丁青旺，于騰龍，王 會(huì)，余祖元，李劍中，劉漢月

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

微沖裁加工是大批量生產(chǎn)薄型微小零件的高效方法。然而，微小模具必須在線加工才能避免模具在二次裝夾中產(chǎn)生的位置誤差，這對(duì)微小模具特別是復(fù)雜形狀的微小沖裁模具的加工帶來了新的要求與挑戰(zhàn)。為解決這一問題，日本東京大學(xué)的研究人員早在20世紀(jì)80年代末就采用微細(xì)電火花加工技術(shù)在線制備了微沖裁模具[1]，在不銹鋼薄片上沖裁長方形微孔。此后，韓國學(xué)者利用微細(xì)電火花加工方法制作出了直徑15 μm的硬質(zhì)合金微沖頭及直徑17 μm的硬質(zhì)合金微模具孔，并在13 μm厚的黃銅和不銹鋼薄片上沖裁出直徑15 μm的微孔[2]。國內(nèi)研究人員利用自行研制的微細(xì)電火花與微沖裁復(fù)合加工裝置，采用微細(xì)電火花加工技術(shù)在線制作了直徑100 μm的硬質(zhì)合金微沖頭和直徑110 μm的硬質(zhì)合金沖?？?，并在厚20 μm的黃銅箔上沖裁出直徑105 μm的微孔[3]。

迄今為止，對(duì)采用微細(xì)電火花加工技術(shù)的微沖裁加工的研究，通常以微小簡單形狀為主，在復(fù)雜精密微模具制作方面的研究較少。復(fù)雜形狀的精密微模具，其整體尺寸大，且局部尺寸微小，導(dǎo)致加工工藝復(fù)雜，加工效率低，精度難以控制，是微沖裁加工面臨的重要難題。本文介紹了采用微細(xì)電火花加工技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜截面形狀微沖裁模具的在線制作工藝。

1 微沖裁模具的形狀和尺寸

本文所加工的微沖裁模具見圖1。圖1a和圖1b分別為凹模和凸模端部的形狀和尺寸，凹模厚度為500 μm，凸模的軸向長度為600 μm，所用材料為硬質(zhì)合金YG6X。實(shí)驗(yàn)中的沖裁加工取落料為工件，所以工件的形狀和尺寸與凹模相同，沿著凹模的輪廓向內(nèi)整體縮小單邊沖裁間隙的長度即為凸模的輪廓。因?yàn)樗铔_裁的工件厚度t為100 μm，取單邊沖裁間隙c為工件厚度t的10%，即可得到單邊沖裁間隙c為10 μm。

圖1 模具的形狀和尺寸

圖1 所示的O1點(diǎn)為凸、凹模的幾何中心；O2點(diǎn)為凸、凹模的壓力中心，它是指沖裁時(shí)模具所受各沖壓力合力的作用點(diǎn)，它需與沖壓機(jī)床主軸中心重合，否則會(huì)因沖裁間隙不均勻而使模具產(chǎn)生偏載，導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件和導(dǎo)軌的急劇磨損，從而降低機(jī)床和模具的壽命[4]。

2 凹模的制作

2.1 凹模制作工藝

凹模的制作主要包括鉆孔和銑輪廓兩道工藝（圖2）。鉆孔是用直徑300 μm的鎢電極，采用較大的放電能量，在凹模上面500 μm×500 μm面積的中心位置加工直徑約300 μm的通孔A（圖2a）。因?yàn)閳A孔A周圍的凹模輪廓是正方形，鉆孔后留給下一工藝的余量是不均勻的，因此將鉆孔后的鎢電極用線電極電火花磨削技術(shù) （WEDG）粗加工為直徑250 μm的圓形電極[5]，讓其穿過通孔A并沿著通孔A走正方形軌跡，進(jìn)而得到如圖2b所示的方形通孔B。該過程作為粗加工，省去了對(duì)鎢電極的精加工，較大的放電能量可快速地去除大量材料，提高了加工效率；同時(shí)，所加工的通孔B有利于下一道工藝中加工液的流動(dòng)，促進(jìn)加工屑的排出，改善了加工質(zhì)量。為獲得尺寸準(zhǔn)確、邊緣鋒利的凹模，進(jìn)行銑輪廓精加工，以達(dá)到凹模的設(shè)計(jì)尺寸要求。

