凹形刃口凸模对微冲裁过程的影响

马 腾，杨君峰，余祖元，李国栋，夏 恒

（ 1. 大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024；2. 东京农工大学机械系统工程系，日本 东京 184-8588 ）

微冲裁技术具有成本低、工艺简单、加工效率高等优点，适合微尺寸零件的大批量制造，由此吸引了工业和学术界的关注[1]。 长期以来，人们对微冲裁加工技术的研究多聚焦于板料的拉伸、弯曲等成形方面，但对冲裁力的研究相当有限[2]。 因此，进一步研究微冲裁加工技术及其加工过程中的变形和断裂等现象，研究冲裁力对模具设计制造的影响和冲头强度的校核，研究提高冲裁件的质量、延长模具的寿命、降低成本以及探寻新的微冲裁加工工艺等内容具有重要价值。

Masuzawa 和Fujino 等[3]利用线电极电火花磨削技术在线制备出微冲裁模具，并在厚度为50 μm 的青铜薄板上冲裁出直径为30 μm 的圆形微小孔，以此方法实现了凹凸微小模具的在线制备并降低了微小模具的对准难度。 Joo 等[4]分别利用超精密磨削和微细电火花技术加工出直径为25 μm 的微冲头和直径为27 μm 的微型凹模孔，并且采用机器视觉系统完成对准， 在厚度为100 μm 的不锈钢和黄铜箔料上加工了直径为25 μm 的微小孔。 Chern 等[5-6]采用超声波振动辅助电火花加工技术加工出正三角形和正方形的相应模具， 在厚度为100 μm 的黄铜材料上冲裁出边长为100 μm 的正三角形和正方形微孔，实现了简单非圆微孔的高质量加工。 高长水等[7]利用微细电火花加工技术加工凹模，采用反拷贝加工技术制作凸模， 选用厚度为100 μm 的不锈钢箔料冲裁出直径为120 μm 的圆形微小孔。 Lin等[8]分别利用电火花和精密磨削技术加工矩形单斜冲头，成功冲裁出厚度为0.25 mm 的青铜挡杆。 在常规尺寸加工中，Luo[9]利用车削的方式在直径为15.6 mm 的冲头上分别加工出角度为12.5°和20°的凸双剪切刃、 在厚度为11.5 mm 的AISI52100 材料上冲裁出圆孔，并对模具的磨损进行了研究。 Singh等[10]利用有限元模拟凹形刃口凸模，在设定厚度为0.6 mm、 抗拉极限为520 N/mm2的材料上进行冲裁，分析了刀具几何变化对冲压力的影响，结果表明：底部凹形刃口凸模相比于底部平刃凸模可减少冲裁力。

目前国内外学者在微冲裁方面的研究，大多数针对加工圆形和方形等简单截面形状的模具，加上三维异形截面形状模具加工较为困难且多数为普通底部平刃凸模冲裁， 有关斜刃微冲裁的研究较少，此外针对底部凹形斜刃的研究也多数为仿真模拟，还有待实验验证。 为了加工出大尺寸、截面形状复杂的异形微冲裁模具并探究凸模底部刃口形状对微冲裁过程的影响，本文以微细电火花技术为基础，通过在线制备方式制作出一套复杂截面的微冲裁模具， 并进一步将凸模底部加工为凹形刃口，通过在线对准的方式完成对准； 还在厚度为100 μm的不锈钢箔料上冲裁异形截面微小零件，并对微冲裁进程的复杂落料件的质量及相应冲裁力等进行实验分析研究。

1 微冲裁实验设备

实验设备采用自研的微细电火花-微冲裁一体式加工机床（图1）。 该机床主要由X、Y、Z 三轴运动控制模块、凹模组件、高精密旋转主轴、线电极磨削加工模块和冲裁单元等组成[11]。 实验采用电火花技术在线加工凹凸模具并实现对模具的在线对准。

