石廣豐，張計鋒，史國權

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

金剛石印壓微孔成形工藝的仿真與試驗研究

石廣豐，張計鋒，史國權

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

提出了一種采用金剛石壓頭尖端的微尺度作用及下壓量的精密控制實現(xiàn)金屬銅片底部的大深徑比微孔印壓成形加工的方法，在工業(yè)中具有重要應用價值。針成形過程的復雜性，采用DEFORM3D有限元仿真技術從被壓銅片的約束形式、基底效應和金剛石壓頭下壓工藝參數(shù)入手對印壓成形過程中材料內部的塑性流動規(guī)律和成孔形態(tài)進行了分析，從材料流向、應力分布和加載曲線三個方面對成孔過程進行了研究。最后通過納米印壓成孔裝置搭建和不同基底材料的印壓成孔實驗和檢測進行了驗證。結果表明，采用金剛石壓頭印壓附有硬基底效應的金屬銅片時可以實現(xiàn)底部的微孔成形加工。進而完善了加工工藝，為后續(xù)加工實驗以及深入研究奠定了基礎。

金剛石；納米印壓；微孔；成形；仿真；試驗

0 引言

隨著微孔類零件在工業(yè)領域中的應用日趨廣泛，對微小孔加工的質量要求越來越高，這無疑給精密微孔的加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1,2]。目前，超大深徑比微孔加工至今還是制造行業(yè)的難題[3,4]。為了解決精密微孔加工的技術難題，人們在不斷改進傳統(tǒng)加工方法的同時，也在不斷探索新的加工方法。

在汽車油箱生產(chǎn)線上的超聲波測漏儀標定技術領域，需要一種標定樣件上，該標定樣件中心為一個微孔，即為10×10×0.5mm的金屬薄片（不銹鋼、銅等）中心處存在≤5μM的微孔。目前國外采用超快激光技術來實現(xiàn)，但是國內受限于激光加工工藝和技術的發(fā)展尚無法實現(xiàn)。國內對相關產(chǎn)品的需求受制于國外進口限制，成本高、供應慢，急需自主知識產(chǎn)權的技術來實現(xiàn)。本文提出了一種利用金剛石壓頭尖端的微尺度作用對金屬薄片進行納米印壓成形及壓透成孔的創(chuàng)新性方法[5]，可以實現(xiàn)金屬薄片上大深徑比的單側超微孔成形。該技術的研究包括成孔機理分析、工藝優(yōu)化、金剛石刃口的刃磨技術、加工裝置研制和原位監(jiān)控技術等方面。針對現(xiàn)有研究階段，本文在DEFOEM 3D有限元仿真環(huán)境下研究采用金剛石圓錐壓頭納米印壓銅片進而實現(xiàn)底部微孔成形的相關工藝和材料內部流動規(guī)律研究，并進行了實驗和檢測驗證，為后續(xù)研究奠定基礎，也可為同類技術的研究和應用提供參考。

1 壓入成孔過程的有限元建模

利用CATIA軟件建立工件及圓錐壓頭的幾何模型，把文件保存成STL格式再導入DEFORM 3D中，如圖1和圖2。金剛石壓頭位于銅片中間位置且垂直于銅片，并設置向下下壓運動位移。金剛石壓頭定義為剛體，錐角為60°，鈍圓半徑為2μm；銅片材料選為C10100（純銅），尺寸為4×4×0.5mm，定義為彈塑體。選取四面體單元進行網(wǎng)格劃分，為了便于分析和計算分析的準確性，銅片受壓部分細分網(wǎng)格。求解步數(shù)設置為200步，步長為最小單元邊長的1/3，即步長為0.003mm。

圖1 三維實體模型

圖2 壓入成孔過程的有限元求解模型

2 壓入成孔過程的有限元仿真分析

2.1 不同約束形式下銅片的成孔規(guī)律分析

為了研究不同約束形式對銅片成孔的影響，分別對銅片施加側向（銅片四側面）全固定約束和底部（銅片底面）全固定約束分別進行模擬仿真。仿真求解后，隱藏金剛石刀具模型，將銅片成孔軸對稱剖分，得到不同約束形式對金屬側向塑流規(guī)律的影響如圖3所示。

圖3 不同約束形式對金屬側向塑流規(guī)律的影響

圖4 不同約束形式造成的銅片底部成孔形態(tài)

如圖3(a)所示，隨著金剛石壓頭向下壓入銅片，金屬材料會發(fā)生側向流動。在金剛石壓頭大約壓到銅片中間部位時，側向全固定約束缺乏底部支撐會導致銅片內部材料側向塑流的底部流向阻力變小。根據(jù)最小能量原理，隨著金剛石壓頭的不斷深入，銅片內部材料開始產(chǎn)生向下分流，即底部材料開始向下流動，銅片底面開始產(chǎn)生凸起。受銅片材料一定塑性延伸率的影響，即使刀尖壓過原始底面位置一定程度，凸起逐漸變大但底部依然不能成孔。然而，底部全固定約束時銅片內部材料基本以側向流動為主，基本沒有向下分流及底部凸起現(xiàn)象產(chǎn)生，最終通過金剛石壓頭錐角及刀尖鈍圓的擠壓產(chǎn)生作用而在銅片底部撕開成孔，如圖3(b)所示。不同約束形式所產(chǎn)生的金屬底部成孔形態(tài)如圖4所示，和圖3中的內部材料塑流規(guī)律相對應?？梢姡撞咳潭s束比側向全固定約束更利于銅片內部材料發(fā)生側向塑流而再底部成孔，而且銅片成孔質量更好。

