)量的影響。

2.2模具型腔的加工

微細(xì)電火花銑削加工中，選取的層厚不同，模具型腔的表面形貌也會(huì)不同，其對(duì)熱壓制品表面輪廓特征的影響值得研究。因此，在相同的工藝參數(shù)下，選擇了不同層厚來(lái)加工模具型腔，分層厚度分別為0.5、1、1.5、2、3、4 μm。微細(xì)電火花銑削加工時(shí)的工藝參數(shù)（如開路時(shí)的掃描速度、短路時(shí)的后退速度、短路電壓、開路電壓及插補(bǔ)步長(zhǎng)等）見表1。

圖1　微細(xì)電火花加工裝置

圖2　熱壓成形機(jī)

圖3　模具三維模型

表1　微細(xì)電火花銑削加工條件

2.3熱壓成形

熱壓成形的主要工藝參數(shù)有：保壓壓力、保壓時(shí)間、保壓溫度、脫模溫度，這些參數(shù)直接影響熱壓制品的成形質(zhì)量。本試驗(yàn)的熱壓成形參數(shù)見表2。

表2　熱壓成形參數(shù)

熱壓過(guò)程中溫度、壓力隨時(shí)間的變化曲線見圖4。熱壓成形法制作聚合物微器件的工藝過(guò)程為：

（1）將模具及聚合物板材加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上。

（2）在保壓溫度Th下，加壓Ph并保持一定的時(shí)間，使聚合物充滿模具型腔。

（3）在加壓的條件下，將模具和聚合物制品冷卻到脫模溫度（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之下）脫模。壓印力一直保持到脫模時(shí)釋放，是為了避免過(guò)早地釋放熱壓壓力造成熱壓制品的回彈及變形。

圖4　熱壓工藝參數(shù)曲線

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1模具型腔的加工結(jié)果

加工后的模具型腔SEM掃描電鏡照片見圖5。由于采用分層銑削的原因，在加工側(cè)壁輪廓表面不可避免地存在微小的臺(tái)階形誤差，分層層厚越大，臺(tái)階形誤差越大（圖6）。

圖5　模具型腔的SEM圖

圖6　不同分層厚度下的模具側(cè)壁形貌

加工模具型腔后的工具電極見圖7?？煽闯?，基于微細(xì)電火花層層銑削原理加工后的電極端部保持不變，無(wú)明顯損耗圓角。

圖7　微模具加工所用刀具

利用精密測(cè)量顯微鏡對(duì)模具進(jìn)行測(cè)量，模具型腔的尺寸見表3?？梢?，隨著分層厚度的增大，加工時(shí)間減少，效率提高。

3.2制品成形結(jié)果

在表2所示的熱壓參數(shù)下進(jìn)行了5組熱壓成形試驗(yàn)，選取其中一組表面質(zhì)量較好、無(wú)明顯缺陷的熱壓制品進(jìn)行三維輪廓的測(cè)量。利用測(cè)量軟件輸出模具及制品對(duì)應(yīng)區(qū)域的輪廓曲線，并在同一坐標(biāo)下繪制兩者的輪廓線。模具型腔側(cè)壁與制品側(cè)壁的擬合圖見圖8，可見制品輪廓線與模具輪廓線基本重合，很好地復(fù)制了模具尺寸形貌。

表3　模具尺寸數(shù)據(jù)

圖8　模具與熱壓制品輪廓擬合圖

熱壓制品的SEM圖片見圖9?？梢宰C明，在表2所示的熱壓參數(shù)下，制品表面輪廓復(fù)制良好。此外，從圖9還可發(fā)現(xiàn)，制品底面微觀輪廓復(fù)制了電火花加工產(chǎn)生的放電凹坑，其側(cè)壁輪廓也清晰地復(fù)制了微細(xì)電火花銑削產(chǎn)生的臺(tái)階形誤差。

每個(gè)模具的熱壓制品各選3個(gè)進(jìn)行尺寸測(cè)量，并統(tǒng)計(jì)X、Y、Z所有尺寸上的收縮率，求得各向收縮率的均值及上下偏差，結(jié)果見表4。可見，X、Y、Z向的收縮率均值分別為0.380 %、0.372 %、0.373 %，由此可得熱壓制品各向收縮率一致，這與注塑成形塑料制品的收縮率存在各向異性[7-8]有明顯區(qū)別。

3.3熱壓制品與模具型腔表面關(guān)系分析

3.3.1表面粗糙度評(píng)定參數(shù)選取

通常評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)大都采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra，但其對(duì)表面微觀幾何形狀的描述是不夠完善的，表面微觀輪廓的很多信息會(huì)被平均掉。因此，為了盡可能準(zhǔn)確地表征模具及制品表面輪廓的信息，本文引入表面粗糙度參數(shù)Ra、Rpk、Rvk[9]來(lái)表征熱壓前、后模具及制品的表面輪廓信息。

3.3.2制品與模具底面表面輪廓分析

利用白光干涉儀對(duì)模具熱壓前、后及熱壓制品進(jìn)行三維輪廓掃描，得到其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由圖10可知，制品表面微觀輪廓與模具表面微觀輪廓存在共軛關(guān)系。利用專業(yè)軟件對(duì)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)得模具及制品表面粗糙度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9　制品SEM圖

