基於微細電火花加工技術的微衝（chōng）裁模具在線製備-特種加工（gōng）機床（chuáng）網-數控機床市場網（wǎng）

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基於微（wēi）細電火花（huā）加工技術的微衝裁模具在線製備

2017-1-4 來源：大連理工大學機械工程學院作者：鞏向偉，曾誌傑，於騰龍，李劍中，徐文驥，

摘要：針對微衝裁（cái）異形截麵的微小模具難以製備及安裝對準的問題，利（lì）用微細電火花（huā）三維銑削加（jiā）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（shù）加（jiā）工（gōng）凸模，整個工藝過程在線製作，避免了凸凹模具二次裝夾產生的位置誤差。該工藝分別在線製作凸凹模具，實現了複雜截麵形狀微型模具製備和（hé）在線對準。通過設（shè）計（jì）試加工實驗確定加工參數，並（bìng）利用該工藝成功製作了一（yī）套截麵形狀複雜（zá）的具有微小特征結構的高精度微（wēi）衝裁模具（jù）。

關鍵詞：微細電火花加工；微（wēi）衝裁模具；反拷貝加工

隨著產（chǎn）品微型化的發展，對微型零件的需求日益增大。但微（wēi）型零件的低成本、大規模生（shēng）產仍難以實（shí）現，其成為（wéi）製（zhì）約微型產品普（pǔ）及的關鍵因素。微衝（chōng）裁作為微成（chéng）形工藝的（de）一種，具有生產效率高、材料損失小、最終（zhōng）成形零件（jiàn）機械性能（néng）好（hǎo）、尺寸偏差小、淨成形及近淨成（chéng）形等優（yōu）點[1]，是製造（zào）微細零件最有前途（tú）的工藝之一（yī）。但微衝裁工藝中仍存在（zài）微（wēi）小模具難以製作及對準（zhǔn）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（xiàn）製備微衝裁模具，並成功衝出了直徑幾十微米的小孔及（jí）異形孔。Chen[4-5]在此基礎上，利用vibration-EDM 來提高微（wēi）衝裁模具的加工（gōng）效率及表麵質量（liàng），製造出高精度的微型多邊形衝頭，實現了（le）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製作微型凸凹模，在自行設計的微衝裁係統上利用光學原理對其（qí）進行裝配，最終在黃銅及（jí）不鏽（xiù）鋼箔（bó）上製作（zuò）出（chū）深徑比為1、直徑分別為100、50、25 μm 的微孔件。由於微細研磨難以製造（zào）直徑（jìng）更小的衝頭，此後他們改用微細電火花加工（gōng）技術製造微衝裁模具，並在13 μm 厚的（de）黃銅及不鏽鋼材料上成功（gōng）衝出直徑（jìng）15 μm 微孔。徐傑[9]利用塊電極電火花磨削技術（BEDG）加工凸模，然（rán）後利用凸模在線（xiàn）加工凹模，並分別（bié）在厚度（dù）150、80、50 μm 的不鏽鋼箔上衝出直徑300、150、100 μm的微孔。

目前微衝裁模具加工主（zhǔ）要采用線電（diàn）極電火花磨削技術（WEDG）[10]或塊電極電火花磨削（xuē）技術製作電極，並利用其加工出凹模（mó），然後對電極修整製作出所需的凸模。該（gāi）工藝因無法製（zhì）造截麵形狀（zhuàng）複雜的異形微模具（jù），使微衝裁技術僅局限於衝製簡單形狀的微孔。本文著重介（jiè）紹一種在線製備複雜截麵形狀微衝裁模具的微細電火花加工工藝，並對加工的結（jié）果進行分析，說明了產生誤差（chà）的（de）原（yuán）因。

1.實驗裝置

實驗裝（zhuāng）置為自行研製（zhì）的微細電火花（huā）-微衝裁組（zǔ）合加工機床（圖1），其結（jié）構示意圖見圖2。此係統（tǒng）中，主軸用於裝夾微細（xì）鎢電（diàn）極，WEDG 單元用於完成微（wēi）細鎢電極製（zhì）備，油（yóu）槽及（jí）凸凹模組件分別用於裝夾反拷（kǎo）貝電極及凸凹（āo）模毛坯（pī）。該加工設備X、Y、Z1、Z2軸重複（fù）定位精度（dù）1 μm，采用RC 弛張式（shì）脈衝電源，使用正極性加（jiā）工，加工工作液（yè）為（wéi）煤油。

