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基于微細電火花加工技術的微沖裁模具在線制備

2017-1-4 來源：大連理工大學機械工程學院作者：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的問題，利用微細電火花三維銑削加工技術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加工凸模，整個工藝過程在線制作，避免了凸凹模具二次裝夾產生的位置誤差。該工藝分別在線制作凸凹模具，實現了復雜截面形狀微型模具制備和在線對準。通過設計試加工實驗確定加工參數，并利用該工藝成功制作了一套截面形狀復雜的具有微小特征結構的高精度微沖裁模具。

關鍵詞：微細電火花加工；微沖裁模具；反拷貝加工

隨著產品微型化的發展，對微型零件的需求日益增大。但微型零件的低成本、大規模生產仍難以實現，其成為制約微型產品普及的關鍵因素。微沖裁作為微成形工藝的一種，具有生產效率高、材料損失小、最終成形零件機械性能好、尺寸偏差小、凈成形及近凈成形等優點[1]，是制造微細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的問題[2]。

早在20 世紀80 年代末，Masuzawa[3]就利用微細電火花加工技術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]在此基礎上，利用vibration-EDM 來提高微沖裁模具的加工效率及表面質量，制造出高精度的微型多邊形沖頭，實現了異形微孔的高質量加工。Joo[6-8]分別采用微細研磨及微細電火花加工技術制作微型凸凹模，在自行設計的微沖裁系統上利用光學原理對其進行裝配，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。由于微細研磨難以制造直徑更小的沖頭，此后他們改用微細電火花加工技術制造微沖裁模具，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（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（WEDG）[10]或塊電極電火花磨削技術制作電極，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雜的異形微模具，使微沖裁技術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雜截面形狀微沖裁模具的微細電火花加工工藝，并對加工的結果進行分析，說明了產生誤差的原因。

1.實驗裝置

實驗裝置為自行研制的微細電火花-微沖裁組合加工機床（圖1），其結構示意圖見圖2。此系統中，主軸用于裝夾微細鎢電極，WEDG 單元用于完成微細鎢電極制備，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。該加工設備X、Y、Z1、Z2軸重復定位精度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計尺寸

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，沿凹模輪廓向內偏置單邊沖裁間隙即為凸模輪廓。沖裁時，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，各特征設計尺寸見表1。

表1 微沖裁零件及凸凹模具各特征尺寸設計值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、精加工兩個過程。首先，用線電極電火花磨削技術（WEDG）粗加工出直徑約160μm 的鎢電極，采用較大的放電能量，在凹模毛坯的適當位置加工多個通孔（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（本實驗余量控制為60~80 μm）。

為得到高精度凹模，精加工需使用尺寸精確的微細鎢電極及小的放電能量。因粗加工鉆孔后微細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行微細電火花三維分層銑削加工，經過電極層層掃描，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、順時針交替的刀具軌跡進行掃描，以盡可能減小每一層被加工面的不平整度，提高火花放電的穩定性，改善加工效率。此外采用工具電極多進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反拷貝電極，控制凸模向下進給，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，故將加工總進給量設定為1 mm。此加工工藝采用較小的放電能量以保證獲得表面質量較好的凸模，同時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間較長，而加工時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中心之間坐標的轉化關系。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，再利用機床的探測感知功能采用圓電極旋轉探測方坑四邊每邊各兩點，擬合出方坑中心，最后利用加工坐標及擬合坐標計算出其轉化關系。

（2）反拷貝電極及凹模粗加工。利用WEDG 粗加工出的微細鎢電極分別對反拷貝電極（圖7b）及凹模（圖7c）進行粗加工，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鎢電極采用微細電火花三維分層銑削加工技術，在較小的放電能量下分別對反拷貝電極（圖7b）及凹模（圖7c）進行精加工。由于反拷貝電極會被后續用來加工凸模，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，為便于后續調整加工參數，每次同時加工兩個反拷貝電極，一個用于對比觀測以獲得原始加工數據，另一個用于反拷貝加工凸模。因精加工反拷貝電極時鎢電極徑向損耗相比加工凹模時小，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，避免鎢電極側壁出現較大損耗影響后續加工。

（4）反拷貝加工凸模。利用反拷貝電極加工坐標以及先前獲得的凸模中心與旋轉主軸中心的坐標轉化關系，將凸模毛坯與反拷貝電極對準，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行反拷貝凸模加工（圖7d）。