表4　制品尺寸及各向收縮率

圖10　模具及熱壓制品表面測(cè)量結(jié)果

從熱壓制品中選出表面完整、無(wú)明顯缺陷的一組進(jìn)行底面表面輪廓對(duì)比分析。利用專業(yè)測(cè)量軟件對(duì)白光干涉儀獲取的熱壓前、后模具及熱壓制品表面輪廓三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)面各測(cè)量5次，得到各個(gè)表面粗糙度參數(shù)Ra、Rpk、Rvk的均值及上、下偏差。采用折線圖的形式直觀地將熱壓前、后模具表面微觀輪廓與熱壓制品表面輪廓進(jìn)行對(duì)比（圖11～圖13），其中，橫坐標(biāo)編號(hào)1～6分別對(duì)應(yīng)表3、表4所示的編號(hào)1～6。

圖11　輪廓算術(shù)平均偏差Ra對(duì)比

圖12　表面輪廓Rvk、Rpk對(duì)比

圖13　表面輪廓Rpk、Rvk對(duì)比

3.3.3模具及制品側(cè)壁表面輪廓分析

對(duì)模具60°的側(cè)壁及熱壓制品相應(yīng)表面進(jìn)行了表面輪廓的測(cè)量。圖14是采用三維輪廓測(cè)量?jī)x得到的結(jié)果，圖15是模具及制品對(duì)應(yīng)側(cè)壁的SEM圖?？傻弥破穫?cè)壁表面輪廓與模具側(cè)壁表面輪廓也存在著共軛的關(guān)系。

由于制品側(cè)壁表面質(zhì)量受脫模影響較大，因此每個(gè)模具的熱壓制品各選3件進(jìn)行60°側(cè)壁表面輪廓的測(cè)量。采用專業(yè)測(cè)量軟件對(duì)每個(gè)制品的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行5次測(cè)量，獲得每個(gè)制品表面粗糙度參數(shù)的均值。然后，對(duì)每個(gè)模具的3件制品的表面粗糙度參數(shù)均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到各個(gè)模具對(duì)應(yīng)制品側(cè)壁粗糙度參數(shù)的均值及上、下偏差。

熱壓前、后模具60°側(cè)壁及制品相應(yīng)表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra對(duì)比見圖16。熱壓前、后模具60°側(cè)壁表面Rpk值及制品相應(yīng)表面Rvk值對(duì)比見圖17。熱壓前、后模具60°側(cè)壁表面Rvk值及制品相應(yīng)表面Rpk值對(duì)比見圖18。圖16～圖18中的橫坐標(biāo)編號(hào)1～6分別對(duì)應(yīng)表3、表4所示的編號(hào)1～6。

圖14　模具與制品側(cè)壁輪廓測(cè)量

圖15　型腔與制品側(cè)壁SEM圖

圖16　側(cè)壁表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra對(duì)比

圖17　熱壓前后模具側(cè)壁表面輪廓Rpk對(duì)比

圖18　熱壓前后模具側(cè)壁表面輪廓Rvk對(duì)比

4　結(jié)果分析

4.1分層厚度對(duì)模具底面及制品相應(yīng)表面輪廓的影響

由模具與熱壓制品的底面輪廓算術(shù)平均偏差Ra對(duì)比（圖11）可知，隨著微細(xì)電火花銑削中分層厚度的增大，模具表面粗糙度Ra值也增大。這是因?yàn)樵诜謱尤コ⒓?xì)電火花銑削加工中，兩條相鄰的電極運(yùn)動(dòng)軌跡之間存在切削痕跡（即刀痕，在Z軸方向），當(dāng)電極軌跡重疊率一定時(shí)，隨著分層厚度的增加，刀痕殘留高度也隨之增加。在微細(xì)電火花銑削加工中，分層厚度的增加使加工中短路、拉弧的現(xiàn)象增多，加工不穩(wěn)定；分層厚度減小后，表面的掃描更均勻，放電凹坑的相互重疊使表面粗糙度Ra值減小。

在熱壓過(guò)程中，模具表面和熱壓制品間存在著接觸。一方面，模具表面輪廓會(huì)復(fù)制到熱壓制品表面；另一方面，會(huì)使模具表面輪廓形貌改變。熱壓后模具底面的峰谷參數(shù)Rvk較熱壓前增大，這是因?yàn)殡娀鸹庸け砻嬗捎谑艿剿矔r(shí)高溫作用并迅速冷卻而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，往往出現(xiàn)顯微裂紋，其耐疲勞性能較低。由于在熱壓中PMMA與模具表面存在力的作用及摩擦[10-11]，而使模具表面顯微裂紋擴(kuò)展，表現(xiàn)為Rvk增大。熱壓后模具底面表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra及峰高參數(shù)Rpk有減小的趨勢(shì)，這與熱壓過(guò)程中PMMA與模具表面的摩擦及相互作用力有關(guān)。

