基于微細(xì)電火花加工的微沖切實驗研究

曾志杰，李東坪，楊曉龍，余祖元，李劍中，徐文驥

（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

基于微細(xì)電火花加工的微沖切實驗研究

曾志杰，李東坪，楊曉龍，余祖元，李劍中，徐文驥

（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

針對復(fù)雜異型截面微沖切模具加工中凸模難以制備的問題，利用微細(xì)電火花三維銑削技術(shù)與電火花反拷貝加工技術(shù)相結(jié)合進行整套微沖切模具的在線制備，解決了復(fù)雜異型截面微沖切模具的制備及凹凸模具的對中等問題。采用該復(fù)合加工方案進行了微沖切凹凸模具的在線制備和微沖切加工實驗，成功制備出精度、質(zhì)量較好的復(fù)雜異形截面微模具及異形孔，并對沖裁件局部特征進行了詳細(xì)分析，驗證了該方案的可行性。

微細(xì)電火花三維銑削；反拷貝加工；微沖切

隨著產(chǎn)品微型化進程的不斷發(fā)展，諸如航空、醫(yī)療、精密儀器等領(lǐng)域?qū)τ谖⑿土慵男枨罅颗c日俱增。目前對于微型金屬零件的精密微細(xì)加工方法主要有微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、激光加工等。微細(xì)電火花加工零件雖然精度高，但加工效率較低[1]；而激光加工雖能達到很高的加工效率，但加工截面質(zhì)量較差[2]。此外，這些加工技術(shù)僅適用于小批量微細(xì)零件的加工，對于微細(xì)零件的大批量、低成本加工則難以實現(xiàn)。微沖切技術(shù)是解決上述難題的有效途徑，其低成本、高效率及較高的重復(fù)加工精度等特點使其成為微型零件低成本、批量制造中最具前景的一門技術(shù)，近年來逐漸被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注[3]。

Fujino等設(shè)計的基于微細(xì)電火花磨削加工技術(shù)的微沖切系統(tǒng)，可在厚度50 μm的青銅和聚酰亞胺材料上沖裁出直徑50 μm的微孔[4]。Joo等利用自制的沖裁設(shè)備在厚度100 μm的黃銅箔片上成功沖裁出直徑100 μm的微孔[5]；隨后又采用超精密磨削方式加工微沖頭，利用自制的基于超精密磨削技術(shù)的沖裁加工機床，分別在厚度 25、50、100 μm的CuZn37黃銅和AISI不銹鋼箔片上成功沖裁出直徑分別為25、50、100 μm的圓孔[6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員采用基于微細(xì)電火花加工的微沖裁設(shè)備，對影響沖孔質(zhì)量的因素進行了系統(tǒng)研究，并引入離子束輻照方法對沖頭進行終處理，以提高沖頭的表面質(zhì)量和壽命[7-8]。Chern等采用以微細(xì)電火花加工為主、輔以超聲振動的方式制作了微沖裁模具，并分別在黃銅和不銹鋼材料上進行了微孔沖裁實驗，對陣列微孔及規(guī)則異型孔的沖裁進行了研究，成功獲得了特征尺寸為200 μm的異型孔[9-11]。

目前對于微沖裁模具的加工主要采用微細(xì)電火花磨削（WEDG）[12]及塊電極磨削加工技術(shù)，限制了微沖裁模具的加工形狀，使其僅能加工出簡單截面形狀的微模具。本文利用自主研發(fā)的微細(xì)電火花-微沖切復(fù)合加工機床，通過微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜異形截面微模具的在線制備，并最終完成了復(fù)雜異形截面孔的微沖切加工。

1 微沖切實驗設(shè)備及加工工藝

1.1 微沖切實驗設(shè)備

實驗采用的加工裝置為自主研發(fā)的微細(xì)電火花-微沖切復(fù)合加工機床，其整體結(jié)構(gòu)見圖1。主要由大理石基座、三坐標(biāo)移動平臺、主軸模塊、WEDG模塊、沖裁控制模塊及門架等部分組成。圖2是機床實物圖，坐標(biāo)運動平臺的重復(fù)定位精度為1 μm，分辨率為0.1 μm，加工電源為張弛式RC脈沖電源，加工介質(zhì)為煤油。

