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基于微細(xì)電火花加工技術(shù)的微沖裁模具在線制備

2017-1-4 來源：大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院作者：鞏向偉，曾志杰，于騰龍，李劍中，徐文驥，

摘要：針對微沖裁異形截面的微小模具難以制備及安裝對準(zhǔn)的問題，利用微細(xì)電火花三維銑削加工技術(shù)加工反拷貝電極及凹模，利用所加工的反拷貝電極通過電火花反拷貝加工技術(shù)加工凸模，整個(gè)工藝過程在線制作，避免了凸凹模具二次裝夾產(chǎn)生的位置誤差。該工藝分別在線制作凸凹模具，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜截面形狀微型模具制備和在線對準(zhǔn)。通過設(shè)計(jì)試加工實(shí)驗(yàn)確定加工參數(shù)，并利用該工藝成功制作了一套截面形狀復(fù)雜的具有微小特征結(jié)構(gòu)的高精度微沖裁模具。

關(guān)鍵詞：微細(xì)電火花加工；微沖裁模具；反拷貝加工

隨著產(chǎn)品微型化的發(fā)展，對微型零件的需求日益增大。但微型零件的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)仍難以實(shí)現(xiàn)，其成為制約微型產(chǎn)品普及的關(guān)鍵因素。微沖裁作為微成形工藝的一種，具有生產(chǎn)效率高、材料損失小、最終成形零件機(jī)械性能好、尺寸偏差小、凈成形及近凈成形等優(yōu)點(diǎn)[1]，是制造微細(xì)零件最有前途的工藝之一。但微沖裁工藝中仍存在微小模具難以制作及對準(zhǔn)的問題[2]。

早在20 世紀(jì)80 年代末，Masuzawa[3]就利用微細(xì)電火花加工技術(shù)在線制備微沖裁模具，并成功沖出了直徑幾十微米的小孔及異形孔。Chen[4-5]在此基礎(chǔ)上，利用vibration-EDM 來提高微沖裁模具的加工效率及表面質(zhì)量，制造出高精度的微型多邊形沖頭，實(shí)現(xiàn)了異形微孔的高質(zhì)量加工。Joo[6-8]分別采用微細(xì)研磨及微細(xì)電火花加工技術(shù)制作微型凸凹模，在自行設(shè)計(jì)的微沖裁系統(tǒng)上利用光學(xué)原理對其進(jìn)行裝配，最終在黃銅及不銹鋼箔上制作出深徑比為1、直徑分別為100、50、25 μm 的微孔件。由于微細(xì)研磨難以制造直徑更小的沖頭，此后他們改用微細(xì)電火花加工技術(shù)制造微沖裁模具，并在13 μm 厚的黃銅及不銹鋼材料上成功沖出直徑15 μm 微孔。徐杰[9]利用塊電極電火花磨削技術(shù)（BEDG）加工凸模，然后利用凸模在線加工凹模，并分別在厚度150、80、50 μm 的不銹鋼箔上沖出直徑300、150、100 μm的微孔。

目前微沖裁模具加工主要采用線電極電火花磨削技術(shù)（WEDG）[10]或塊電極電火花磨削技術(shù)制作電極，并利用其加工出凹模，然后對電極修整制作出所需的凸模。該工藝因無法制造截面形狀復(fù)雜的異形微模具，使微沖裁技術(shù)僅局限于沖制簡單形狀的微孔。本文著重介紹一種在線制備復(fù)雜截面形狀微沖裁模具的微細(xì)電火花加工工藝，并對加工的結(jié)果進(jìn)行分析，說明了產(chǎn)生誤差的原因。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自行研制的微細(xì)電火花-微沖裁組合加工機(jī)床（圖1），其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。此系統(tǒng)中，主軸用于裝夾微細(xì)鎢電極，WEDG 單元用于完成微細(xì)鎢電極制備，油槽及凸凹模組件分別用于裝夾反拷貝電極及凸凹模毛坯。該加工設(shè)備X、Y、Z1、Z2軸重復(fù)定位精度1 μm，采用RC 弛張式脈沖電源，使用正極性加工，加工工作液為煤油。

2.微沖裁凸凹模具形狀及設(shè)計(jì)尺寸

本文所沖制零件的形狀及尺寸見圖3。該零件為沖裁落料件，凹模形狀及尺寸與其相同，沿凹模輪廓向內(nèi)偏置單邊沖裁間隙即為凸模輪廓。沖裁時(shí)，工件材料厚度為100 μm，取單邊沖裁間隙為材料厚度的10 %，即沖裁單邊間隙為10 μm；凹模厚度300 μm，凸模軸向長度500 μm，凸凹模具材料為Cr12MoV 模具鋼，各特征設(shè)計(jì)尺寸見表1。

