基于微細電火花加工的微沖裁技術(shù)研究*

李東坪,曾志杰,楊曉龍,余祖元,范 惲,李劍中

( 1.大連理工大學機械工程學院，大連116024；2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所,西安710065 )

微細加工技術(shù)目前廣泛應用于通信、電子、航空航天和生物醫(yī)學等領域[1-2]，尤其在航空航天領域，微型傳感器被廣泛應用于飛行器和衛(wèi)星中，航空航天領域?qū)τ谖⑿土慵母呔?、高可靠性和高壽命的需求使得航空元器件向著微型精密的方向發(fā)展。

目前微細加工技術(shù)主要有微細電火花、微細超聲波、微細電解、微鉆削、光刻、激光加工等。上述技術(shù)在加工質(zhì)量、加工效率、重復成形精度、加工成本和能夠加工的材料種類方面各有優(yōu)缺點[3]。為滿足微尺寸零件大批量、高效率、低成本、短周期的加工要求，傳統(tǒng)宏觀塑性成形工藝的微型化技術(shù)研究逐步成為研究熱點。微沖裁技術(shù)作為塑性微成形的代表性技術(shù)，具有成形效率高、成本低、工藝簡單等優(yōu)點，適合微尺寸零件的批量制造。國內(nèi)外學者針對微沖裁機理和工藝方法進行了大量的研究。日本東京大學的Fujino等[4]基于線電極放電磨削（WEDG）技術(shù)設計開發(fā)出一種消除了對中誤差的新式微沖裁裝置，并在50μm厚的銅板上沖裁出直徑30μm的孔。國立首爾大學的Joo[5]和韓國的Rhim等[6]利用金剛石磨削技術(shù)加工出微沖頭，利用計算機視覺系統(tǒng)進行沖頭和沖模的對中，并分別在厚度為 25μm、50μm、100μm的銅箔和不銹鋼箔上，沖裁出直徑分別為 25μm、50μm、100μm 的深徑比為1的微孔，同時采用中斷沖裁的試驗方法對微沖裁斷裂行為進行研究，得出微孔尺寸和箔材的相對晶粒尺寸會影響微沖裁過程的斷裂過程的結(jié)論。Rhim等[7]利用橡膠開發(fā)了一套柔性微沖孔裝置，在厚度為3μm的銅箔和1.5μm的鈦箔上沖出直徑為2μm的微孔。臺灣國立云林科技大學的Chern等[8-9]將Vibration-EDM和WEDG技術(shù)應用到微沖孔技術(shù)中，改善了Micro-EDM技術(shù)金屬去除加工效率低、加工周期長的缺點，通過控制放電間隙來控制沖頭與沖模之間的間隙，在厚度為0.1mm的銅板上，制作出邊長為215μm的正方形孔和邊長為200μm的正三角形微孔。江蘇大學的Liu等[10]開展了激光驅(qū)動飛片多孔微沖裁試驗，利用微細研磨技術(shù)和微細電火花技術(shù)加工單孔模具，通過脈沖激光輻照飛片箔材誘導沖擊波驅(qū)動高能飛片加載金屬薄壁工件實現(xiàn)微孔沖裁，在厚度10μm的紫銅箔板上沖裁出直徑1mm的單孔和直徑0.8mm的陣列孔。哈爾濱工業(yè)大學Xu等[11-13]研制出一套基于高分辨CCD顯微視覺輔助定位的自動送料精密微沖孔設備，通過微尺寸效應分析了沖裁條件對微孔斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了微沖孔最佳工藝參數(shù)，在厚度0.2mm的黃銅箔上加工出直徑0.6mm的4×50的陣列微孔零件。

目前國內(nèi)外在微沖裁方面的主要研究內(nèi)容為小沖裁力、形狀簡單的微沖孔加工，對大沖裁力、異形孔和落料件的研究開展較少。本文基于微細電火花技術(shù)加工出一套異形截面微模具，對微沖裁中的異形落料件成形的可行性和質(zhì)量進行了試驗研究。