2.微衝裁凸凹模具形狀及設（shè）計尺寸

本文所衝製零件的形狀及尺寸見圖3。該零件為衝裁落料件，凹模形狀（zhuàng）及尺寸與其相同，沿凹模輪廓向內偏（piān）置單邊衝裁間隙即為凸模輪廓。衝裁時，工（gōng）件材料（liào）厚度（dù）為100 μm，取單邊衝裁間（jiān）隙為材（cái）料厚度的10 %，即衝裁單邊間隙為10 μm；凹模厚度300 μm，凸模軸向長度500 μm，凸凹模（mó）具材料為Cr12MoV 模具鋼，各特征設計尺寸見表1。

表1 微衝裁零件及凸凹模具各特征尺寸（cùn）設計值μm

3.微衝裁凸凹模具在線製備

3.1 凹模加（jiā）工工藝

凹模製作（zuò）包括粗、精加工兩個過程。首先，用線電極電火（huǒ）花磨削技術（WEDG）粗加工出直（zhí）徑約160μm 的鎢（wū）電極，采用較大的放電能量，在凹模毛坯的適當（dāng）位（wèi）置加（jiā）工多個通孔（kǒng）（圖（tú）4a）。此過程為粗加工工藝，采用（yòng）較大的放（fàng）電能量（liàng）及鑽孔工藝是為了提高加工效率，快（kuài）速去除工件毛坯材料。粗加工工（gōng）藝不需使用尺（chǐ）寸精確的電極，隻（zhī）需（xū）合理控製精（jīng）加（jiā）工餘（yú）量（本實驗（yàn）餘量控製為60~80 μm）。

為得到高精度凹模，精加工需使用尺寸精確的微（wēi）細鎢電極及小的放電能量（liàng）。因粗加工鑽孔後微細鎢電極存在（zài）一定的損耗，其徑向損耗會影響電極的尺寸精度，故鑽孔後先將電極前端損耗部（bù）分切除，再經（jīng）粗、精加工最終加工出直徑100 μm 的高精度電極。利用加（jiā）工出的尺寸精確的微（wēi）細鎢電極（jí）沿圖4b中（zhōng）事先生成的刀具軌跡，采用較小的放電能（néng）量進行微細電（diàn）火花三維分層銑削加（jiā）工，經過（guò）電極層層掃描，最終加工（gōng）出上下通透的凹（āo）模（圖4c）。分層加工過程電極采用逆、順時針交（jiāo）替的刀具軌跡（jì）進行（háng）掃描，以盡可能減小每一層被加工麵的不平整度，提高火（huǒ）花放電的穩（wěn）定性，改善加（jiā）工效率。此外采（cǎi）用工（gōng）具電極多進給的加工方式減小凹模入出口尺寸差，提（tí）高加工精度[11]。

3.2 凸模加工方（fāng）法

凸模加工工（gōng）藝分（fèn）為（wéi）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（xíng）狀相同的反拷貝電（diàn）極（jí），其與凹模加工方式相同。然後將凸模毛坯對準（zhǔn）反拷（kǎo）貝電極，控製凸模向下進給，最終加工出與反拷貝電（diàn）極形（xíng）狀相同的凸模（mó）（圖（tú）5）。為提（tí）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（gù）將加工總進給量設定為1 mm。此加工工藝采用較小的（de）放電能（néng）量以保證獲得表麵質量較好的凸模，同時采用超（chāo）聲波輔助振動反拷貝電極底部工作液的（de）方（fāng）法來提高加工效率及加工精（jīng）度（dù）。

由於反拷貝加工凸（tū）模時間較長，而加工時間與（yǔ）材料去除量成正比，為提高（gāo）加工（gōng）效率，凸模毛坯棒材先用線切（qiē）割工藝加工出0.9 mm×0.9 mm×1.5 mm的正方體凸台（圖6）。

3.3 凸凹模（mó）具在線加工工藝流（liú）程

在（zài）線（xiàn）加工可避（bì）免凸凹模具的裝（zhuāng）夾誤差，是解決微衝裁（cái）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（tū）模中心與主軸旋轉中心之間坐標的轉化關係。首先（xiān）利用（yòng）凸模毛坯在反拷（kǎo）貝電極毛坯上采用較大放電能量加工出方形（xíng）坑（圖7a）並記（jì）錄加工坐標，再利用機床的探測感知功能采用（yòng）圓（yuán）電極旋轉探測方坑四邊每邊各兩點，擬（nǐ）合出方坑中心，最後利（lì）用（yòng）加工坐標及擬合（hé）坐標計算出其轉化關係。