2.2 不同基底效應下銅片的成孔規(guī)律分析

考慮到實際加工工藝需要，通過以上分析可知，在銅片底部施加不同材料的基底作用可以等效成不同的約束形式進而對銅片印壓成孔規(guī)律和成孔質量進行作業(yè)。為了模擬分析真實條件下不同基底材料類型對銅片成孔的影響，下面分別選擇相同尺寸規(guī)格（4×4×1mm）的軟基底和硬基底進行模擬仿真。在軟件材料庫中，軟基底材料選擇鋁AL-1100，硬基底材料選擇玻璃GLASS?；孜挥阢~片下邊，兩者間的剪切摩擦系數(shù)設為0.12。

通過求解，可以得到不同基底效應下銅片內部的塑性流動現(xiàn)象和規(guī)律如圖5所示，和圖3的作用規(guī)律基本相同。鋁基底材料對銅片底部向下塑流具有一定阻礙作用，但是當壓頭下壓深度達到一定程度還是可以成孔的，但是成孔質量不佳（圖6(a)），而且銅片底部凸起的高度和面積較大。玻璃硬基底的作用卻可以很好地使印壓銅片內部材料發(fā)生側向塑流，成孔質量較好(圖6(b))，底部凸起較小，和理想銅片底部全部固定約束的工況現(xiàn)象基本相同（圖3(b)）。通過對比分析可知，玻璃基底相對于被壓銅片來講具有軟膜硬基底效應[6]，比鋁基底更利于金屬材料側向塑流而成孔，且銅片成孔質量更好。此外，考慮到實際制造過程中可采用原位CCD在線監(jiān)控的方法，透過透明玻璃基底觀察銅片底部凸起的大小和擴展情況來判斷成孔過程，因此玻璃基底可以選為后續(xù)印壓銅片成孔研究的基底材料。

圖5 不同基底效應下銅片內部材料的塑性流動情況

圖6 不同基底效應下銅片底部的成孔形態(tài)

2.3 不同基底效應下銅片成孔過程中的應力分析

下面從下壓過程中銅片內部應力變化情況的角度進一步分析上面的現(xiàn)象。如圖7所示，借助于軟件的后處理功能，通過不同基底效應下銅片的等效應力分布情況分析可知：金剛石壓頭下壓銅片過程中，應力分布主要集中在銅片中間區(qū)域且應力越來越大。金剛石刀具剛壓入進銅片時，銅片底部還沒有顯示出明顯的應力作用，但隨著金剛石壓頭的下壓，銅片底部產(chǎn)生了應力作用。但在不同基底的作用下，即使在金剛石壓頭下壓量相同位置處，銅片底部成孔位置所受的應力大小卻并不相同。玻璃基底效應下銅片底部成孔位置處所受的應力比較大。在鋁基底作用下，金剛石壓頭下壓位移量為0.207mm時，銅片底部成孔位置點開始出現(xiàn)應力。在玻璃基底作用下，金剛石壓頭下壓位移量為0.228mm時，銅片底部成孔位置點開始出現(xiàn)應力。據(jù)此可以在加工過程中通過應力、應變的變化監(jiān)控來預判和識別成孔的臨界信號。

圖7 不同基底效應下銅片內部的等效應力分布

圖8 不同基底效應下銅片底部的等效應力分布

圖8為不同基底效應下銅片底部開始成孔時銅片底部的等效應力分布。從中可以看出，在微孔形成時，在銅片底部將形成一個由中心向周圍擴展的應力分布環(huán)，而不同基底的作用下應力環(huán)大小不同，這和前面的凸起特征是相對應的。

2.4 不同基底效應下壓頭的載荷-行程曲線

為了后續(xù)加工工藝研究需要，這里對壓頭的載荷以及位移情況進行分析。圖9為不同基底效應下壓頭的載荷-行程曲線圖，不同工況下，銅片成孔時壓頭的位移及載荷力不同。理想底部全約束工況下銅片最先成孔，成孔所需載荷力199N為最小，此時壓頭位移為0.525mm；然后是玻璃基底，玻璃基底效應下成孔所需載荷力為203N，此時壓頭位移為0.537mm；最后是鋁基底，鋁基底效應下成孔所需載荷力為230N，此時壓頭位移為0.585mm。