試驗裝置

試驗采用自主研制的微細電火花-微沖裁復合加工機床，此機床能夠?qū)崿F(xiàn)微模具的在線放電加工和在線對中沖裁。機床主要由XYZ伺服運動平臺、精密旋轉(zhuǎn)主軸、沖裁裝置、凹模組件、WEDG單元、脈沖電源、工控機等主要部分組成，機床結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

機床分為電加工模塊和沖裁模塊，電加工模塊中采用高精密旋轉(zhuǎn)主軸，沖裁模塊則設計為能夠承受大載荷的機械結(jié)構(gòu)。裝夾電極的精密旋轉(zhuǎn)主軸和裝夾凸模的沖裁裝置分別固定在大理石龍門架上，而模具和反拷貝電極則裝夾在XYZ伺服運動平臺上，運動平臺的分辨率為0.1μm，重復定位精度為1μm。電加工采用RC馳張式脈沖電路，試驗中均采用正極性加工，加工介質(zhì)為煤油。

圖1 機床結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of machine tool

試驗方法

1 模具制備方法與工藝流程

微模具的制備采用微細電火花加工，微細電火花加工技術(shù)可以用于加工所有導電材料，而且不受材料強度、硬度等限制，加工過程中無宏觀作用力，尺寸精度高，該技術(shù)廣泛應用于微孔、微小零部件和微型模具的加工[14]。

本試驗主要采用線電極磨削技術(shù)（Wire Electrical Discharge Grinding，WEDG）、微細電火花三維銑削技術(shù)和微細電火花反拷貝技術(shù)對微模具進行加工。微細電極是微細電火花加工中的重要工具，WEDG技術(shù)能夠完全消除電極和主軸的同軸度誤差，避免電極的二次裝夾，使得加工電極的尺寸穩(wěn)定可控[15]。微細電火花三維銑削技術(shù)可實現(xiàn)復雜型腔的加工，均勻損耗法與CAD/CAM系統(tǒng)相融合，能夠保證復雜三維型腔的加工精度[16-17]。微細電火花反拷貝技術(shù)通過模板電極將復雜形狀拷貝到工件上，適合制作形狀復雜的微細結(jié)構(gòu)[18-19]。加工流程如圖2所示，具體為：

圖2 加工流程示意Fig.2 Schematic illustration of machining process

（1）利用WEDG技術(shù)在線加工出圓形工具電極。

（2）利用工具電極，通過微細電火花三維銑削技術(shù)加工出凹模。

（3）利用工具電極，通過微細電火花三維銑削技術(shù)加工出反拷貝電極。

（4）利用反拷貝電極，通過微細電火花反拷貝加工技術(shù)，將反拷貝電極的形狀復制到凸模毛坯上。

（5）凸模和凹模進行在線對中，并在線完成沖裁動作。

2 模具形狀及尺寸

模具形狀如圖3所示，凹模尺寸向內(nèi)單邊縮小一個沖裁間隙（15μm）即為凸模尺寸，凸模尺寸向外單邊放大一個側(cè)向反拷放電間隙（15μm）即為反拷貝電極尺寸。模具各尺寸代號對應尺寸如表1所示。

為獲得高精度、高強度的微模具，模具材料采用硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性好、力學強度高、彈性模量大、泊松比小等優(yōu)點。選用材料為美國肯納鎢鋼（KENNAMETAL）硬質(zhì)合金，牌號為CD750，此材料晶粒尺寸為納米量級，有助于提高加工后微模具的表面質(zhì)量，同時此材料在同類硬質(zhì)合金中具有極高的抗彎強度和抗壓強度，能夠滿足微沖裁的使用要求，模具材料的各項參數(shù)如表2所示。

圖3 模具形狀Fig.3 Shape of blanked part

表1 模具各尺寸代號對應尺寸

表2 模具材料參數(shù)