表1 微沖裁零件及凸凹模具各特征尺寸設(shè)計(jì)值μm

3.微沖裁凸凹模具在線制備

3.1 凹模加工工藝

凹模制作包括粗、精加工兩個(gè)過程。首先，用線電極電火花磨削技術(shù)（WEDG）粗加工出直徑約160μm 的鎢電極，采用較大的放電能量，在凹模毛坯的適當(dāng)位置加工多個(gè)通孔（圖4a）。此過程為粗加工工藝，采用較大的放電能量及鉆孔工藝是為了提高加工效率，快速去除工件毛坯材料。粗加工工藝不需使用尺寸精確的電極，只需合理控制精加工余量（本實(shí)驗(yàn)余量控制為60~80 μm）。

為得到高精度凹模，精加工需使用尺寸精確的微細(xì)鎢電極及小的放電能量。因粗加工鉆孔后微細(xì)鎢電極存在一定的損耗，其徑向損耗會影響電極的尺寸精度，故鉆孔后先將電極前端損耗部分切除，再經(jīng)粗、精加工最終加工出直徑100 μm 的高精度電極。利用加工出的尺寸精確的微細(xì)鎢電極沿圖4b中事先生成的刀具軌跡，采用較小的放電能量進(jìn)行微細(xì)電火花三維分層銑削加工，經(jīng)過電極層層掃描，最終加工出上下通透的凹模（圖4c）。分層加工過程電極采用逆、順時(shí)針交替的刀具軌跡進(jìn)行掃描，以盡可能減小每一層被加工面的不平整度，提高火花放電的穩(wěn)定性，改善加工效率。此外采用工具電極多進(jìn)給的加工方式減小凹模入出口尺寸差，提高加工精度[11]。

3.2 凸模加工方法

凸模加工工藝分為兩步，首先利用微細(xì)鎢電極在500 μm 厚的黃銅片上加工出與凹模形狀相同的反拷貝電極，其與凹模加工方式相同。然后將凸模毛坯對準(zhǔn)反拷貝電極，控制凸模向下進(jìn)給，最終加工出與反拷貝電極形狀相同的凸模（圖5）。為提高凸模加工精度，應(yīng)保證凸模前500 μm 使用部分能被500 μm 厚反拷貝電極充分加工，故將加工總進(jìn)給量設(shè)定為1 mm。此加工工藝采用較小的放電能量以保證獲得表面質(zhì)量較好的凸模，同時(shí)采用超聲波輔助振動反拷貝電極底部工作液的方法來提高加工效率及加工精度。

由于反拷貝加工凸模時(shí)間較長，而加工時(shí)間與材料去除量成正比，為提高加工效率，凸模毛坯棒材先用線切割工藝加工出0.9 mm×0.9 mm×1.5 mm的正方體凸臺（圖6）。

3.3 凸凹模具在線加工工藝流程

在線加工可避免凸凹模具的裝夾誤差，是解決微沖裁模具難以對準(zhǔn)的有效途徑，其加工工藝流程見圖7。

（1）確定凸模中心與主軸旋轉(zhuǎn)中心之間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。首先利用凸模毛坯在反拷貝電極毛坯上采用較大放電能量加工出方形坑（圖7a）并記錄加工坐標(biāo)，再利用機(jī)床的探測感知功能采用圓電極旋轉(zhuǎn)探測方坑四邊每邊各兩點(diǎn)，擬合出方坑中心，最后利用加工坐標(biāo)及擬合坐標(biāo)計(jì)算出其轉(zhuǎn)化關(guān)系。

（2）反拷貝電極及凹模粗加工。利用WEDG 粗加工出的微細(xì)鎢電極分別對反拷貝電極（圖7b）及凹模（圖7c）進(jìn)行粗加工，粗加工工藝為提高加工效率均采用較大的放電能量。

