凹形刃口凸模對(duì)微沖裁過(guò)程的影響

馬 騰，楊君峰，余祖元，李國(guó)棟，夏 恒

（ 1. 大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 東京農(nóng)工大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系，日本 東京 184-8588 ）

微沖裁技術(shù)具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合微尺寸零件的大批量制造，由此吸引了工業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1]。 長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)微沖裁加工技術(shù)的研究多聚焦于板料的拉伸、彎曲等成形方面，但對(duì)沖裁力的研究相當(dāng)有限[2]。 因此，進(jìn)一步研究微沖裁加工技術(shù)及其加工過(guò)程中的變形和斷裂等現(xiàn)象，研究沖裁力對(duì)模具設(shè)計(jì)制造的影響和沖頭強(qiáng)度的校核，研究提高沖裁件的質(zhì)量、延長(zhǎng)模具的壽命、降低成本以及探尋新的微沖裁加工工藝等內(nèi)容具有重要價(jià)值。

Masuzawa 和Fujino 等[3]利用線電極電火花磨削技術(shù)在線制備出微沖裁模具，并在厚度為50 μm 的青銅薄板上沖裁出直徑為30 μm 的圓形微小孔，以此方法實(shí)現(xiàn)了凹凸微小模具的在線制備并降低了微小模具的對(duì)準(zhǔn)難度。 Joo 等[4]分別利用超精密磨削和微細(xì)電火花技術(shù)加工出直徑為25 μm 的微沖頭和直徑為27 μm 的微型凹?？?，并且采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)完成對(duì)準(zhǔn)， 在厚度為100 μm 的不銹鋼和黃銅箔料上加工了直徑為25 μm 的微小孔。 Chern 等[5-6]采用超聲波振動(dòng)輔助電火花加工技術(shù)加工出正三角形和正方形的相應(yīng)模具， 在厚度為100 μm 的黃銅材料上沖裁出邊長(zhǎng)為100 μm 的正三角形和正方形微孔，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單非圓微孔的高質(zhì)量加工。 高長(zhǎng)水等[7]利用微細(xì)電火花加工技術(shù)加工凹模，采用反拷貝加工技術(shù)制作凸模， 選用厚度為100 μm 的不銹鋼箔料沖裁出直徑為120 μm 的圓形微小孔。 Lin等[8]分別利用電火花和精密磨削技術(shù)加工矩形單斜沖頭，成功沖裁出厚度為0.25 mm 的青銅擋桿。 在常規(guī)尺寸加工中，Luo[9]利用車削的方式在直徑為15.6 mm 的沖頭上分別加工出角度為12.5°和20°的凸雙剪切刃、 在厚度為11.5 mm 的AISI52100 材料上沖裁出圓孔，并對(duì)模具的磨損進(jìn)行了研究。 Singh等[10]利用有限元模擬凹形刃口凸模，在設(shè)定厚度為0.6 mm、 抗拉極限為520 N/mm2的材料上進(jìn)行沖裁，分析了刀具幾何變化對(duì)沖壓力的影響，結(jié)果表明：底部凹形刃口凸模相比于底部平刃凸?？蓽p少?zèng)_裁力。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微沖裁方面的研究，大多數(shù)針對(duì)加工圓形和方形等簡(jiǎn)單截面形狀的模具，加上三維異形截面形狀模具加工較為困難且多數(shù)為普通底部平刃凸模沖裁， 有關(guān)斜刃微沖裁的研究較少，此外針對(duì)底部凹形斜刃的研究也多數(shù)為仿真模擬，還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 為了加工出大尺寸、截面形狀復(fù)雜的異形微沖裁模具并探究凸模底部刃口形狀對(duì)微沖裁過(guò)程的影響，本文以微細(xì)電火花技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)在線制備方式制作出一套復(fù)雜截面的微沖裁模具， 并進(jìn)一步將凸模底部加工為凹形刃口，通過(guò)在線對(duì)準(zhǔn)的方式完成對(duì)準(zhǔn)； 還在厚度為100 μm的不銹鋼箔料上沖裁異形截面微小零件，并對(duì)微沖裁進(jìn)程的復(fù)雜落料件的質(zhì)量及相應(yīng)沖裁力等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究。