1.2 微沖切實驗加工工藝

不同于常用的基于WEDG技術(shù)的微沖切模具制備方法，本實驗在凸模的制備過程中采用反拷貝電極（中間電極）過渡的方式進行加工。這樣做的優(yōu)點是能先以微細(xì)電火花三維銑削的方式加工出任意復(fù)雜形狀的型腔，再根據(jù)反拷貝加工原理將型腔復(fù)制到凸模毛坯上，從而得到復(fù)雜截面形狀的凸模，實現(xiàn)復(fù)雜截面形狀的微沖切模具的加工。實驗加工工藝流程見圖3，具體步驟如下：

（1）采用WEDG技術(shù)加工出圓柱形的簡單截面工具電極。為使電極尺寸精度較高，采用試切及多次進給的方式進行加工。

（2）采用微細(xì)電火花逐層銑削的方式進行凹模加工。加工前，先用毛坯電極進行凹模的粗加工，采用大能量鉆孔的方式進行；粗加工完成后，利用圓形截面的工具電極通過三維銑削的方式加工出所需形狀的凹模。

（3）采用與凹模加工相同的方法加工出所需形狀的反拷貝電極。

（4）用加工出的反拷貝電極在凸模毛坯上反拷加工出目標(biāo)形狀的凸模。為獲得精度更高的凸模，反拷加工中通過施加超聲振動工作液，促進加工屑的排出。

（5）通過電接觸探測法確定凹凸模具的對中關(guān)系，實現(xiàn)模具的對中后，使用加工出的凹凸模具完成工件板料的沖裁加工。

2 微沖切模具的制備

2.1 微沖切模具設(shè)計方案

圖4是零件加工的局部特征及相應(yīng)的尺寸標(biāo)號，對應(yīng)的各特征尺寸見表1。

該零件為沖孔件，根據(jù)沖裁加工原理可知，凸模的設(shè)計尺寸應(yīng)與沖孔件入口尺寸相一致，故根據(jù)零件的特征尺寸就能確定凸模端面的設(shè)計尺寸。本次沖裁的單邊設(shè)計間隙為20 μm，故在凸模端面尺寸的基礎(chǔ)上外擴一個沖裁間隙即可得到凹模對應(yīng)尺寸的設(shè)計值。根據(jù)工藝實驗得到反拷加工凸模的放電間隙，在凸模尺寸的基礎(chǔ)上外擴一個反拷放電間隙即可得到反拷貝電極的設(shè)計尺寸。實驗中，凹凸模具的材料為CD750，反拷貝電極的材料為H62黃銅。

實驗采用的待沖裁件材料分別為SUS 304、H62黃銅，其抗拉強度分別為505、380 MPa，厚度均為100 μm。沖裁力F的計算公式為：

式中：L為孔的周長，本實驗中L約為3136 μm；H為板材厚度；Su為材料的抗拉強度；Sf為剪切系數(shù)（一般取0.7～0.8），本實驗取值為0.8。

由式（1）計算可得：沖裁SUS 304材料時的沖裁力約為126.7 N，沖裁H62黃銅材料時的沖裁力約為95.3 N?？梢姡瑳_裁過程中產(chǎn)生的沖裁力較大，為了避免精密主軸承受過大的載荷，本套設(shè)備采用沖裁軸單獨布置的結(jié)構(gòu)。沖裁軸采用機械結(jié)構(gòu)，整體剛性較好，可避免因沖裁力過大對機床結(jié)構(gòu)造成的破壞。

2.2 微沖切模具的制備

微沖切模具主要可分為微沖頭、微凹模等二部分，由于本實驗引入了反拷貝方式進行凸模的加工，故整套模具的加工分為三個部分。

2.2.1 反拷貝電極的制備

反拷貝電極的制備過程可分為粗加工、精加工等二個步驟。粗加工采用鉆孔的方式，在較大的放電能量（100 V/8200 pF）下進行加工，選用的工具電極直徑為300 μm，由于受到電極顫動及放電間隙的影響，得到的孔徑約為400 μm，這樣既為精加工留出了足夠的余量，又最大限度地去除了待加工材料，同時便于精加工過程中加工屑的排出。粗加工后的毛坯見圖5a。

