馬 騰，楊君峰，余祖元，李國棟，夏 恒

（ 1. 大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024；2. 東京農工大學機械系統(tǒng)工程系，日本 東京 184-8588 ）

微沖裁技術具有成本低、工藝簡單、加工效率高等優(yōu)點，適合微尺寸零件的大批量制造，由此吸引了工業(yè)和學術界的關注[1]。 長期以來，人們對微沖裁加工技術的研究多聚焦于板料的拉伸、彎曲等成形方面，但對沖裁力的研究相當有限[2]。 因此，進一步研究微沖裁加工技術及其加工過程中的變形和斷裂等現象，研究沖裁力對模具設計制造的影響和沖頭強度的校核，研究提高沖裁件的質量、延長模具的壽命、降低成本以及探尋新的微沖裁加工工藝等內容具有重要價值。

Masuzawa 和Fujino 等[3]利用線電極電火花磨削技術在線制備出微沖裁模具，并在厚度為50 μm 的青銅薄板上沖裁出直徑為30 μm 的圓形微小孔，以此方法實現了凹凸微小模具的在線制備并降低了微小模具的對準難度。 Joo 等[4]分別利用超精密磨削和微細電火花技術加工出直徑為25 μm 的微沖頭和直徑為27 μm 的微型凹?？?，并且采用機器視覺系統(tǒng)完成對準， 在厚度為100 μm 的不銹鋼和黃銅箔料上加工了直徑為25 μm 的微小孔。 Chern 等[5-6]采用超聲波振動輔助電火花加工技術加工出正三角形和正方形的相應模具， 在厚度為100 μm 的黃銅材料上沖裁出邊長為100 μm 的正三角形和正方形微孔，實現了簡單非圓微孔的高質量加工。 高長水等[7]利用微細電火花加工技術加工凹模，采用反拷貝加工技術制作凸模， 選用厚度為100 μm 的不銹鋼箔料沖裁出直徑為120 μm 的圓形微小孔。 Lin等[8]分別利用電火花和精密磨削技術加工矩形單斜沖頭，成功沖裁出厚度為0.25 mm 的青銅擋桿。 在常規(guī)尺寸加工中，Luo[9]利用車削的方式在直徑為15.6 mm 的沖頭上分別加工出角度為12.5°和20°的凸雙剪切刃、 在厚度為11.5 mm 的AISI52100 材料上沖裁出圓孔，并對模具的磨損進行了研究。 Singh等[10]利用有限元模擬凹形刃口凸模，在設定厚度為0.6 mm、 抗拉極限為520 N/mm2的材料上進行沖裁，分析了刀具幾何變化對沖壓力的影響，結果表明：底部凹形刃口凸模相比于底部平刃凸模可減少沖裁力。

目前國內外學者在微沖裁方面的研究，大多數針對加工圓形和方形等簡單截面形狀的模具，加上三維異形截面形狀模具加工較為困難且多數為普通底部平刃凸模沖裁， 有關斜刃微沖裁的研究較少，此外針對底部凹形斜刃的研究也多數為仿真模擬，還有待實驗驗證。 為了加工出大尺寸、截面形狀復雜的異形微沖裁模具并探究凸模底部刃口形狀對微沖裁過程的影響，本文以微細電火花技術為基礎，通過在線制備方式制作出一套復雜截面的微沖裁模具， 并進一步將凸模底部加工為凹形刃口，通過在線對準的方式完成對準； 還在厚度為100 μm的不銹鋼箔料上沖裁異形截面微小零件，并對微沖裁進程的復雜落料件的質量及相應沖裁力等進行實驗分析研究。

1 微沖裁實驗設備

實驗設備采用自研的微細電火花-微沖裁一體式加工機床（圖1）。 該機床主要由X、Y、Z 三軸運動控制模塊、凹模組件、高精密旋轉主軸、線電極磨削加工模塊和沖裁單元等組成[11]。 實驗采用電火花技術在線加工凹凸模具并實現對模具的在線對準。

圖1 機床設備實物圖

其中，線電極電火花磨削加工（waire electrical discharge grinding，WEDG）單元采用在線加工方式，使加工電極時的尺寸更加穩(wěn)定和精準；凹模組件單元的內部設計有固定凹模的位置，以方便完成凹模的后續(xù)加工、凹凸模的對準以及沖裁等；在“沖裁工件”加工模式下，凹模組件被托架撐起，凹模組件正下方放置的壓力傳感器用于收集沖裁力（圖2）；壓力傳感器采用最大量程為1 kN 的壓電型傳感器，數據采集卡采集頻率為1 kHz；X、Y、Z 三軸運動模塊的重復定位精度為1 μm、分辨率為0.1 μm。本實驗在加工過程中采用正極性加工，以煤油作為加工介質。