（3）反拷貝電極及凹模精加工。利用WEDG 方法加工出的尺寸精確的微細(xì)鎢電極采用微細(xì)電火花三維分層銑削加工技術(shù)，在較小的放電能量下分別對反拷貝電極（圖7b）及凹模（圖7c）進(jìn)行精加工。由于反拷貝電極會被后續(xù)用來加工凸模，加工完后其原始尺寸會因電極損耗無法獲得。因此在加工過程中，為便于后續(xù)調(diào)整加工參數(shù)，每次同時(shí)加工兩個(gè)反拷貝電極，一個(gè)用于對比觀測以獲得原始加工數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于反拷貝加工凸模。因精加工反拷貝電極時(shí)鎢電極徑向損耗相比加工凹模時(shí)小，因此該工藝過程采用先加工反拷貝電極再加工凹模的加工順序，避免鎢電極側(cè)壁出現(xiàn)較大損耗影響后續(xù)加工。

（4）反拷貝加工凸模。利用反拷貝電極加工坐標(biāo)以及先前獲得的凸模中心與旋轉(zhuǎn)主軸中心的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系，將凸模毛坯與反拷貝電極對準(zhǔn)，保證凸模毛坯完全覆蓋反拷貝電極輪廓。對反拷貝電極底部工作液施加超聲波輔助振動，采用較小的放電能量進(jìn)行反拷貝凸模加工（圖7d）。

3.4 凸凹模具加工參數(shù)確定

要獲得高精度凸凹模具，就要準(zhǔn)確掌握各加工過程的加工間隙，通過調(diào)整刀具軌跡來控制反拷貝電極及凹模加工尺寸。凸模由反拷貝電極經(jīng)反拷貝加工得到，可根據(jù)此加工過程的加工間隙值大小來調(diào)整反拷貝電極設(shè)計(jì)尺寸，以加工出與設(shè)計(jì)尺寸相符的凸模。此處的加工間隙指加工過程中火花放電間隙及機(jī)床因自身運(yùn)動誤差及外界干擾等因素綜合作用產(chǎn)生的單邊加工間隙。

反拷貝電極及凹模利用試加工實(shí)驗(yàn)來確定各自加工過程的加工間隙。因凸模加工時(shí)間較長，為提高加工效率，設(shè)計(jì)了方形凸模加工實(shí)驗(yàn)來確定反拷貝加工凸模的加工間隙，根據(jù)此加工間隙值確定反拷貝電極最終設(shè)計(jì)尺寸。

3.4.1 反拷貝電極及凹模加工參數(shù)確定

反拷貝電極及凹模加工間隙確定實(shí)驗(yàn)采用與實(shí)際加工過程相同的放電參數(shù)及進(jìn)給方式（表2），加工與表1 所示凹模尺寸相同的反拷貝電極和凹模。

表2 反拷貝電極及凹模加工參數(shù)

表3 列出了所加工出的反拷貝電極及凹模入口處各尺寸的測量值。其中，反拷貝電極特征尺寸2、3 加工出現(xiàn)較大偏差，而凹模相應(yīng)尺寸偏差并不明顯?？紤]實(shí)際加工過程中，特征尺寸2、3 與機(jī)床Y軸平行，而特征尺寸1、4 與機(jī)床X 軸平行。對比發(fā)現(xiàn)X 向特征尺寸加工相比Y 向特征尺寸加工更穩(wěn)定，故在計(jì)算加工間隙時(shí)選用特征尺寸1、4 進(jìn)行計(jì)算，其加工軌跡尺寸分別為388、8 μm。加工后測得所用電極根部未參與加工部分的尺寸為100 μm，以此值作為實(shí)際計(jì)算時(shí)WEDG 加工出的原始電極直徑，加工間隙的計(jì)算方式為：

表3 反拷貝電極及凹模入口處各特征實(shí)際加工尺寸μm

根據(jù)式（1）將計(jì)算出的反拷貝電極及凹模特征尺寸1、4 的實(shí)際加工間隙值列于表4。凹模特征尺寸1、4 的加工間隙相差較小，可取凹模加工間隙值為5 μm。而反拷貝電極兩特征尺寸加工間隙相差較大，除了存在測量誤差，電火花放電加工過程存在一定的不穩(wěn)定性。為排除隨機(jī)性干擾及便于對特定尺寸采取加工補(bǔ)償策略，選取較大加工間隙6μm 作為反拷貝電極的實(shí)際加工間隙值。