粗加工后，用直徑90 μm的工具電極逐層銑削出所需的反拷貝電極，精加工過程見圖5b。表2給出了反拷貝電極精加工的相關(guān)參數(shù)，其中的設(shè)定加工間隙通過前期實驗獲得。為了減小反拷貝電極進出口的尺寸偏差，采用增加進給深度的方式進行反拷貝電極的加工，同時施加超聲振動有利于加工屑的排出，進一步減小反拷貝電極進出口的尺寸差。

2.2.2 凸模的制備

凸模的加工過程可分為二個步驟：凸模毛坯與反拷貝電極的對中、凸模的反拷加工。先利用凸模毛坯在銅片上加工出一個深度為300 μm的盲腔，再以電接觸的方式通過工具電極探測擬合出方腔的幾何中心，進而得到凸模裝夾軸與工具電極裝夾軸的相對位置關(guān)系；由該相對位置關(guān)系結(jié)合反拷貝電極的加工中心，即可得到反拷加工凸模時的坐標(biāo)值。圖6是獲得反拷加工凸模坐標(biāo)的邏輯簡圖。

求得凸模的反拷中心后，利用所加工的反拷貝電極對凸模毛坯進行反拷加工。表3給出了凸模加工的相關(guān)參數(shù)，其中的設(shè)定反拷間隙通過前期實驗獲得。圖7是凸模端面的局部特征，單邊加工余量為100 μm。實驗采用增加進給深度結(jié)合超聲振動的方式，以減小凸模的加工錐度。

2.2.3 凹模的制備

凹模的加工工藝分為背面型腔、正面凹模二個部分。加工背面型腔采用直徑300 μm的毛坯電極，加工能量為100 V/8200 pF。表4給出了凹模加工的相關(guān)參數(shù)，其中的設(shè)定加工間隙根據(jù)前期實驗確定。考慮到工具電極損耗及加工區(qū)域較大等因素，實驗采用4根工具電極依次對凹模進行加工。

凹模加工工藝與反拷貝電極的加工工藝完全相同，凹模背面型腔的加工同樣采用三維銑削方式。圖8a是凹模背面型腔的加工示意圖，圖8b是背面型腔加工完成后對定位工藝孔（通孔）的加工示意圖。該定位工藝孔的作用是在毛坯件翻轉(zhuǎn)安裝及進行凹模加工之前，通過探測擬合出工藝孔的中心，根據(jù)工藝孔的中心坐標(biāo)關(guān)系判斷凹模毛坯的安裝位置是否準(zhǔn)確。

3 微沖切實驗及其結(jié)果分析

3.1 微沖切實驗

根據(jù)上述方案完成了整套凹凸模具的在線制備，利用所加工的凹凸模具在H62黃銅和SUS 304材料上進行沖裁加工實驗，驗證該工藝方案的可行性。本實驗所需沖裁加工的工件局部特征尺寸較小，雖然整套模具均采用在線加工，但由于機床熱變形等因素的存在，導(dǎo)致凹凸模具不易實現(xiàn)精確對中，因此在沖裁加工前需進行凹凸模具的對中操作。圖9是獲得對中關(guān)系的流程，由該坐標(biāo)關(guān)系即可實現(xiàn)凸模順利進入凹模的目的。該方案相比光學(xué)對中系統(tǒng)，大大簡化了機床結(jié)構(gòu)，節(jié)約了設(shè)計成本。

3.2 微沖切實驗結(jié)果

對中完成后，在厚度均為100 μm的H62黃銅、SUS 304材料上分別進行沖裁加工實驗，獲得了質(zhì)量較好的沖裁件。表5是沖裁加工實驗參數(shù)，其中的總行程是指從電缸啟動到?jīng)_裁完成的過程中凸模移動的總距離。

本文對于包含復(fù)雜截面特征信息在內(nèi)的零件局部進行了詳細(xì)分析。由圖10可看出，凹凸模具的局部結(jié)構(gòu)具有較好的形狀精度，沖裁后的模具仍保持較完整的刃口，未發(fā)生明顯損壞。由二種材料的沖裁件SEM照片可看出，入口質(zhì)量均較好，雖存在一定程度的塌邊，但其整體輪廓與目標(biāo)值較一致（圖11a、圖12a）；但出口均出現(xiàn)一定程度的撕裂帶，且分布基本一致，這主要是由于沖裁過程中各邊間隙不均勻造成的。