圖2 凹模制作工藝過程

利用經(jīng)WEDG加工的尺寸精確的鎢電極，沿著圖2c所示的銑輪廓走刀軌跡，采用小的放電能量，通過層層銑削去除材料，得到通透的凹模。圖2c所示的刀具輪廓指的是鎢電極的直徑與放電間隙之和。該過程作為精加工，尺寸精確的鎢電極可保證凹模的尺寸精確，小的放電能量能保證凹模邊緣的鋒利性。在層層銑削輪廓的工藝中，利用均勻損耗分段補(bǔ)償法對(duì)鎢電極進(jìn)行軸向補(bǔ)償，以此保證每一層被加工面的平整度，提高火花放電的穩(wěn)定性，提高加工效率[6]。

2.2 凹模加工參數(shù)的確定

凹模加工參數(shù)的確定是通過加工細(xì)長槽獲得該放電參數(shù)下鎢電極加工硬質(zhì)合金的放電間隙θ1和相對(duì)體積損耗率δ1，從而確定精加工所用的電壓和電容參數(shù)。其中，放電間隙用于凹模加工中微細(xì)鎢電極直徑的確定，相對(duì)體積損耗率用來制定鎢電極軸向的進(jìn)給深度。

圖3是確定凹模加工參數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)加工形狀，其加工工藝包括鉆孔和銑槽。實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)見表1。先采用未加工的鎢電極（直徑約300 μm）在圖3所示的A、B處分別加工孔心距為1500 μm的2個(gè)通孔，這有利于下一步銑槽加工時(shí)加工屑的排出，且在電極運(yùn)動(dòng)到槽兩端時(shí)可避免機(jī)床運(yùn)動(dòng)帶來的電極與工件的碰撞；然后采用經(jīng)WEDG加工的微細(xì)鎢電極在A、B兩點(diǎn)間進(jìn)行層層銑削，加工出銑槽C。

表1 凹模加工參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)

圖3 凹槽的形狀

在完成凹槽加工后，需對(duì)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以計(jì)算在電壓80 V、電容470pF的煤油介質(zhì)中，鎢電極加工硬質(zhì)合金YG6X的放電間隙θ1和相對(duì)體積損耗率 δ1，其計(jì)算方法見式（1）～式（4）。 其中，槽的寬度w、長度l和鎢電極直徑d0通過顯微鏡測(cè)量得到；槽的深度h通過探測(cè)得到，具體方法是在加工完槽后，利用一細(xì)小鎢電極在槽的底部均勻地探測(cè)5個(gè)點(diǎn)，記錄其Z坐標(biāo)值并取平均值；然后在槽的上表面均勻地探測(cè)4個(gè)點(diǎn)，記錄其Z坐標(biāo)值并取平均值，兩者之差即為槽的深度。電極軸向損耗l00也通過探測(cè)得到，具體方法是在銑槽加工前，將電極在槽表面非加工區(qū)域探測(cè)得到Z坐標(biāo)值，加工后在同一地方探測(cè)得到另一Z坐標(biāo)值，二者之差即為銑槽時(shí)電極的軸向損耗長度。

式中：V22為銑槽實(shí)驗(yàn)中電極損耗的體積；V11為槽的體積；l為槽的長度。

圖4是加工出的凹槽和加工后的電極。通過探測(cè)和測(cè)量得到凹槽和電極的相關(guān)參數(shù)，將其代入式（1）～式（4）可得到放電間隙 θ1=7 μm、相對(duì)體積損耗率 δ1=0.012。

圖4 凹槽（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的電極

根據(jù)求得的放電間隙（7 μm）及圖1a所示的凹模最小特征尺寸（200 μm），確定凹模加工中銑輪廓工藝所用的電極直徑d=180 μm。將此電極直徑及相對(duì)體積損耗率 δ1代入式（5）～式（8）中，即可得到加工凹模時(shí)銑輪廓工藝中微細(xì)鎢電極的軸向進(jìn)給深度l1=1250 μm。