1 微沖裁實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自研的微細(xì)電火花-微沖裁一體式加工機(jī)床（圖1）。 該機(jī)床主要由X、Y、Z 三軸運(yùn)動(dòng)控制模塊、凹模組件、高精密旋轉(zhuǎn)主軸、線電極磨削加工模塊和沖裁單元等組成[11]。 實(shí)驗(yàn)采用電火花技術(shù)在線加工凹凸模具并實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的在線對(duì)準(zhǔn)。

圖1 機(jī)床設(shè)備實(shí)物圖

其中，線電極電火花磨削加工（waire electrical discharge grinding，WEDG）單元采用在線加工方式，使加工電極時(shí)的尺寸更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)；凹模組件單元的內(nèi)部設(shè)計(jì)有固定凹模的位置，以方便完成凹模的后續(xù)加工、凹凸模的對(duì)準(zhǔn)以及沖裁等；在“沖裁工件”加工模式下，凹模組件被托架撐起，凹模組件正下方放置的壓力傳感器用于收集沖裁力（圖2）；壓力傳感器采用最大量程為1 kN 的壓電型傳感器，數(shù)據(jù)采集卡采集頻率為1 kHz；X、Y、Z 三軸運(yùn)動(dòng)模塊的重復(fù)定位精度為1 μm、分辨率為0.1 μm。本實(shí)驗(yàn)在加工過(guò)程中采用正極性加工，以煤油作為加工介質(zhì)。

圖2 “沖裁工件”加工模式

2 微沖裁實(shí)驗(yàn)加工工藝

2.1 模具制備方法及工藝流程

微模具加工采用微細(xì)電火花加工技術(shù)。 該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)且應(yīng)用范圍廣， 可加工任何導(dǎo)電材料，不受工件材料特性的限制；加工時(shí)“無(wú)切削力”，特別適合復(fù)雜表面加工和精密微細(xì)加工。

如圖3 所示， 實(shí)驗(yàn)加工工藝流程的具體步驟為：①采用線電極磨削技術(shù)在線加工出圓形工具電極；②采用微細(xì)電火花三維銑削技術(shù)，利用圓形電極加工凹模； ③采用微細(xì)電火花三維銑削技術(shù)，利用圓形電極加工反拷貝電極；④利用微細(xì)電火花反拷貝技術(shù)，將相應(yīng)的形狀拷貝至凸模毛坯上，為保證凸模精度，選擇小能量加工模式；⑤采用反拷貝加工技術(shù)，利用圓柱形反拷貝電極，將凹形反拷到凸模底部，加工出具有底部凹形刃口的凸模；⑥通過(guò)探測(cè)，計(jì)算凹凸模對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)，再進(jìn)行在線對(duì)準(zhǔn)和在線沖裁加工。

圖3 加工工藝流程圖

2.2 模具形狀與尺寸

實(shí)驗(yàn)沖裁的凹模形狀見(jiàn)圖4。 凸模輪廓尺寸是由凹模輪廓尺寸向內(nèi)縮小15 μm 的沖裁間隙所得；將凸模輪廓的單邊尺寸加上放電間隙（15 μm）即為反拷貝電極的尺寸。 模具各設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1。

表1 模具各設(shè)計(jì)尺寸

圖4 凹模形狀

2.3 凹模和反拷貝電極加工工藝

凹模的制備過(guò)程可分為凹模反面加工和凹模正面加工兩個(gè)階段。 為節(jié)省凹模加工時(shí)間且保證沖裁過(guò)程中落料的順暢性，本實(shí)驗(yàn)首先采用微細(xì)電火花三維銑削的方式， 利用直徑為300 μm 的圓形工具電極在凹模反面加工出深度約為0.7 mm 的矩形方坑，并且因?qū)Ψ娇淤|(zhì)量無(wú)要求，采用大能量進(jìn)行快速加工；然后，加工了兩個(gè)定位圓孔，便于翻轉(zhuǎn)后找到凹模正面的加工中心；最后，加工了凹模正面，還利用Creo 軟件繪制了所加工凹模正面的三維模型圖并生成加工軌跡代碼。 為提高加工效率，需設(shè)計(jì)合理的電極尺寸和加工路徑，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加工軌跡見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)還將前述代碼導(dǎo)入加工程序，控制程序自動(dòng)運(yùn)行， 再用直徑140 μm 的圓形工具電極進(jìn)行三維加工， 此時(shí)因模具尺寸微小且精度要求高，選用了小能量進(jìn)行加工。