3 凹模和反拷貝電極加工工藝

首先利用WEDG技術(shù)加工出尺寸精確的微細鎢電極，再通過三維軟件的CAD/CAM制造模塊設計出需要加工的形狀并生成代碼，將代碼導入到加工程序中，控制程序自動運行進行三維加工。由于微模具特征尺寸小，精度要求高，因此需采用小能量進行放電加工，凹模和反拷貝電極的加工參數(shù)如表3所示。

微細電火花三維銑削的過程為層層銑削，為提高加工效率且每層銑削時都能去除掉該層材料，需合理設計電極尺寸并規(guī)劃路徑。試驗設計的加工軌跡如圖4所示。同時為減少加工中二次放電和電極損耗造成的影響，在加工出通透的模具型腔后電極需繼續(xù)進給，通過電極與凹模之間的側(cè)壁放電，減少模具入出口的尺寸差[20]。

圖4 刀具軌跡Fig.4 Tool path

表3 凹模和反拷貝電極的加工參數(shù)

4 凸模加工工藝

凸模的加工采用微細電火花反拷貝技術(shù)。加工時控制反拷貝電極向凸模毛坯進給，通過反拷貝電極與凸模毛坯之間的放電將反拷貝電極上的形狀復制到凸模上。為提高反拷貝加工的效率，首先將凸模毛坯的前端設計成尺寸略大于反拷貝后凸模形狀的長方形，同時在反拷貝加工中施加超聲振動的方式促進加工屑的排出，減少二次放電和短路，提高加工效率，減少凸模側(cè)壁的錐度。

反拷貝側(cè)向放電間隙需通過前期試加工試驗確定，首先試加工反拷貝電極三維型腔，再利用此型腔進行反拷貝加工。通過測量加工后凸模和反拷貝電極的尺寸，可反求出反拷貝加工時的側(cè)向放電間隙，經(jīng)試加工試驗驗證，反拷見此形狀凸模的側(cè)向放電間隙約為15μm。加工時采用微小放電進行加工，并通過放電電流信號監(jiān)測放電狀態(tài)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)進給，能夠維持穩(wěn)定的放電間隙，控制凸模的尺寸，進而保證凸凹模之間的沖裁間隙。凸模的加工參數(shù)如表4所示。

表4 凸模的加工參數(shù)

5 凸模和凹模的在線對準

凸模和凹模對準的精度決定了沖裁件的質(zhì)量，基于前文所述的放電加工回路，通過接觸式電壓探測的方式進行凸凹模的對準。首先在機床上裝夾凸模毛坯和工具電極，利用凸模毛坯在反拷貝電極上通過放電加工出方形淺坑，通過機床的控制程序的探測模塊，利用工具電極可以探測出凹模型腔、反拷貝電極型腔和方坑型腔內(nèi)各點的坐標，從而擬合出各型腔的中心，探測擬合示意如圖5所示，再通過計算出的坐標轉(zhuǎn)換關系實現(xiàn)在線反拷貝凸模和在線對中沖裁，在線對準工藝路線如圖6所示。

圖5 探測擬合中心示意圖Fig.5 Schematic diagram of detection and fitting

圖6 在線對準工藝路線Fig.6 Process of alignment online

6 沖裁加工

為驗證基于此工藝加工出的微模具能夠在不同性能的材料上實現(xiàn)沖裁加工，分別在T2紫銅、H62黃銅、304不銹鋼和3J21彈性合金上進行了沖裁試驗。其中T2紫銅、H62黃銅和304不銹鋼強度由低到高，且3種材料均具有良好的塑性，適合沖裁加工。而3J21彈性合金的強度和硬度遠高于前3種材料，具有高彈性模量、極低彈性滯后、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應用于機械、儀器、儀表和通信技術(shù)等領域。為驗證模具能夠在大載荷工作狀況下的重復使用，在3J21上進行1000次重復沖裁試驗。微沖裁過程中沖頭所受沖裁力計算公式如式（1）[21]所示，沖裁參數(shù)如表5所示。

