基于微细电火花加工的微冲切实验研究

曾志杰，李东坪，杨晓龙，余祖元，李剑中，徐文骥

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

基于微细电火花加工的微冲切实验研究

曾志杰，李东坪，杨晓龙，余祖元，李剑中，徐文骥

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

针对复杂异型截面微冲切模具加工中凸模难以制备的问题，利用微细电火花三维铣削技术与电火花反拷贝加工技术相结合进行整套微冲切模具的在线制备，解决了复杂异型截面微冲切模具的制备及凹凸模具的对中等问题。采用该复合加工方案进行了微冲切凹凸模具的在线制备和微冲切加工实验，成功制备出精度、质量较好的复杂异形截面微模具及异形孔，并对冲裁件局部特征进行了详细分析，验证了该方案的可行性。

微细电火花三维铣削；反拷贝加工；微冲切

随着产品微型化进程的不断发展，诸如航空、医疗、精密仪器等领域对于微型零件的需求量与日俱增。目前对于微型金属零件的精密微细加工方法主要有微细电火花加工、微细电化学加工、激光加工等。微细电火花加工零件虽然精度高，但加工效率较低[1]；而激光加工虽能达到很高的加工效率，但加工截面质量较差[2]。此外，这些加工技术仅适用于小批量微细零件的加工，对于微细零件的大批量、低成本加工则难以实现。微冲切技术是解决上述难题的有效途径，其低成本、高效率及较高的重复加工精度等特点使其成为微型零件低成本、批量制造中最具前景的一门技术，近年来逐渐被国内外学者所关注[3]。

Fujino等设计的基于微细电火花磨削加工技术的微冲切系统，可在厚度50 μm的青铜和聚酰亚胺材料上冲裁出直径50 μm的微孔[4]。Joo等利用自制的冲裁设备在厚度100 μm的黄铜箔片上成功冲裁出直径100 μm的微孔[5]；随后又采用超精密磨削方式加工微冲头，利用自制的基于超精密磨削技术的冲裁加工机床，分别在厚度 25、50、100 μm的CuZn37黄铜和AISI不锈钢箔片上成功冲裁出直径分别为25、50、100 μm的圆孔[6]。哈尔滨工业大学的研究人员采用基于微细电火花加工的微冲裁设备，对影响冲孔质量的因素进行了系统研究，并引入离子束辐照方法对冲头进行终处理，以提高冲头的表面质量和寿命[7-8]。Chern等采用以微细电火花加工为主、辅以超声振动的方式制作了微冲裁模具，并分别在黄铜和不锈钢材料上进行了微孔冲裁实验，对阵列微孔及规则异型孔的冲裁进行了研究，成功获得了特征尺寸为200 μm的异型孔[9-11]。

目前对于微冲裁模具的加工主要采用微细电火花磨削（WEDG）[12]及块电极磨削加工技术，限制了微冲裁模具的加工形状，使其仅能加工出简单截面形状的微模具。本文利用自主研发的微细电火花-微冲切复合加工机床，通过微细电火花铣削加工技术实现了复杂异形截面微模具的在线制备，并最终完成了复杂异形截面孔的微冲切加工。

1 微冲切实验设备及加工工艺

1.1 微冲切实验设备

实验采用的加工装置为自主研发的微细电火花-微冲切复合加工机床，其整体结构见图1。主要由大理石基座、三坐标移动平台、主轴模块、WEDG模块、冲裁控制模块及门架等部分组成。图2是机床实物图，坐标运动平台的重复定位精度为1 μm，分辨率为0.1 μm，加工电源为张弛式RC脉冲电源，加工介质为煤油。

1.2 微冲切实验加工工艺

不同于常用的基于WEDG技术的微冲切模具制备方法，本实验在凸模的制备过程中采用反拷贝电极（中间电极）过渡的方式进行加工。这样做的优点是能先以微细电火花三维铣削的方式加工出任意复杂形状的型腔，再根据反拷贝加工原理将型腔复制到凸模毛坯上，从而得到复杂截面形状的凸模，实现复杂截面形状的微冲切模具的加工。实验加工工艺流程见图3，具体步骤如下：

（1）采用WEDG技术加工出圆柱形的简单截面工具电极。为使电极尺寸精度较高，采用试切及多次进给的方式进行加工。

（2）采用微细电火花逐层铣削的方式进行凹模加工。加工前，先用毛坯电极进行凹模的粗加工，采用大能量钻孔的方式进行；粗加工完成后，利用圆形截面的工具电极通过三维铣削的方式加工出所需形状的凹模。