圖5 刀具加工軌跡

反拷貝電極的制備過(guò)程和正面凹模的加工工藝完全相同。 為保證反拷貝電極的正反面輪廓的尺寸精度，在反拷貝電極被加工穿透后需繼續(xù)進(jìn)給[12]。反拷貝電極和凹模反正面的加工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 凹模反正面和反拷貝電極加工參數(shù)

2.4 凹形刃口凸模的加工

本實(shí)驗(yàn)利用反拷貝技術(shù)加工凸模。 凸模的加工工藝大致可分為兩部分。

一是加工普通底部平刃凸模。 首先，將凸模中心和反拷貝電極的中心對(duì)齊，利用凸模毛坯在反拷貝電極上加工出定位方坑，再用圓形工具電極探測(cè)定位方坑的中心坐標(biāo)，根據(jù)反拷貝電極中心、工具電極探測(cè)定位方坑中心和凸模毛坯加工方坑中心的坐標(biāo)位置關(guān)系，求出反拷對(duì)準(zhǔn)中心坐標(biāo)，其流程見(jiàn)圖6；接著，將凸模和反拷貝電極對(duì)準(zhǔn)后，利用反拷貝電極將模具形狀反拷到凸模毛坯上，得到普通底部平刃凸模。 上述加工的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 普通平刃凸模加工參數(shù)

圖6 反拷凸模對(duì)準(zhǔn)流程圖

二是加工具有底部凹形刃口的凸模。 首先，探測(cè)圓柱形反拷貝電極的中心坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)凸模與圓柱形反拷貝電極的對(duì)準(zhǔn)，并利用凸模探測(cè)圓柱形反拷貝電極左右兩探測(cè)點(diǎn)（探測(cè)點(diǎn)1、探測(cè)點(diǎn)2）坐標(biāo)，將兩坐標(biāo)值相加后取平均，即得到圓柱形反拷貝電極的中心坐標(biāo)（圖7）；接著，在對(duì)準(zhǔn)后，利用圓柱形反拷貝電極對(duì)普通底部平刃凸模進(jìn)行反拷，反拷加工出具有底部凹形刃口的凸模（圖8）。

圖7 加工底部凹形刃口凸模示意圖

圖8 圓柱形反拷貝電極直徑計(jì)算

設(shè)反拷深度為h、凸模長(zhǎng)為L(zhǎng)、圓柱形反拷貝電極直徑為D，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的反拷凹深h 為50 μm、凸模長(zhǎng)度L 為1370 μm。

由式（1）可得所需圓柱形反拷貝電極的直徑D為9.435 mm， 但考慮到放電間隙和電極損耗等，實(shí)驗(yàn)選擇了直徑為10 mm 的圓柱形反拷貝電極。加工后測(cè)得的底部凹形刃口的實(shí)際凹深為51.127 μm、誤差值在3%以內(nèi)，符合加工要求。 圓柱形反拷貝電極實(shí)物見(jiàn)圖9。

圖9 圓柱形反拷貝電極實(shí)物圖

由于對(duì)凸模的精度要求高，實(shí)驗(yàn)采用小能量進(jìn)行放電加工，各項(xiàng)加工參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 圓柱形反拷電極反拷凸模加工參數(shù)

依照上述工藝方案，本實(shí)驗(yàn)成功地在線加工出凹凸模具。 為保證所述方案的正確性以及可操作性， 本文采用SUS304 不銹鋼箔料進(jìn)行沖壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 由于凹凸模具的尺寸微小且沖裁間隙只有15 μm， 本文在線加工出微模具之后還進(jìn)行凹凸模具的對(duì)準(zhǔn)操作。 由坐標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)化、計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)，讓凸模能完全進(jìn)入凹模，即完成對(duì)準(zhǔn)操作[13]。

3 微沖裁實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文利用底部平刃凸模和凹深為50 μm 的底部凹形刃口凸模，在厚度100 μm 的SUS304 薄板上進(jìn)行微沖裁實(shí)驗(yàn)，獲得了質(zhì)量較好的沖裁件。 沖裁條件是沖裁間隙為15 μm、沖裁速度為1 mm/s。

在沖裁完成后得到的凹凸模具和反拷貝電極見(jiàn)圖10。 可看出，沖裁后凹凸模具的刃口依舊較為鋒利，其局部結(jié)構(gòu)具有較好的形狀精度，只發(fā)生輕微磨損。