3.4 凸凹模具加工參數確定

要獲得高精度凸凹模具，就要準確掌握各加工過程的加工間隙，通過調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反拷貝加工得到，可根據此加工過程的加工間隙值大小來調整反拷貝電極設計尺寸，以加工出與設計尺寸相符的凸模。此處的加工間隙指加工過程中火花放電間隙及機床因自身運動誤差及外界干擾等因素綜合作用產生的單邊加工間隙。

反拷貝電極及凹模利用試加工實驗來確定各自加工過程的加工間隙。因凸模加工時間較長，為提高加工效率，設計了方形凸模加工實驗來確定反拷貝加工凸模的加工間隙，根據此加工間隙值確定反拷貝電極最終設計尺寸。

3.4.1 反拷貝電極及凹模加工參數確定

反拷貝電極及凹模加工間隙確定實驗采用與實際加工過程相同的放電參數及進給方式（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

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 加工出現較大偏差，而凹模相應尺寸偏差并不明顯。考慮實際加工過程中，特征尺寸2、3 與機床Y軸平行，而特征尺寸1、4 與機床X 軸平行。對比發現X 向特征尺寸加工相比Y 向特征尺寸加工更穩定，故在計算加工間隙時選用特征尺寸1、4 進行計算，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，以此值作為實際計算時WEDG 加工出的原始電極直徑，加工間隙的計算方式為：

表3 反拷貝電極及凹模入口處各特征實際加工尺寸μm

根據式（1）將計算出的反拷貝電極及凹模特征尺寸1、4 的實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定性。為排除隨機性干擾及便于對特定尺寸采取加工補償策略，選取較大加工間隙6μm 作為反拷貝電極的實際加工間隙值。

表4 反拷貝電極及凹模實際加工間隙μm

3.4.2 反拷貝加工凸模加工參數確定

反拷貝加工間隙確定實驗采用與實際反拷貝加工凸模相同的放電參數（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，原始加工數據丟失，故此實驗中設計先后加工兩個反拷貝電極。加工完成后測量實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，其具體加工結果見圖8 及表6。

表5 反拷貝加工凸模加工參數

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驗加工出的凸模（左）及對比反拷貝電極（右）

加工數據表明，機床所加工的X 向特征尺寸相比Y 向特征尺寸更為穩定，故在計算反拷貝加工凸模加工間隙時選用凸模及對比反拷貝電極X 向特征尺寸，將其代入式（2），計算得到反拷貝加工凸模

表7 反拷貝電極各尺寸設計值

4.凸凹模具加工結果及分析

根據前文所述的加工工藝方案，按設計尺寸在線制備了一套微沖裁凸凹模具，其加工結果見表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算得到。凸模側壁選取特征尺寸1、3、4，測量端面至500 μm 處的尺寸值，測量間隔為100 μm。

表8 微沖裁模具加工結果μm

加工結果顯示，凹模及反拷貝電極出口尺寸小于入口尺寸，凸模側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（圖11）。由于工具電極先參與電火花加工部分的加工時間長，絕對損耗大，而工件先被加工出的部分由于電蝕產物的存在，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，凸模此項誤差并不明顯，由誤差復映原理可知，參與反拷貝加工凸模的反拷貝電極此項誤差較小。對比上文加工參數確定實驗中加工數據可知，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 凸模側面尺寸μm

機性。分析表明，加工時此部分尺寸與機床Y 軸平行，說明機床Y 向存在一定的隨機性擾動。這一擾動的的主要來源是固定主軸的懸臂在Y 向產生的熱變形，而X 向由于采用熱對稱設計，則不存在這一問題。影響機床的熱源，一般可分為內部熱源與外部熱源兩類。實驗中機床主軸懸臂結構的內部熱源主要由直流電機及旋轉主軸產生，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機床周圍環境溫度的變化情況，數據由溫度記錄儀自動采集，采樣間隔半小時。經計算分析，當溫度變化1 ℃時，該懸臂結構會在Y 方向上產生約4 μm 的變形。

5.結束語

本文提出了一種在線制備復雜截面形狀微沖裁模具的工藝方法。利用微細電火花三維銑削技術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雜的具有微小特征結構的高精度微沖裁模具，并對加工誤差進行了分析。