從圖9中還可以看出，三條載荷行程曲線開始階段趨于一致，到最后逐漸分離。這是由于金剛石壓頭剛開始壓入銅片時，基底效應或約束形式還沒有起到作用；隨著壓頭的持續(xù)下壓，基底效應或約束形式開始產(chǎn)生作用。不同的基底效應對銅片成孔的作用不同，所以載荷力開始變得不同。以上工藝仿真分析為更好地理解金剛石壓頭印壓成孔過程奠定了基礎。

圖9 不同基底效應下壓頭的載荷-行程曲線圖

3 壓入成孔試驗分析

3.1 壓孔試驗方案

試驗裝置如圖10所示，此裝置以光柵刻劃機床為基礎平臺，采用立式的布局形式。工作臺的作用是連接各個傳感器，并且能夠支撐玻璃基底，使其在壓頭的壓力作用下保持其剛度。試驗臺基座與光柵刻劃機床的大理石基座通過螺釘連接。力傳感器通過螺釘連接在試驗臺底板上面，為了增加力傳感器的穩(wěn)定性，在力傳感器四周加上固定裝置。工作臺底座通過螺釘連接在力傳感器上邊，高清視頻顯微鏡通過膠接水平連接在工作臺左側，與光學玻璃成45°夾角，其鏡頭焦點位于能檢測到金屬片被壓成孔的區(qū)域，透明玻璃硬質襯底通過形位配合連接在工作臺基座上邊，金屬片放置在透明玻璃硬質襯底上，聲發(fā)射傳感器位于基底上金屬片一側。

圖10 金剛石納米印壓成孔裝置

本裝置的試驗過程如下：

1）將銅片放在玻璃基底的正中央，然后將玻璃基底放在實驗載物臺上，調節(jié)金剛石壓頭X、Y方向的位置，使銅片的中心位置與金剛石壓頭對正。

2）打開顯微鏡，同時觀察計算機中的成像，調節(jié)顯微鏡的焦距，把顯微鏡調節(jié)到可清晰觀察到銅片底部材料現(xiàn)象的位置（因為鋁基底不透明，無法實現(xiàn)對銅片底部的在線監(jiān)控，所以鋁做基底時顯微鏡不需調節(jié)）。

3）調整Z向粗調橫梁支架，當金剛石壓頭接近被測試件表面時，鎖緊橫梁支架。

4）驅動直線電機使金剛石壓頭下壓金屬銅片，同時觀察計算機中的成像，當計算機中出現(xiàn)金剛石刀尖時，立即停止直線電機驅動。

5）驅動直線電機，完成金剛石壓頭的抬刀運動，取出銅片，完成實驗。

實驗中所用到的金剛石壓頭為金剛石圓錐壓頭，如圖11所示。壓頭材料為多晶金剛石，金剛石壓頭的錐角為85°，鈍圓半徑為9.46μm，其檢測圖片如圖12所示。銅片材料為純銅，其規(guī)格為10×10×0.5mm?；撞牧戏謩e為硬質玻璃和鋁，其規(guī)格都為10×10×1cm，其試樣如圖13所示。

圖11 金剛石圓錐壓頭

圖12 壓頭鈍圓半徑的檢測圖片

圖13 兩種不同基底的試樣

3.2 不同基底效應下壓孔試驗結果及分析

實驗過程中對銅片進行了不同基底情況下的印壓，得到了多組印壓后的銅片試樣。實驗后將多組印壓后的銅片用JSM-6510LA電子顯微鏡進行了檢測，得到一系列檢測后的銅片，下面將對實驗結果進行分析。

圖14為不同基底效應下銅片的上表面，圖15為不同基底效應下銅片下表面。由圖14可以得出，在玻璃基底下，銅片孔形比較規(guī)則、圓整，而在鋁基底下，銅片成孔不規(guī)則，發(fā)生撕裂。由圖15可得，在玻璃基底下，銅片底部凸出現(xiàn)象很小，幾乎沒有，而在鋁做為基底時，銅片底部會凸出很大一部分。

圖14 電鏡掃描的不同基底效應的銅片上表面

圖15 電鏡掃描的不同基底效應的銅片下表面

4 結論

利用金剛石壓頭刀尖鈍圓的微尺度作用對金屬薄片進行印壓成形的過程中，采用玻璃為硬基底作用時更有利于銅片底部成孔，成孔質量好，底部凸起小。同時玻璃基底的透明性也可以作為印壓成孔過程中銅片底部塑性流動特征原位監(jiān)控的主要依據(jù)。通過金剛石壓頭對下壓銅片內部過程中對下壓深度的敏感性精確控制可以實現(xiàn)銅片底部的特定孔徑和孔形的微孔加工。以上研究為單側超微孔成形技術的后續(xù)工作奠定了工藝分析基礎。

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Simulation research of micro-hole forming process by diamond indentation

SHI Guang-feng, ZHANG Ji-feng, SHI Guo-quan

TH164

：A

1009-0134(2017)03-0106-06

2016-12-26

吉林省科技廳計劃項目（20150204059GX；20170101124JC）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術的研究。