圖10 沖裁的不同凹凸模具和反拷貝電極

3.1 沖裁力

本文利用頻率為1 kHz 的高頻數(shù)據(jù)采集卡，收集在底部不同刃口凸模沖裁條件下的沖裁力，每種刃形條件取三次沖裁力數(shù)據(jù)結(jié)果，整理數(shù)據(jù)繪制的304 不銹鋼箔料沖裁力-沖裁時(shí)間曲線見(jiàn)圖11。

圖11 304 不銹鋼箔料沖裁力-沖裁時(shí)間曲線

由圖11 所示AB（ab）曲線段可見(jiàn)，當(dāng)凸模接觸材料后，載荷急劇上升，并在C（c）點(diǎn)達(dá)到最大沖裁力。此外根據(jù)圖11，相比于底部平刃凸模沖裁，底部凹形刃口凸模沖裁的最大沖裁力明顯減小且到達(dá)最大沖裁力的時(shí)間也相應(yīng)減少；底部凹形刃口凸模沖裁在c 點(diǎn)處沖裁曲線弧度較大， 沖裁力較平緩，而底部平刃凸模沖裁在C 點(diǎn)處曲線尖銳，沖裁力急劇變化。 如圖11 中CD（cd）曲線段所示，過(guò)了C（c）點(diǎn)后，凸模繼續(xù)下壓，沖裁力下降，直至在D 點(diǎn)完成斷裂分離。 最大沖裁力見(jiàn)表5。

表5 不同底部形狀刃口凸模的最大沖裁力

實(shí)驗(yàn)所得的最大沖裁力大小為：253.195 N>195.419 N。由此可知，采用底部凹形刃口凸模沖裁，最大沖裁力可顯著減小。

3.2 落料件斷面質(zhì)量

在衡量落料件質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)中，落料件的沖裁斷面質(zhì)量相當(dāng)重要。 沖裁斷面從上到下依次由毛刺帶、斷裂帶、光亮帶、圓角帶組成。 質(zhì)量較好的落料件的斷面應(yīng)該是：光亮帶較寬，圓角和毛刺很小，無(wú)斷裂帶或斷裂帶占比很小。 通常，光亮帶形成于沖裁過(guò)程中的塑性變形階段，其間材料發(fā)生了剪切滑移，相比于底部平刃沖裁，底部凹形刃口凸模沖裁的塑性變形階段變長(zhǎng)、剪切滑移行程長(zhǎng)、光亮帶占比多。 落料件斷面見(jiàn)圖12。

圖12 不同形狀刃口凸模的落料件斷面圖

3.3 零件整體形貌

底部平刃和底部凹形刃口的凸模沖裁落料件，其正、反和側(cè)面的SEM 圖分別見(jiàn)圖13 和圖14。 可知，在相同的沖裁條件下，兩種底部刃口凸模沖裁加工方式得到的落料件整體輪廓較一致。 其中，底部凹形刃口凸模沖裁得到的材料落料件會(huì)出現(xiàn)輕微翹曲情況，并且落料件反面有圓角、正面有錐面，此外落料件正面還出現(xiàn)一定程度的毛刺。 造成此現(xiàn)象的主要原因是， 沖裁間隙為箔料厚度的15%，這屬于大間隙沖裁，會(huì)使沖裁時(shí)的凹凸模具各邊間隙不均勻。

圖13 平刃刃口凸模沖裁的落料件整體形貌圖

圖14 底部凹形刃口凸模沖裁的落料件整體形貌圖

4 結(jié)論

（1）本文在自主研制的微細(xì)電火花-微沖裁一體式加工機(jī)床上，根據(jù)本文論述的加工工藝，采用微細(xì)電火花三維銑削、 線電極放電磨削等技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的在線加工、對(duì)準(zhǔn)和沖裁，得到大尺寸異形復(fù)雜微型零件。

（2）利用圓柱形反拷貝電極，反拷出凹深為50 μm 的底部凹形刃口凸模， 并且成功進(jìn)行了沖裁實(shí)驗(yàn)，得到了底部凹形刃口凸模的沖裁力和沖裁時(shí)間關(guān)系曲線。 結(jié)果表明：與底部平刃凸模沖裁相比，底部凹形刃口凸模沖裁的沖裁力顯著減小。

（3）底部凹形刃口凸模沖裁的落料件斷面質(zhì)量相比于底部平刃凸模沖裁，其光亮帶明顯增加。 雖然本文實(shí)驗(yàn)得到的落料件有輕微彎曲，但兩種底部刃口凸模沖裁得到的落料件整體輪廓較為一致。