（2）反拷（kǎo）貝電（diàn）極及凹模粗加工。利用WEDG 粗加工出的微細鎢電極分別（bié）對（duì）反拷貝（bèi）電極（圖7b）及凹模（圖7c）進行粗加工，粗加工工藝為（wéi）提高加工效率均采用較大的放電能量。

（3）反拷貝電極及（jí）凹模精（jīng）加工。利用WEDG 方法加工出的尺寸精確的微細鎢電（diàn）極采用微細電火花三維分層銑削加工技術，在較小的放電（diàn）能量下分別對反拷貝電極（圖7b）及凹模（圖（tú）7c）進行精加工。由於反拷貝電極會被後續（xù）用來加工凸模，加工完後其原始尺寸會因電極損耗無法獲（huò）得。因此在加工過程中（zhōng），為（wéi）便於後續調整加工參數，每次同時（shí）加工兩個反拷（kǎo）貝電極，一個用於對比觀測以獲得原始加工數據，另一個用於反拷貝加工（gōng）凸模。因精加工反拷貝電極時鎢電極徑向損耗相比加工凹（āo）模時小（xiǎo），因此該工藝（yì）過程采用先加（jiā）工反（fǎn）拷貝電極再加工凹模的加工順序，避（bì）免鎢電（diàn）極側壁出現（xiàn）較大損耗（hào）影響後續加工。

（4）反拷貝加工凸模。利用反（fǎn）拷貝電極加工坐標以及先前（qián）獲（huò）得的凸（tū）模中心與旋轉主軸中心的坐標轉化（huà）關係，將（jiāng）凸模毛坯與反拷貝電極（jí）對準，保證凸模毛坯完全覆蓋（gài）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（háng）反拷貝凸模加工（gōng）（圖7d）。

3.4 凸凹模具加工參數確定

要（yào）獲得高精度凸凹模具，就要準確掌握（wò）各加工過程的（de）加工間隙，通過調整刀具軌跡來控製反拷貝電極（jí）及凹模加工（gōng）尺寸。凸模由反拷貝電極經反拷貝加（jiā）工得到，可根據此加工過程（chéng）的加工間（jiān）隙值大小來（lái）調整反拷貝電極（jí）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（huā）放（fàng）電間隙及（jí）機床因自身運動誤差（chà）及外界幹擾等因素綜合（hé）作用產（chǎn）生的單邊（biān）加工間隙。

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

3.4.1 反拷（kǎo）貝電極及凹模加工參數確定

反（fǎn）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（tóng）的放電參數及進給方式（表2），加工與表1 所示凹模尺（chǐ）寸相同的反拷貝（bèi）電極（jí）和凹模。

表2 反拷貝（bèi）電極及凹模（mó）加工參數

表3 列出了所加工出的反（fǎn）拷（kǎo）貝電極及凹模入口處各尺（chǐ）寸的測量值。其中，反（fǎn）拷（kǎo）貝電極特征尺寸2、3 加工出現較（jiào）大偏差，而凹模相應（yīng）尺寸偏差並（bìng）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（chǐ）寸1、4 與機床X 軸平（píng）行。對比發現X 向特征尺寸加工相比（bǐ）Y 向特征尺寸加工更穩定，故在（zài）計算加工間隙時選用特（tè）征尺寸1、4 進行計算，其加工軌跡尺寸分別（bié）為388、8 μm。加工後（hòu）測得所用電極根部未參與加工部分的尺寸為（wéi）100 μm，以此值作為（wéi）實（shí）際計算（suàn）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（mó）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於（yú）表4。凹模特征尺寸（cùn）1、4 的加工間隙相差（chà）較小（xiǎo），可取凹（āo）模加工間隙值（zhí）為5 μm。而反拷貝電極兩特征尺寸加工間隙相差較大（dà），除了存在測量誤差，電火花放電加工過程（chéng）存在一定的不穩定性（xìng）。為（wéi）排除隨機性幹擾及便於對特定尺（chǐ）寸采取加工補償策略，選取較大加工間隙（xì）6μm 作為反拷貝電極的實際（jì）加工間隙值。