圖2 “沖裁工件”加工模式

2 微沖裁實驗加工工藝

2.1 模具制備方法及工藝流程

微模具加工采用微細電火花加工技術。 該技術適應性強且應用范圍廣， 可加工任何導電材料，不受工件材料特性的限制；加工時“無切削力”，特別適合復雜表面加工和精密微細加工。

如圖3 所示， 實驗加工工藝流程的具體步驟為：①采用線電極磨削技術在線加工出圓形工具電極；②采用微細電火花三維銑削技術，利用圓形電極加工凹模； ③采用微細電火花三維銑削技術，利用圓形電極加工反拷貝電極；④利用微細電火花反拷貝技術，將相應的形狀拷貝至凸模毛坯上，為保證凸模精度，選擇小能量加工模式；⑤采用反拷貝加工技術，利用圓柱形反拷貝電極，將凹形反拷到凸模底部，加工出具有底部凹形刃口的凸模；⑥通過探測，計算凹凸模對準坐標，再進行在線對準和在線沖裁加工。

圖3 加工工藝流程圖

2.2 模具形狀與尺寸

實驗沖裁的凹模形狀見圖4。 凸模輪廓尺寸是由凹模輪廓尺寸向內縮小15 μm 的沖裁間隙所得；將凸模輪廓的單邊尺寸加上放電間隙（15 μm）即為反拷貝電極的尺寸。 模具各設計尺寸見表1。

表1 模具各設計尺寸

圖4 凹模形狀

2.3 凹模和反拷貝電極加工工藝

凹模的制備過程可分為凹模反面加工和凹模正面加工兩個階段。 為節(jié)省凹模加工時間且保證沖裁過程中落料的順暢性，本實驗首先采用微細電火花三維銑削的方式， 利用直徑為300 μm 的圓形工具電極在凹模反面加工出深度約為0.7 mm 的矩形方坑，并且因對方坑質量無要求，采用大能量進行快速加工；然后，加工了兩個定位圓孔，便于翻轉后找到凹模正面的加工中心；最后，加工了凹模正面，還利用Creo 軟件繪制了所加工凹模正面的三維模型圖并生成加工軌跡代碼。 為提高加工效率，需設計合理的電極尺寸和加工路徑，實驗設計的加工軌跡見圖5。實驗還將前述代碼導入加工程序，控制程序自動運行， 再用直徑140 μm 的圓形工具電極進行三維加工， 此時因模具尺寸微小且精度要求高，選用了小能量進行加工。

圖5 刀具加工軌跡

反拷貝電極的制備過程和正面凹模的加工工藝完全相同。 為保證反拷貝電極的正反面輪廓的尺寸精度，在反拷貝電極被加工穿透后需繼續(xù)進給[12]。反拷貝電極和凹模反正面的加工參數見表2。

表2 凹模反正面和反拷貝電極加工參數

2.4 凹形刃口凸模的加工

本實驗利用反拷貝技術加工凸模。 凸模的加工工藝大致可分為兩部分。

一是加工普通底部平刃凸模。 首先，將凸模中心和反拷貝電極的中心對齊，利用凸模毛坯在反拷貝電極上加工出定位方坑，再用圓形工具電極探測定位方坑的中心坐標，根據反拷貝電極中心、工具電極探測定位方坑中心和凸模毛坯加工方坑中心的坐標位置關系，求出反拷對準中心坐標，其流程見圖6；接著，將凸模和反拷貝電極對準后，利用反拷貝電極將模具形狀反拷到凸模毛坯上，得到普通底部平刃凸模。 上述加工的各項參數見表3。

表3 普通平刃凸模加工參數

圖6 反拷凸模對準流程圖

二是加工具有底部凹形刃口的凸模。 首先，探測圓柱形反拷貝電極的中心坐標，實現凸模與圓柱形反拷貝電極的對準，并利用凸模探測圓柱形反拷貝電極左右兩探測點（探測點1、探測點2）坐標，將兩坐標值相加后取平均，即得到圓柱形反拷貝電極的中心坐標（圖7）；接著，在對準后，利用圓柱形反拷貝電極對普通底部平刃凸模進行反拷，反拷加工出具有底部凹形刃口的凸模（圖8）。

圖7 加工底部凹形刃口凸模示意圖

圖8 圓柱形反拷貝電極直徑計算

設反拷深度為h、凸模長為L、圓柱形反拷貝電極直徑為D，本實驗設計的反拷凹深h 為50 μm、凸模長度L 為1370 μm。

由式（1）可得所需圓柱形反拷貝電極的直徑D為9.435 mm， 但考慮到放電間隙和電極損耗等，實驗選擇了直徑為10 mm 的圓柱形反拷貝電極。加工后測得的底部凹形刃口的實際凹深為51.127 μm、誤差值在3%以內，符合加工要求。 圓柱形反拷貝電極實物見圖9。

