廖永良，邵 明，張 旸

（1.華南理工大學(xué)國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510641；2.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

針式打印頭是針式打印機(jī)的核心部件，其性能與可靠性直接影響到打印機(jī)的整體工作質(zhì)量。針式打印頭廣泛采用電磁鐵作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)打印針撞擊打印介質(zhì)完成打印任務(wù)[1]。某廠生產(chǎn)的典型打印頭鐵芯基座如圖1所示，該零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)尺寸精度和表面光潔度有很高的要求，其內(nèi)部的24個(gè)小凸臺(tái)加工成形相當(dāng)困難。

1 材料選擇

為了滿足電磁性能要求，鐵芯基座材料通常采用軟磁材料，如電磁純鐵、硅鋼和坡莫合金等。電磁純鐵具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高、磁滯損耗低，電阻率低等電磁性能，按照電磁性能由低到高分為普通級(jí)、高級(jí)、特級(jí)、超級(jí)，其電磁性能見(jiàn)表1。

圖1 鐵芯基座零件圖

電磁純鐵具有相對(duì)較軟、強(qiáng)度低、塑性成形性能優(yōu)良以及成本價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可作為軟磁結(jié)構(gòu)材料來(lái)生產(chǎn)針式打印頭鐵芯基座。電磁純鐵在900℃左右從奧氏體γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體α-Fe時(shí)有體積突變，這時(shí)晶間聯(lián)系弱、塑性差，處在紅脆區(qū)；400℃左右時(shí)又處于藍(lán)脆區(qū)。在藍(lán)脆和紅脆區(qū)，電磁純鐵的塑性反而低于鄰近溫度區(qū)域，所以在進(jìn)行室溫以上的塑性加工時(shí)必須避開(kāi)這兩個(gè)溫度區(qū)，可選擇在高溫區(qū)（1100～1350℃）或低溫區(qū)（650℃～800℃）進(jìn)行[2]。

表1 電磁純鐵的電磁性能

2 工藝分析

經(jīng)過(guò)對(duì)該零件的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，其可能的成形制造方法有以下3種。

（1）采用機(jī)械切削加工生產(chǎn)。機(jī)械切削加工容易把金屬內(nèi)部的纖維組織割斷，從而破壞了零件的力學(xué)性能，并且存在材料利用率低下、生產(chǎn)效率低下以及不適合大批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

（2）采用精密鑄造技術(shù)加工生產(chǎn)。該方法可制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形零件，但金屬在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且容易產(chǎn)生疏松、縮孔、夾雜以及化學(xué)成分不穩(wěn)定等缺陷，導(dǎo)致磁阻增加和電磁性能變差，從而影響打印頭的正常工作。同時(shí)，該制造方法生產(chǎn)的零件尺寸公差等級(jí)較低，難以達(dá)到零件的精度要求。

（3）采用溫?cái)D壓技術(shù)加工生產(chǎn)。溫?cái)D壓是在冷擠壓和熱擠壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切削塑性成形工藝，是一種近凈成形制造方法。與熱擠壓相比，由于溫?cái)D壓加熱溫度低，氧化脫碳大為減輕，產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量得到明顯提高，材料晶粒組織得到細(xì)化，產(chǎn)品力學(xué)性能好；與冷擠壓相比，溫?cái)D壓所需成形力明顯減少，可采用比冷擠壓大的變形量，從而減少模具費(fèi)用和壓力機(jī)噸位，還可采用剛性不很大的通用設(shè)備，模具壽命也比冷擠壓高很多，同時(shí)可免除繁復(fù)的軟化退火處理工序，便于組織連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)?？梢哉f(shuō)，溫?cái)D壓基本上保留了冷擠壓和熱擠壓的優(yōu)點(diǎn)，而克服了冷擠壓和熱擠壓的一些不足之處，廣泛應(yīng)用于冷擠壓時(shí)變形抗力高、加工硬化激烈、成形較困難，而采用熱擠壓時(shí)尺寸精度和表面粗糙度又滿足不了要求的擠壓生產(chǎn)場(chǎng)合。

因此，本文作者采用溫?cái)D壓成形工藝生產(chǎn)制造該零件。

3 溫?cái)D壓成形工藝方案

通過(guò)以上工藝分析可確定鐵芯基座的溫?cái)D壓生產(chǎn)工藝方案為：制備毛坯→溫?cái)D壓預(yù)成形→沖裁→去毛刺→去除修邊余量→零件后處理（磁性處理、時(shí)效處理、涂覆等）。

3.1 溫?cái)D壓預(yù)成形件的設(shè)計(jì)