（3）采用与凹模加工相同的方法加工出所需形状的反拷贝电极。

（4）用加工出的反拷贝电极在凸模毛坯上反拷加工出目标形状的凸模。为获得精度更高的凸模，反拷加工中通过施加超声振动工作液，促进加工屑的排出。

（5）通过电接触探测法确定凹凸模具的对中关系，实现模具的对中后，使用加工出的凹凸模具完成工件板料的冲裁加工。

2 微冲切模具的制备

2.1 微冲切模具设计方案

图4是零件加工的局部特征及相应的尺寸标号，对应的各特征尺寸见表1。

该零件为冲孔件，根据冲裁加工原理可知，凸模的设计尺寸应与冲孔件入口尺寸相一致，故根据零件的特征尺寸就能确定凸模端面的设计尺寸。本次冲裁的单边设计间隙为20 μm，故在凸模端面尺寸的基础上外扩一个冲裁间隙即可得到凹模对应尺寸的设计值。根据工艺实验得到反拷加工凸模的放电间隙，在凸模尺寸的基础上外扩一个反拷放电间隙即可得到反拷贝电极的设计尺寸。实验中，凹凸模具的材料为CD750，反拷贝电极的材料为H62黄铜。

实验采用的待冲裁件材料分别为SUS 304、H62黄铜，其抗拉强度分别为505、380 MPa，厚度均为100 μm。冲裁力F的计算公式为：

式中：L为孔的周长，本实验中L约为3136 μm；H为板材厚度；Su为材料的抗拉强度；Sf为剪切系数（一般取0.7～0.8），本实验取值为0.8。

由式（1）计算可得：冲裁SUS 304材料时的冲裁力约为126.7 N，冲裁H62黄铜材料时的冲裁力约为95.3 N。可见，冲裁过程中产生的冲裁力较大，为了避免精密主轴承受过大的载荷，本套设备采用冲裁轴单独布置的结构。冲裁轴采用机械结构，整体刚性较好，可避免因冲裁力过大对机床结构造成的破坏。

2.2 微冲切模具的制备

微冲切模具主要可分为微冲头、微凹模等二部分，由于本实验引入了反拷贝方式进行凸模的加工，故整套模具的加工分为三个部分。

2.2.1 反拷贝电极的制备

反拷贝电极的制备过程可分为粗加工、精加工等二个步骤。粗加工采用钻孔的方式，在较大的放电能量（100 V/8200 pF）下进行加工，选用的工具电极直径为300 μm，由于受到电极颤动及放电间隙的影响，得到的孔径约为400 μm，这样既为精加工留出了足够的余量，又最大限度地去除了待加工材料，同时便于精加工过程中加工屑的排出。粗加工后的毛坯见图5a。

粗加工后，用直径90 μm的工具电极逐层铣削出所需的反拷贝电极，精加工过程见图5b。表2给出了反拷贝电极精加工的相关参数，其中的设定加工间隙通过前期实验获得。为了减小反拷贝电极进出口的尺寸偏差，采用增加进给深度的方式进行反拷贝电极的加工，同时施加超声振动有利于加工屑的排出，进一步减小反拷贝电极进出口的尺寸差。

2.2.2 凸模的制备

凸模的加工过程可分为二个步骤：凸模毛坯与反拷贝电极的对中、凸模的反拷加工。先利用凸模毛坯在铜片上加工出一个深度为300 μm的盲腔，再以电接触的方式通过工具电极探测拟合出方腔的几何中心，进而得到凸模装夹轴与工具电极装夹轴的相对位置关系；由该相对位置关系结合反拷贝电极的加工中心，即可得到反拷加工凸模时的坐标值。图6是获得反拷加工凸模坐标的逻辑简图。

求得凸模的反拷中心后，利用所加工的反拷贝电极对凸模毛坯进行反拷加工。表3给出了凸模加工的相关参数，其中的设定反拷间隙通过前期实验获得。图7是凸模端面的局部特征，单边加工余量为100 μm。实验采用增加进给深度结合超声振动的方式，以减小凸模的加工锥度。

2.2.3 凹模的制备

凹模的加工工艺分为背面型腔、正面凹模二个部分。加工背面型腔采用直径300 μm的毛坯电极，加工能量为100 V/8200 pF。表4给出了凹模加工的相关参数，其中的设定加工间隙根据前期实验确定。考虑到工具电极损耗及加工区域较大等因素，实验采用4根工具电极依次对凹模进行加工。

凹模加工工艺与反拷贝电极的加工工艺完全相同，凹模背面型腔的加工同样采用三维铣削方式。图8a是凹模背面型腔的加工示意图，图8b是背面型腔加工完成后对定位工艺孔（通孔）的加工示意图。该定位工艺孔的作用是在毛坯件翻转安装及进行凹模加工之前，通过探测拟合出工艺孔的中心，根据工艺孔的中心坐标关系判断凹模毛坯的安装位置是否准确。