表4 反拷貝電極及凹模實(shí)際加工間隙μm

3.4.2 反拷貝加工凸模加工參數(shù)確定

反拷貝加工間隙確定實(shí)驗(yàn)采用與實(shí)際反拷貝加工凸模相同的放電參數(shù)（表5），通過反拷貝加工簡單形狀的方形凸模獲得。首先利用微細(xì)鎢電極在500 μm 厚黃銅片上加工出300 μm×300 μm 的方形通孔作為反拷貝電極，然后用其反拷貝加工端部尺寸為700 μm×700 μm 的方形凸模毛坯，其加工方式與前文所述相同。因反拷貝電極加工凸模后存在損耗，原始加工數(shù)據(jù)丟失，故此實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)先后加工兩個(gè)反拷貝電極。加工完成后測量實(shí)際加工出的凸模端面尺寸及對比使用反拷貝電極入口處尺寸，其具體加工結(jié)果見圖8 及表6。

表5 反拷貝加工凸模加工參數(shù)

表6 凸模及對比用反拷貝電極加工尺寸μm

圖8 反拷貝加工凸模加工間隙確定實(shí)驗(yàn)加工出的凸模（左）及對比反拷貝電極（右）

加工數(shù)據(jù)表明，機(jī)床所加工的X 向特征尺寸相比Y 向特征尺寸更為穩(wěn)定，故在計(jì)算反拷貝加工凸模加工間隙時(shí)選用凸模及對比反拷貝電極X 向特征尺寸，將其代入式（2），計(jì)算得到反拷貝加工凸模

表7 反拷貝電極各尺寸設(shè)計(jì)值

4.凸凹模具加工結(jié)果及分析

根據(jù)前文所述的加工工藝方案，按設(shè)計(jì)尺寸在線制備了一套微沖裁凸凹模具，其加工結(jié)果見表8~表10 及圖9、圖10，沖裁單邊間隙按凸模端面及凹模入口尺寸計(jì)算得到。凸模側(cè)壁選取特征尺寸1、3、4，測量端面至500 μm 處的尺寸值，測量間隔為100 μm。

表8 微沖裁模具加工結(jié)果μm

加工結(jié)果顯示，凹模及反拷貝電極出口尺寸小于入口尺寸，凸模側(cè)壁尺寸大于凸模端面尺寸，凸凹模具存在一定的加工斜度。這主要與電火花加工工藝特性有關(guān)（圖11）。由于工具電極先參與電火花加工部分的加工時(shí)間長，絕對損耗大，而工件先被加工出的部分由于電蝕產(chǎn)物的存在，該處的加工間隙隨二次放電的概率增大而逐漸增大，因而產(chǎn)生了加工斜度。對比反拷貝電極及凹模特征尺寸2、3 加工誤差較大，凸模此項(xiàng)誤差并不明顯，由誤差復(fù)映原理可知，參與反拷貝加工凸模的反拷貝電極此項(xiàng)誤差較小。對比上文加工參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)中加工數(shù)據(jù)可知，特征尺寸2、3 加工誤差具有一定的隨

表9 微沖裁模具加工誤差μm

表10 凸模側(cè)面尺寸μm

機(jī)性。分析表明，加工時(shí)此部分尺寸與機(jī)床Y 軸平行，說明機(jī)床Y 向存在一定的隨機(jī)性擾動。這一擾動的的主要來源是固定主軸的懸臂在Y 向產(chǎn)生的熱變形，而X 向由于采用熱對稱設(shè)計(jì)，則不存在這一問題。影響機(jī)床的熱源，一般可分為內(nèi)部熱源與外部熱源兩類。實(shí)驗(yàn)中機(jī)床主軸懸臂結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱源主要由直流電機(jī)及旋轉(zhuǎn)主軸產(chǎn)生，外部熱源主要為周圍溫度變化。圖12 給出了加工過程中一天內(nèi)機(jī)床周圍環(huán)境溫度的變化情況，數(shù)據(jù)由溫度記錄儀自動采集，采樣間隔半小時(shí)。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)溫度變化1 ℃時(shí)，該懸臂結(jié)構(gòu)會在Y 方向上產(chǎn)生約4 μm 的變形。

5.結(jié)束語

本文提出了一種在線制備復(fù)雜截面形狀微沖裁模具的工藝方法。利用微細(xì)電火花三維銑削技術(shù)加工反拷貝電極及凹模，再利用所加工的反拷貝電極通過電火花反拷貝加工技術(shù)加工凸模，整套工藝流程在線完成，避免了凸凹模具二次裝夾產(chǎn)生的位置誤差。采用所提出的工藝方法，成功制作了一套截面形狀復(fù)雜的具有微小特征結(jié)構(gòu)的高精度微沖裁模具，并對加工誤差進(jìn)行了分析。