式中：t為凹模片的厚度；l0為銑輪廓中電極的軸向損耗長度；V1為銑輪廓中去除的凹模材料體積；V2為銑輪廓中鎢電極損耗的體積；d為銑輪廓所用的鎢電極直徑；s為凹模的表面積。

為保證凹模徹底加工透且其正反面尺寸一致，將電極軸向進(jìn)給深度l1增大至2000 μm。此外，通過計(jì)算得到在對(duì)凹模進(jìn)行層層銑削加工時(shí)，每一層加工中的電極軸向損耗量約為10 μm。文中采用均勻損耗分段補(bǔ)償方法，每一層分5次進(jìn)行補(bǔ)償，以改善加工狀況，提高加工效率。實(shí)際的凹模加工參數(shù)見表2。

表2 凹模的加工參數(shù)

2.3 凹模加工結(jié)果

根據(jù)前文所述的凹模加工工藝設(shè)計(jì)和確定的加工參數(shù)進(jìn)行凹模的制作。圖5是加工的凹模和凹模銑輪廓工藝中所用的鎢電極。

圖5 凹模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后電極

3 凸模的制作

3.1 凸模制作工藝

凸模的制作包括兩道工藝：先用微細(xì)鎢電極在厚500 μm的黃銅片上加工出與凹模形狀相似的工件作為反拷貝電極，然后控制凸模毛坯緩慢向下進(jìn)給，將反拷貝電極作為工具電極對(duì)凸模毛坯進(jìn)行反拷貝加工（圖6）。加工時(shí)，工具和工件端部浸在裝有加工液的油槽中。由于加工中電極無旋轉(zhuǎn)，放電間隙狹小，加工屑排出不暢，易產(chǎn)生電弧放電、短路等非正常放電現(xiàn)象，造成加工效率與精度下降。為解決該問題，在反拷貝加工中采用超聲波振動(dòng)器對(duì)反拷貝電極底部的工作液施加超聲波振動(dòng)[7]，其振動(dòng)頻率約為1700 kHz。

3.2 反拷貝加工放電間隙的確定

反拷貝加工放電間隙的確定實(shí)驗(yàn)是通過反拷貝加工簡單形狀的方形凸模來得到該放電參數(shù)下黃銅電極對(duì)硬質(zhì)合金的放電間隙θ2，據(jù)此確定反拷貝電極的輪廓尺寸和實(shí)際反拷貝加工凸模時(shí)的電壓和電容參數(shù)。具體工藝過程為：用微細(xì)鎢電極在厚 500 μm 的黃銅片上加工約 500 μm×500 μm 的方形通孔作為反拷貝電極，再利用該電極在端部尺寸約1000 μm×1000 μm的硬質(zhì)合金方形棒上加工方形凸模。為促使加工屑排出，并使加工過程穩(wěn)定，在加工過程中采用超聲波輔助振動(dòng)工作液的方法來提高加工效率和精度，振動(dòng)器的電壓為15 V。表3是反拷貝凸模放電間隙確定實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)。

圖6 凸模制作工藝示意圖

表3 反拷貝放電間隙確定實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)

圖7是加工出的方形凸模和使用過的方形反拷貝電極。測(cè)量方形反拷貝電極的邊長和方形凸模的邊長，取二者差值的一半，即可得到在80 V電壓和470pF電容下，黃銅反拷貝電極加工硬質(zhì)合金的放電間隙θ2=15 μm。

圖7 方形凸模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的反拷貝電極

3.3 反拷貝電極的制作

如圖8a所示，將圖1所示的凸模輪廓向外擴(kuò)大反拷貝放電間隙θ2=15 μm的距離，即可得到圖8b所示的反拷貝電極尺寸。其中，O1點(diǎn)是反拷貝電極的幾何中心，O2點(diǎn)是反拷貝電極的壓力中心。

圖8 反拷貝電極尺寸的確定寸

反拷貝電極的加工工藝和凹模的加工工藝相同，首先要進(jìn)行反拷貝電極加工參數(shù)的確定實(shí)驗(yàn)，所加工的凹槽和加工后的電極見圖9，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到鎢電極加工黃銅的放電間隙θ3=9 μm和相對(duì)體積損耗率δ3=0.018，據(jù)此可確定反拷貝電極的加工參數(shù)（表4）。最后，通過鉆孔粗加工和層層銑削的精加工得到反拷貝電極（圖10）。