3 微冲切实验及其结果分析

3.1 微冲切实验

根据上述方案完成了整套凹凸模具的在线制备，利用所加工的凹凸模具在H62黄铜和SUS 304材料上进行冲裁加工实验，验证该工艺方案的可行性。本实验所需冲裁加工的工件局部特征尺寸较小，虽然整套模具均采用在线加工，但由于机床热变形等因素的存在，导致凹凸模具不易实现精确对中，因此在冲裁加工前需进行凹凸模具的对中操作。图9是获得对中关系的流程，由该坐标关系即可实现凸模顺利进入凹模的目的。该方案相比光学对中系统，大大简化了机床结构，节约了设计成本。

3.2 微冲切实验结果

对中完成后，在厚度均为100 μm的H62黄铜、SUS 304材料上分别进行冲裁加工实验，获得了质量较好的冲裁件。表5是冲裁加工实验参数，其中的总行程是指从电缸启动到冲裁完成的过程中凸模移动的总距离。

本文对于包含复杂截面特征信息在内的零件局部进行了详细分析。由图10可看出，凹凸模具的局部结构具有较好的形状精度，冲裁后的模具仍保持较完整的刃口，未发生明显损坏。由二种材料的冲裁件SEM照片可看出，入口质量均较好，虽存在一定程度的塌边，但其整体轮廓与目标值较一致（图11a、图12a）；但出口均出现一定程度的撕裂带，且分布基本一致，这主要是由于冲裁过程中各边间隙不均匀造成的。

为了进一步提高冲裁件的质量，获得质量分布更均匀的冲裁件，后期实验可从保证各边冲裁间隙着手，确保材料断裂分离的均一性。

表6、表7是本次实验中模具及冲裁件的相关尺寸测量结果。由表6所示数据可看出，凹模X向的测量值和设计值偏差较小，而Y向尺寸与设计值偏差较大，约20 μm。原因如下：一是机床Y向悬臂结构受热变形导致尺寸偏大；二是凹模采用多根工具电极重复加工，产生的重复定位误差导致加工结果偏大。从反拷贝电极的测量尺寸可看出，测量值与设计值较接近，仅Y向尺寸偏大约7 μm。对比凸模与反拷贝电极的测量尺寸可发现，反拷贝电极在Y向偏大的尺寸经过反拷加工后，在凸模的尺寸值上得到了很好的补偿。而由于凸模出现了一定程度的崩刃，导致其X向尺寸未获得数据。

由冲裁加工原理可知，冲孔件的入口尺寸与凸模相对应，出口尺寸与凹模相对应。由表7所示数据可看出，除了未获得数据的入口d尺寸外，其他尺寸的测量值与表6所示尺寸的偏差均在合理范围内。入口尺寸与凸模尺寸的偏差值均在4 μm内，而出口尺寸与凹模尺寸的偏差值也在7 μm内。

因此，下一步要获得尺寸精度更高的冲裁零件，应从提高凹模的尺寸精度入手，并尽可能地缩小冲裁间隙，以保证冲裁件正、反面尺寸的一致性。

4 结论

本文在自主研发的微细电火花-微冲切复合加工机床上，采用在线加工工艺完成了复杂截面形状的微冲切模具的制备，在厚度均为100 μm的H62黄铜和SUS 304不锈钢材料上进行了冲孔实验，结果表明该工艺方案能实现复杂截面形状微型零件的冲裁加工，并对冲裁件的局部特征进行了详细分析，得到如下结论：

（1）获得了尺寸精度较高的微冲切模具，其中，模具X方向的尺寸偏差在±4 μm内，由于Y向悬臂结构的存在导致反拷贝电极及凹模在该方向的偏差较大；凹模的偏差更明显，这主要是由于凹模采用多根电极重复加工所致；凸模的Y向尺寸偏差较小，这是反拷加工过程中反拷贝电极Y向尺寸偏大情况得到补偿的结果。

（2）获得了形状精度较高的冲孔件，所得冲孔件的尺寸与目标尺寸相比，偏差均在±7 μm内。

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Experimental Study on Micro Punching Based on Micro EDM

ZENG Zhijie，LI Dongping，YANG Xiaolong，YU Zuyuan，LI Jianzhong，XU Wenji
（School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

To solve the problem that the complex shaped micro punching mold is difficult to machine，the application of three-dimensional micro EDM milling technology combined with anti-copy processing provides a good solution to the fabrication of a mold with a complex cross sectional shape and the corresponding punching head on-line.Micro punching molds with high quality and complex shape were successfully fabricated and punching experiments were carried out.Detailed analysis are developed to the partial area of the workpiece.And the feasibility of the scheme is verified.

three-dimensional micro EDM milling；anti-copy processing；micro punching

TG661

A

1009－279X（2017）01－0017-06

2016-09-09

国家科技重大专项资助项目（2013ZX04001-091-1）

曾志杰，男，1991年生，硕士研究生。