熱壓制品與模具表面輪廓存在共軛關(guān)系，熱壓制品的表面粗糙度Rpk與模具表面粗糙度Rvk對(duì)應(yīng)，熱壓制品的表面粗糙度Rvk與模具表面粗糙度Rpk對(duì)應(yīng)（圖12、圖13）。由于PMMA的收縮及回彈特性，熱壓制品的表面Ra值較熱壓前后模具表面都減??；熱壓制品表面Rpk比熱壓后模具表面Rvk小，兩者變化的走勢(shì)相同；制品表面Rvk的變化趨勢(shì)也與熱壓后模具表面Rpk的變化趨勢(shì)相同。

4.2分層厚度對(duì)模具及制品側(cè)壁表面輪廓的影響

由圖16～圖18可看出，分層厚度的大小對(duì)模具側(cè)壁表面粗糙度Ra、Rpk、Rvk無(wú)明顯影響。熱壓后模具側(cè)壁表面輪廓發(fā)生變化，其中，Ra、Rpk有減小的趨勢(shì)，Rvk有增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵跓釅撼尚芜^(guò)程中，PMMA與模具側(cè)壁表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由摩擦導(dǎo)致模具表面微凸峰磨損，表面輪廓發(fā)生變化。

熱壓制品側(cè)壁表面與模具側(cè)壁表面存在著復(fù)制的關(guān)系，且兩者側(cè)壁表面粗糙度的變化趨勢(shì)相同。由于PMMA的收縮、回彈特性及脫模過(guò)程中存在的摩擦力，導(dǎo)致熱壓制品側(cè)壁表面粗糙度Ra值較模具側(cè)壁小。在制品脫模的過(guò)程中，制品側(cè)壁與模具側(cè)壁的摩擦力大，作用時(shí)間長(zhǎng)；此外，脫模方向輕微的偏斜會(huì)導(dǎo)致摩擦力迅速增大，使制品側(cè)壁局部出現(xiàn)破裂。因此，熱壓制品側(cè)壁峰高參數(shù)Rpk、峰谷參數(shù)Rvk較熱壓后模具側(cè)壁Rvk、Rpk要大。

5　結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)電火花三維銑削加工中，分層厚度對(duì)模具型腔側(cè)壁、底面的表面質(zhì)量的影響，并分析了熱壓成形中，模具表面輪廓的變化及制品與模具型腔的復(fù)制關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）在放電參數(shù)與電極軌跡重疊率一定時(shí)，隨著分層厚度的增加，模具型腔底面表面粗糙度值也增大。在分層厚度較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)增加刀具軌跡重疊率，以使底面輪廓掃描得更均勻。

（2）分層厚度對(duì)模具側(cè)壁表面粗糙度Ra、Rpk、Rvk沒有明顯影響。在對(duì)側(cè)壁臺(tái)階形誤差無(wú)嚴(yán)格要求的情況下，適當(dāng)?shù)卦龃蠓謱雍穸瓤商岣呒庸ば?，且不?huì)改變制品側(cè)壁表面粗糙度大小。

（3）熱壓前、后，模具底面及側(cè)壁表面輪廓發(fā)生變化，表現(xiàn)在表面粗糙度參數(shù)值Ra、Rpk減小及Rvk增大。

（4）熱壓制品的表面輪廓與模具表面輪廓存在著復(fù)制的關(guān)系，但又有不同。熱壓制品底面表面粗糙度值Ra、Rpk、Rvk較熱壓后模具底面粗糙度值Ra、Rvk、Rpk小；制品側(cè)壁表面粗糙度值Ra較模具側(cè)壁粗糙度值Ra小，而制品側(cè)壁表面粗糙度值Rpk、Rvk則大于模具側(cè)壁粗糙度值Rvk、Rpk。

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第十六屆中國(guó)國(guó)際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會(huì)

日期：2016年6月28日-7月1日

地點(diǎn)：上海浦東·新國(guó)際博覽中心

主辦：中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)

上海市國(guó)際展覽有限公司

Influence of Layer Thickness on the Surface Roughness of Micro Molds Machined by Micro EDM and Hot Embossed Products

Xiang Desheng，Wang Hui，Li Jianzhong，Yu Huilan，Yu Zuyuan
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：The surface quality and machining efficiency of 3D micro cavities machined by micro electro -discharge milling is related to layer thickness in milling. In order to improve machining efficiency of 3D micro-EDM，layer thickness should be determined reasonably. The influence of layer thickness on the surface quality of micro molds prepared by micro EDM and hot embossed products is studied. Furthermore，the surface relationship of micro hot embossed plastic parts and micro-molds，and the variation of surface profile of molds after hot embossed are analyzed. Experimental results show that the bottom surface roughness of mold cavity enlarge along with the increase of layer thickness，the surface roughness of sidewall of molds is irrelevant to layer thickness，the variation of micro plastic part surface roughness，Ra，Rvk and Rpk follows those of corresponding micro mold surface roughness. The surface profile of mold cavity has been changed after hot embossed.

Key words：micro EDM；micro mold；hot embossing；surface roughness

第一作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)得勝，男，1990年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20120041110033）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0010-07