表4 反拷貝電極及凹模實際加工間隙（xì）μm

3.4.2 反拷貝加工凸模加（jiā）工參數確定

反（fǎn）拷貝加工間隙確定實驗采用與實際反拷（kǎo）貝加工凸模相同的（de）放（fàng）電參數（表5），通過反拷貝加工簡單（dān）形狀的方形凸模獲得。首先利用微細（xì）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，然後用其反拷貝加工端部尺寸（cùn）為（wéi）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（fǎn）拷貝（bèi）電極加工凸模後存在（zài）損耗，原始加工數據丟失（shī），故此實驗中設計先後加工兩個反拷（kǎo）貝電極。加工完成後測量實際加工（gōng）出的凸模端麵尺寸及對比使用反拷貝電極（jí）入（rù）口處尺寸，其具體加工結（jié）果見圖8 及表6。

表5 反拷貝加工凸模加工（gōng）參（cān）數

表6 凸模及對比用反拷貝電極加工尺（chǐ）寸μm

圖8 反拷貝加工凸模加工間（jiān）隙確定實（shí）驗加工出的凸（tū）模（左）及對比反拷貝電（diàn）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（cùn）更為穩定，故在計算反拷貝加工凸模（mó）加工間隙時（shí）選用凸模及對比反拷貝電極X 向特（tè）征尺寸，將其（qí）代入式（2），計算得到反拷貝加工（gōng）凸模

表7 反拷貝電極各尺寸設計值

4.凸凹模具加工（gōng）結果及分析

根據前文所（suǒ）述的加工工藝方案，按設計尺寸在線製備了一套（tào）微衝裁凸凹模具，其加工結果（guǒ）見表8~表10 及圖9、圖10，衝裁單邊間隙按凸模端麵及凹模入口（kǒu）尺寸計算得到。凸模側壁選（xuǎn）取特征尺寸1、3、4，測量端麵至500 μm 處的尺寸值，測量間隔為100 μm。

表8 微衝裁模具加工結（jié）果μm

加工結果顯示，凹模及反拷貝電極出口尺寸小於入（rù）口尺寸，凸模側壁尺寸大於凸模端麵尺寸，凸凹模具存在一定的加工斜度。這（zhè）主要與電火花加工工藝特性有關（圖11）。由於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（bèi）加工出的部分由於電蝕產物的（de）存在，該處的加工間隙隨二次放（fàng）電的概率增大而逐漸（jiàn）增（zēng）大，因而產生了加工斜（xié）度。對比反拷貝電極（jí）及凹模特征尺寸2、3 加工誤差（chà）較大，凸（tū）模此項誤差並（bìng）不明顯，由誤差複映原理可知，參與反拷貝加工凸模（mó）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（gōng）數據可知，特征尺寸2、3 加工誤差具有一定的隨

表9 微衝（chōng）裁模具加工誤差μm

表10 凸模側（cè）麵尺寸μm

機性。分析表明，加工時此（cǐ）部分尺寸與機床Y 軸平行，說明（míng）機床（chuáng）Y 向存在一定的隨機性擾動。這一擾動的的主要來（lái）源是固定主軸的懸臂（bì）在Y 向（xiàng）產生的熱變形，而X 向由於采用熱對稱設計，則不存在這一問題。影響機（jī）床的熱（rè）源，一般（bān）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（yóu）直流電機（jī）及旋轉主軸產生，外部熱源（yuán）主要（yào）為（wéi）周圍溫（wēn）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（fèn）析，當溫度變化1 ℃時，該懸臂結構（gòu）會在Y 方向上產生約（yuē）4 μm 的變形。

5.結束語

本（běn）文（wén）提出了一種（zhǒng）在線製（zhì）備複（fù）雜截（jié）麵形狀微衝裁模具的工（gōng）藝方法。利用微細電火花三維（wéi）銑削（xuē）技術加工反拷貝電極及（jí）凹模（mó），再利用所加工的（de）反拷貝電極通（tōng）過電火（huǒ）花反拷貝加工技術加工凸模，整套工藝流程在線完成（chéng），避免了凸凹模具二次（cì）裝夾產生的位置誤差。采用所提出的工（gōng）藝方法，成功製作了一套截麵形狀複雜的具有微小（xiǎo）特征結構的高精（jīng）度微衝裁（cái）模具，並對加工誤差進行（háng）了分析。