根據(jù)溫?cái)D壓的工藝性要求[3-4]和零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定采用正擠壓成形工藝，將包括外圓環(huán)壁、凸緣部分和24個(gè)小凸臺(tái)的整體零件結(jié)構(gòu)一次擠壓成形，該零件上的24個(gè)φ1.7 mm孔、3個(gè)φ 2 mm孔和中間的異型孔不擠出，這些孔安排在溫?cái)D壓工序之后用沖裁工藝一次加工成形?？紤]到溫?cái)D壓后預(yù)成形件上端部不平齊，在預(yù)成形件高度方向上加修邊余量得到如圖2所示的預(yù)成形件圖。

3.2 溫?cái)D壓毛坯的制備

用三維建模軟件SolidWorks測(cè)算出圖2所示預(yù)成形件的體積為4.459×103mm3。根據(jù)毛坯體積等于預(yù)成形件體積的原則可知：毛坯體積同為4.459×103mm3。考慮毛坯材料加熱后的體積膨脹，確保毛坯順利進(jìn)入凹模腔內(nèi)，引入體積修正，取毛坯直徑為D毛=33.20 mm，毛坯高度為H=5.15 mm。

圖2 預(yù)成形件圖

3.3 毛坯的加熱及潤(rùn)滑

根據(jù)材料電磁純鐵的成形性能，選擇擠壓成形在700℃左右進(jìn)行。為了防止坯料表面氧化和石墨保護(hù)膜的燒毀，坯料加熱時(shí)間要盡可能短，最好在10 min內(nèi)完成加熱和擠壓的全過(guò)程。擠壓過(guò)程中，由于潤(rùn)滑不好，可能引起坯料粘模，而出現(xiàn)嚴(yán)重的局部不均勻流動(dòng)現(xiàn)象，并導(dǎo)致出現(xiàn)裂口、魚(yú)鱗狀的粗糙表面等缺陷。因此，在擠壓之前，毛坯都要經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑處理。將坯料浸涂油基石墨潤(rùn)滑劑，在其表面形成一層薄而均勻的石墨層，然后再加熱至擠壓溫度。根據(jù)需要，在模具上仍可加涂潤(rùn)滑劑。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 溫?cái)D壓模具設(shè)計(jì)

該模具采用導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向的正擠壓模結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。將加熱潤(rùn)滑后的坯料置入凹模內(nèi)，擠壓時(shí)，在凸模的壓力作用下，坯料在凹模腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉式鐓擠和正擠壓的復(fù)合擠壓，擠壓完成后，壓力機(jī)的頂出缸通過(guò)頂出板向上運(yùn)動(dòng)同時(shí)推動(dòng)小頂桿和凹模鑲塊，利用小頂桿和凹模鑲塊存在的行程差，凹模鑲塊先脫離凹模實(shí)現(xiàn)開(kāi)模，隨后小頂桿與頂出器接觸，頂出器將工件推出最終實(shí)現(xiàn)脫模，得到預(yù)成形件。

圖3 溫?cái)D壓模具結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 沖裁模具設(shè)計(jì)

沖裁工序所用的沖裁模具如圖4所示。在開(kāi)模狀態(tài)下，將預(yù)成形件置于凹模的模腔內(nèi)，隨著凸模下行壓下，凸模模頭同時(shí)接觸預(yù)成形件上各所需沖孔面，將工藝廢料沖切下來(lái)，完成沖裁分離。沖裁完成后，凸?；爻滔蛏线\(yùn)動(dòng)，在卸料板的作用下完成工件與凸模的分離，得到鐵芯基座。

圖4 沖裁模具結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）提出了用溫?cái)D壓工藝方法加工制造鐵芯基座零件，可節(jié)約原材料，減少機(jī)加工工作量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，提高生產(chǎn)效率，適合大批量生產(chǎn)；

（2）綜合分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能要求，選用了電磁純鐵作為零件材料并制定了相應(yīng)的成形工藝方案；

（3）設(shè)計(jì)了成形工藝方案配套的溫?cái)D壓模具和沖裁模具，在通用液壓機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)鐵芯基座的加工生產(chǎn)。

本文所提出的打印頭鐵芯基座溫?cái)D壓成形工藝及其成形模具已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，后續(xù)將進(jìn)行該成形工藝方案的實(shí)驗(yàn)研究并據(jù)此作進(jìn)一步的優(yōu)化改善。

［1］韓雪濤.圖解打印機(jī)維修快速入門(mén)［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］蔡利，胡亞民，車(chē)路長(zhǎng).電磁純鐵的鍛造及冷成形性能研究［J］.汽車(chē)工藝與材料，1998（09）：25-28.

［3］郝濱海.擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］張水忠.擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.