圖9 圓柱形反拷貝電極實物圖

由于對凸模的精度要求高，實驗采用小能量進行放電加工，各項加工參數見表4。

表4 圓柱形反拷電極反拷凸模加工參數

依照上述工藝方案，本實驗成功地在線加工出凹凸模具。 為保證所述方案的正確性以及可操作性， 本文采用SUS304 不銹鋼箔料進行沖壓實驗進行驗證。 由于凹凸模具的尺寸微小且沖裁間隙只有15 μm， 本文在線加工出微模具之后還進行凹凸模具的對準操作。 由坐標關系轉化、計算出對準坐標，讓凸模能完全進入凹模，即完成對準操作[13]。

3 微沖裁實驗結果及分析

本文利用底部平刃凸模和凹深為50 μm 的底部凹形刃口凸模，在厚度100 μm 的SUS304 薄板上進行微沖裁實驗，獲得了質量較好的沖裁件。 沖裁條件是沖裁間隙為15 μm、沖裁速度為1 mm/s。

在沖裁完成后得到的凹凸模具和反拷貝電極見圖10。 可看出，沖裁后凹凸模具的刃口依舊較為鋒利，其局部結構具有較好的形狀精度，只發(fā)生輕微磨損。

圖10 沖裁的不同凹凸模具和反拷貝電極

3.1 沖裁力

本文利用頻率為1 kHz 的高頻數據采集卡，收集在底部不同刃口凸模沖裁條件下的沖裁力，每種刃形條件取三次沖裁力數據結果，整理數據繪制的304 不銹鋼箔料沖裁力-沖裁時間曲線見圖11。

圖11 304 不銹鋼箔料沖裁力-沖裁時間曲線

由圖11 所示AB（ab）曲線段可見，當凸模接觸材料后，載荷急劇上升，并在C（c）點達到最大沖裁力。此外根據圖11，相比于底部平刃凸模沖裁，底部凹形刃口凸模沖裁的最大沖裁力明顯減小且到達最大沖裁力的時間也相應減少；底部凹形刃口凸模沖裁在c 點處沖裁曲線弧度較大， 沖裁力較平緩，而底部平刃凸模沖裁在C 點處曲線尖銳，沖裁力急劇變化。 如圖11 中CD（cd）曲線段所示，過了C（c）點后，凸模繼續(xù)下壓，沖裁力下降，直至在D 點完成斷裂分離。 最大沖裁力見表5。

表5 不同底部形狀刃口凸模的最大沖裁力

實驗所得的最大沖裁力大小為：253.195 N>195.419 N。由此可知，采用底部凹形刃口凸模沖裁，最大沖裁力可顯著減小。

3.2 落料件斷面質量

在衡量落料件質量的各項指標中，落料件的沖裁斷面質量相當重要。 沖裁斷面從上到下依次由毛刺帶、斷裂帶、光亮帶、圓角帶組成。 質量較好的落料件的斷面應該是：光亮帶較寬，圓角和毛刺很小，無斷裂帶或斷裂帶占比很小。 通常，光亮帶形成于沖裁過程中的塑性變形階段，其間材料發(fā)生了剪切滑移，相比于底部平刃沖裁，底部凹形刃口凸模沖裁的塑性變形階段變長、剪切滑移行程長、光亮帶占比多。 落料件斷面見圖12。

圖12 不同形狀刃口凸模的落料件斷面圖

3.3 零件整體形貌

底部平刃和底部凹形刃口的凸模沖裁落料件，其正、反和側面的SEM 圖分別見圖13 和圖14。 可知，在相同的沖裁條件下，兩種底部刃口凸模沖裁加工方式得到的落料件整體輪廓較一致。 其中，底部凹形刃口凸模沖裁得到的材料落料件會出現輕微翹曲情況，并且落料件反面有圓角、正面有錐面，此外落料件正面還出現一定程度的毛刺。 造成此現象的主要原因是， 沖裁間隙為箔料厚度的15%，這屬于大間隙沖裁，會使沖裁時的凹凸模具各邊間隙不均勻。

圖13 平刃刃口凸模沖裁的落料件整體形貌圖

圖14 底部凹形刃口凸模沖裁的落料件整體形貌圖

4 結論

（1）本文在自主研制的微細電火花-微沖裁一體式加工機床上，根據本文論述的加工工藝，采用微細電火花三維銑削、 線電極放電磨削等技術，成功實現對模具的在線加工、對準和沖裁，得到大尺寸異形復雜微型零件。

（2）利用圓柱形反拷貝電極，反拷出凹深為50 μm 的底部凹形刃口凸模， 并且成功進行了沖裁實驗，得到了底部凹形刃口凸模的沖裁力和沖裁時間關系曲線。 結果表明：與底部平刃凸模沖裁相比，底部凹形刃口凸模沖裁的沖裁力顯著減小。

（3）底部凹形刃口凸模沖裁的落料件斷面質量相比于底部平刃凸模沖裁，其光亮帶明顯增加。 雖然本文實驗得到的落料件有輕微彎曲，但兩種底部刃口凸模沖裁得到的落料件整體輪廓較為一致。