圖9 凹槽（黃銅）和加工用電極

圖10 反拷貝電極（黃銅）和加工后的鎢電極

3.4 反拷貝加工凸模

凸模毛坯是直徑6 mm 的硬質(zhì)合金圓棒，因凸模的尺寸跨度相對(duì)圓棒的直徑較小，所以用電火花線切割技術(shù)在凸模毛坯端部加工出長2.1 mm、寬1.1 mm、高5 mm的長方體（圖11），通過這樣的粗加工可快速地去除材料，提高反拷貝加工的效率。長方體的幾何中心在圓棒的軸線上，其長、寬需保證反拷貝加工中該長方體能將反拷貝電極完全覆蓋。為了保證最后加工的凸模壓力中心在主軸中心上，需將主軸中心對(duì)準(zhǔn)反拷貝電極的壓力中心。

表4 反拷貝電極的加工參數(shù)

根據(jù)前文所述的凸模制作工藝及確定的反拷貝加工參數(shù)，利用圖10所示的反拷貝電極進(jìn)行凸模的反拷貝加工，加工出的凸模和加工后的反拷貝電極見圖12。

圖11 凸模毛坯（硬質(zhì)合金YG6X）

圖12 凸模（硬質(zhì)合金YG6X）和加工后的反拷貝電極

4 凸凹模精度分析

4.1 尺寸誤差統(tǒng)計(jì)

將凸、凹模的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，為便于表達(dá)，將凸、凹模的主要尺寸用編號(hào)A、B、C、D表示 （圖13）。將各尺寸的實(shí)際值減去圖1所示的設(shè)計(jì)尺寸，即可得到各尺寸的誤差（表5）。

圖13 凸凹模的尺寸編號(hào)示意圖

圖14 分別是凸模和凹模的邊緣，可見其邊緣鋒利。圖15是凸模的側(cè)壁圖，可見其尺寸均勻，沿軸向無明顯錐度。

4.2 尺寸誤差分析

表5 凸凹模的尺寸及其誤差 μm

圖14 凸凹模邊緣（硬質(zhì)合金YG6X）

圖15 凸模側(cè)壁（硬質(zhì)合金YG6X）

在機(jī)械加工中，機(jī)床、工具、工件和夾具組成的工藝系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生誤差，且會(huì)在每個(gè)工藝過程中產(chǎn)生加工誤差，并最終反映為工件的加工誤差。工藝系統(tǒng)中能直接引起加工誤差的因素稱為原始誤差，其按時(shí)間順序可分為加工前的誤差、加工過程中的誤差和加工后的誤差（圖16）。

圖16 凸凹模的加工誤差

工藝系統(tǒng)幾何誤差是指機(jī)床、工具和夾具在制造時(shí)的誤差。其中，機(jī)床的誤差主要包括直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的誤差及主軸的回轉(zhuǎn)誤差，本實(shí)驗(yàn)所用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的最小分辨率為0.1 μm，重復(fù)定位精度為1 μm，主軸的徑向跳動(dòng)在1 μm內(nèi)，可很好地滿足加工要求；工具的誤差主要指加工中所用鎢電極的直徑誤差，機(jī)床受周圍環(huán)境的影響在不同時(shí)段會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致同樣的坐標(biāo)值在不同時(shí)段加工出的電極直徑不同，因此會(huì)帶來加工誤差。為保證電極尺寸的準(zhǔn)確性，在每次電極加工前，要先進(jìn)行試加工，并以此為參考調(diào)整坐標(biāo)值進(jìn)行電極加工。

原理誤差是指電火花三維加工控制系統(tǒng)中采用的斜線和圓弧插補(bǔ)帶來的誤差。以圖17所示的外圓弧加工為例，如果在零件建模時(shí)采用圖示的理論輪廓，則根據(jù)所采用的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，工件加工后的輪廓為圖示的實(shí)際輪廓，它和理論輪廓相差約插補(bǔ)步長的距離。實(shí)驗(yàn)中控制機(jī)床按4 μm的插補(bǔ)步長空走一直徑500 μm的圓，將所采集的機(jī)床實(shí)際軌跡點(diǎn)坐標(biāo)和圓的理論軌跡進(jìn)行比較，結(jié)果顯示最遠(yuǎn)的實(shí)際軌跡點(diǎn)和圓的理論軌跡相差約3.8 μm。為消除此誤差，在零件建模時(shí)將圓弧的半徑增大插補(bǔ)步長的量至圖示的補(bǔ)償輪廓，這樣，工件加工后的輪廓就更接近圖中的理論輪廓。