為了進一步提高沖裁件的質(zhì)量，獲得質(zhì)量分布更均勻的沖裁件，后期實驗可從保證各邊沖裁間隙著手，確保材料斷裂分離的均一性。

表6、表7是本次實驗中模具及沖裁件的相關(guān)尺寸測量結(jié)果。由表6所示數(shù)據(jù)可看出，凹模X向的測量值和設(shè)計值偏差較小，而Y向尺寸與設(shè)計值偏差較大，約20 μm。原因如下：一是機床Y向懸臂結(jié)構(gòu)受熱變形導(dǎo)致尺寸偏大；二是凹模采用多根工具電極重復(fù)加工，產(chǎn)生的重復(fù)定位誤差導(dǎo)致加工結(jié)果偏大。從反拷貝電極的測量尺寸可看出，測量值與設(shè)計值較接近，僅Y向尺寸偏大約7 μm。對比凸模與反拷貝電極的測量尺寸可發(fā)現(xiàn)，反拷貝電極在Y向偏大的尺寸經(jīng)過反拷加工后，在凸模的尺寸值上得到了很好的補償。而由于凸模出現(xiàn)了一定程度的崩刃，導(dǎo)致其X向尺寸未獲得數(shù)據(jù)。

由沖裁加工原理可知，沖孔件的入口尺寸與凸模相對應(yīng)，出口尺寸與凹模相對應(yīng)。由表7所示數(shù)據(jù)可看出，除了未獲得數(shù)據(jù)的入口d尺寸外，其他尺寸的測量值與表6所示尺寸的偏差均在合理范圍內(nèi)。入口尺寸與凸模尺寸的偏差值均在4 μm內(nèi)，而出口尺寸與凹模尺寸的偏差值也在7 μm內(nèi)。

因此，下一步要獲得尺寸精度更高的沖裁零件，應(yīng)從提高凹模的尺寸精度入手，并盡可能地縮小沖裁間隙，以保證沖裁件正、反面尺寸的一致性。

4 結(jié)論

本文在自主研發(fā)的微細(xì)電火花-微沖切復(fù)合加工機床上，采用在線加工工藝完成了復(fù)雜截面形狀的微沖切模具的制備，在厚度均為100 μm的H62黃銅和SUS 304不銹鋼材料上進行了沖孔實驗，結(jié)果表明該工藝方案能實現(xiàn)復(fù)雜截面形狀微型零件的沖裁加工，并對沖裁件的局部特征進行了詳細(xì)分析，得到如下結(jié)論：

（1）獲得了尺寸精度較高的微沖切模具，其中，模具X方向的尺寸偏差在±4 μm內(nèi)，由于Y向懸臂結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致反拷貝電極及凹模在該方向的偏差較大；凹模的偏差更明顯，這主要是由于凹模采用多根電極重復(fù)加工所致；凸模的Y向尺寸偏差較小，這是反拷加工過程中反拷貝電極Y向尺寸偏大情況得到補償?shù)慕Y(jié)果。

（2）獲得了形狀精度較高的沖孔件，所得沖孔件的尺寸與目標(biāo)尺寸相比，偏差均在±7 μm內(nèi)。

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Experimental Study on Micro Punching Based on Micro EDM

ZENG Zhijie，LI Dongping，YANG Xiaolong，YU Zuyuan，LI Jianzhong，XU Wenji
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

To solve the problem that the complex shaped micro punching mold is difficult to machine，the application of three-dimensional micro EDM milling technology combined with anti-copy processing provides a good solution to the fabrication of a mold with a complex cross sectional shape and the corresponding punching head on-line.Micro punching molds with high quality and complex shape were successfully fabricated and punching experiments were carried out.Detailed analysis are developed to the partial area of the workpiece.And the feasibility of the scheme is verified.

three-dimensional micro EDM milling；anti-copy processing；micro punching

TG661

A

1009－279X（2017）01－0017-06

2016-09-09

國家科技重大專項資助項目（2013ZX04001-091-1）

曾志杰，男，1991年生，碩士研究生。