式中，F(xiàn)p為沖裁力；L為沖裁件輪廓周長；H為箔材厚度；Su為抗拉強度；Sf為剪切系數(shù)，取值1。

表5 沖裁參數(shù)

結(jié)果與討論

1 零件整體形貌

微沖裁件分為沖孔件和落料件，4種材料的落料件和沖孔件正面和反面的SEM圖片如圖7～圖10所示?？梢钥闯觯谕瑯拥臎_裁條件下，每種材料落料件均未出現(xiàn)明顯的翹曲、扭曲情況，落料件出口和沖孔件入口均有圓角，落料件入口和沖孔件處均有斷裂后出現(xiàn)的錐面。驗證了本套模具在不同材料，尤其是高強度材料上沖裁得到異性微尺寸零件的可行性。

2 落料件斷面質(zhì)量

落料件的斷面質(zhì)量是衡量落料件質(zhì)量的重要指標，落料件的斷面質(zhì)量應比較平整光潔，即光亮帶比重大，斷裂帶比重小或沒有，圓角和毛刺較小。

根據(jù)微尺寸效應，由于材料受到微型模具的限制，變形僅發(fā)生在微小的區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)的特征尺寸與材料的間隙和箔材晶粒在同一尺度范圍內(nèi)，使得材料應力應變狀態(tài)變化很大，同時在受力變形時受到更大的靜水壓力作用，光亮帶應占據(jù)大部分區(qū)域，且斷裂帶所占比重較小[22-23]。4種材料的落料件斷面如圖11所示，可知，和普通沖裁一樣，微沖裁斷面也由圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺組成。前3種塑性較好的材料中光亮帶占據(jù)主要成分，但斷裂帶所占比重也較大，并未出現(xiàn)光亮帶占比明顯多于斷裂帶的微尺寸效應。原因是本次沖裁理論間隙為箔材厚度的15%，屬于大間隙沖裁。較大的沖裁間隙會導致沖裁過程中拉伸與彎曲增大，拉應力增大，材料更易被撕裂，使得斷裂帶區(qū)域占比增加，降低斷面質(zhì)量。而3J21較其余3種材料相比，斷裂帶占據(jù)了主要部分，光亮帶占比很小。原因是3J21彈性合金具有良好的彈性，但屈強比高，延伸率低，因此塑性不如紫銅、黃銅、304不銹鋼等塑性更好的材料。在沖裁成形的過程中，光亮帶形成的本質(zhì)是材料發(fā)生塑性剪切滑移的過程，塑性好則剪切滑移變形行程長，光亮帶占比越多，而3J21在經(jīng)過彈性變形階段后，隨即進入短暫的塑性變形階段后便達到抗拉強度，進入斷裂階段，造成了斷裂帶占據(jù)斷面主要區(qū)域的結(jié)果。

圖7 沖孔件正面Fig.7 Entry of punched hole

圖8 沖孔件反面Fig.8 Exit of punched hole

圖9 落料件正面Fig.9 Entry of blanked part

圖10 落料件反面Fig.10 Exit of blanked part

圖11 落料件斷面形貌Fig.11 Images of cross section of blanked part

結(jié)束語

（1）在微細電火花-微沖裁復合加工機床上，根據(jù)前述的加工工藝流程，通過微細電火花三維銑削和反拷貝技術(shù)，利用微小的放電能量能夠?qū)崿F(xiàn)模具進行在線加工，從而獲得異形截面的微型模具。

（2）基于本文的工藝方法加工出的微模具能夠在不同性能的材料上沖裁獲得異形微尺寸落料件，尤其是能夠在模具未見明顯損傷的情況下，在高強度彈性合金上完成千次以上的沖裁動作。

（3）4種材料落料件的斷面質(zhì)量中，304不銹鋼的斷面質(zhì)量最好，光亮帶占據(jù)主要成分，而3J21的斷面質(zhì)量最差，斷裂帶占據(jù)主要成分。

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