實(shí)驗(yàn)中使用的工件通常為長20 mm、寬20 mm的薄片，裝夾時(shí)將其放在夾具的定位平面上，并壓緊其4個(gè)角。壓緊力不均勻會(huì)導(dǎo)致工件整體傾斜，由此帶來工件表面和主軸軸線的垂直度誤差，此誤差可通過探測(cè)工件表面4個(gè)角的Z坐標(biāo)獲得，根據(jù)探測(cè)結(jié)果通過調(diào)節(jié)壓緊力來減小工件表面和主軸軸線的垂直度誤差。如圖18所示，通過調(diào)整可將工件表面上1 mm×1 mm范圍內(nèi)的平面度誤差控制在約10 μm內(nèi)，所加工的工件在XY方向的最大尺寸為1500 μm，此平面度誤差會(huì)導(dǎo)致該尺寸增大為1500.075 μm，該誤差可忽略不計(jì)。

圖18 工件平面度誤差對(duì)加工的影響

工藝系統(tǒng)熱變形存在于整個(gè)加工過程中，主要包括環(huán)境溫度變化引起的熱變形，以及反拷貝加工中施加于工作液的振動(dòng)引發(fā)的加工液溫度變化引起的熱變形。為消除環(huán)境溫度變化引起的熱變形，實(shí)驗(yàn)中控制機(jī)床周圍的室溫在23.5～24.5℃。圖19是從上午8點(diǎn)至晚上10點(diǎn)、每隔0.5 h記錄的機(jī)床周圍溫度，可見其溫度變化在1℃內(nèi)。

圖19 機(jī)床周圍溫度變化

機(jī)床主軸通過一懸臂結(jié)構(gòu)和Z軸相連，由溫度變化引起的懸臂結(jié)構(gòu)熱變形在X方向?qū)ΨQ，故可忽略；而其在Y方向引起的熱變形是單向的，不可忽略。圖20是該懸臂結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，包括Y方向長約100 mm的鋁合金材料結(jié)構(gòu)和Y方向長約30 mm的聚四氟乙烯材料結(jié)構(gòu)，兩種材料的熱膨脹系數(shù)分別約為 23.8×10-6℃-1和 10.3×10-5℃-1。 當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，該懸臂結(jié)構(gòu)會(huì)在Y方向產(chǎn)生約5 μm的變形量。針對(duì)該系統(tǒng)性誤差，可在凹模零件建模時(shí)將尺寸C設(shè)計(jì)為495 μm以補(bǔ)償熱變形。此外，對(duì)工作液施加超聲振動(dòng)后，工作液溫度會(huì)高于機(jī)床周圍溫度，通過實(shí)驗(yàn)觀察，該溫差約為6℃。為消除加工液溫度變化引起的加工誤差，在反拷貝加工前即對(duì)工作液施加振動(dòng)，待工作液溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行加工。

圖20 主軸懸臂結(jié)構(gòu)

加工后的誤差主要包括測(cè)量誤差和探測(cè)誤差。為了消除顯微鏡的測(cè)量誤差，對(duì)每個(gè)尺寸分別測(cè)量3次取平均值。為了消除探測(cè)誤差，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)平面四周的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，以及對(duì)凹槽底部和表面均勻地探測(cè)5個(gè)點(diǎn)，同一個(gè)點(diǎn)探測(cè)3次取平均值。

5 結(jié)語

本文介紹了復(fù)雜形狀微沖裁模具的制作工藝。為了提高加工效率和精度，采用超聲波振動(dòng)工作液的方式，促使狹窄放電間隙中的加工屑排出，降低非正常放電的發(fā)生。針對(duì)加工誤差，從工藝系統(tǒng)的各要素進(jìn)行了分析。

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