图1 机床设备实物图

其中，线电极电火花磨削加工（waire electrical discharge grinding，WEDG）单元采用在线加工方式，使加工电极时的尺寸更加稳定和精准；凹模组件单元的内部设计有固定凹模的位置，以方便完成凹模的后续加工、凹凸模的对准以及冲裁等；在“冲裁工件”加工模式下，凹模组件被托架撑起，凹模组件正下方放置的压力传感器用于收集冲裁力（图2）；压力传感器采用最大量程为1 kN 的压电型传感器，数据采集卡采集频率为1 kHz；X、Y、Z 三轴运动模块的重复定位精度为1 μm、分辨率为0.1 μm。本实验在加工过程中采用正极性加工，以煤油作为加工介质。

图2 “冲裁工件”加工模式

2 微冲裁实验加工工艺

2.1 模具制备方法及工艺流程

微模具加工采用微细电火花加工技术。 该技术适应性强且应用范围广， 可加工任何导电材料，不受工件材料特性的限制；加工时“无切削力”，特别适合复杂表面加工和精密微细加工。

如图3 所示， 实验加工工艺流程的具体步骤为：①采用线电极磨削技术在线加工出圆形工具电极；②采用微细电火花三维铣削技术，利用圆形电极加工凹模； ③采用微细电火花三维铣削技术，利用圆形电极加工反拷贝电极；④利用微细电火花反拷贝技术，将相应的形状拷贝至凸模毛坯上，为保证凸模精度，选择小能量加工模式；⑤采用反拷贝加工技术，利用圆柱形反拷贝电极，将凹形反拷到凸模底部，加工出具有底部凹形刃口的凸模；⑥通过探测，计算凹凸模对准坐标，再进行在线对准和在线冲裁加工。

图3 加工工艺流程图

2.2 模具形状与尺寸

实验冲裁的凹模形状见图4。 凸模轮廓尺寸是由凹模轮廓尺寸向内缩小15 μm 的冲裁间隙所得；将凸模轮廓的单边尺寸加上放电间隙（15 μm）即为反拷贝电极的尺寸。 模具各设计尺寸见表1。

表1 模具各设计尺寸

图4 凹模形状

2.3 凹模和反拷贝电极加工工艺

凹模的制备过程可分为凹模反面加工和凹模正面加工两个阶段。 为节省凹模加工时间且保证冲裁过程中落料的顺畅性，本实验首先采用微细电火花三维铣削的方式， 利用直径为300 μm 的圆形工具电极在凹模反面加工出深度约为0.7 mm 的矩形方坑，并且因对方坑质量无要求，采用大能量进行快速加工；然后，加工了两个定位圆孔，便于翻转后找到凹模正面的加工中心；最后，加工了凹模正面，还利用Creo 软件绘制了所加工凹模正面的三维模型图并生成加工轨迹代码。 为提高加工效率，需设计合理的电极尺寸和加工路径，实验设计的加工轨迹见图5。实验还将前述代码导入加工程序，控制程序自动运行， 再用直径140 μm 的圆形工具电极进行三维加工， 此时因模具尺寸微小且精度要求高，选用了小能量进行加工。

图5 刀具加工轨迹

反拷贝电极的制备过程和正面凹模的加工工艺完全相同。 为保证反拷贝电极的正反面轮廓的尺寸精度，在反拷贝电极被加工穿透后需继续进给[12]。反拷贝电极和凹模反正面的加工参数见表2。

表2 凹模反正面和反拷贝电极加工参数

2.4 凹形刃口凸模的加工

本实验利用反拷贝技术加工凸模。 凸模的加工工艺大致可分为两部分。

一是加工普通底部平刃凸模。 首先，将凸模中心和反拷贝电极的中心对齐，利用凸模毛坯在反拷贝电极上加工出定位方坑，再用圆形工具电极探测定位方坑的中心坐标，根据反拷贝电极中心、工具电极探测定位方坑中心和凸模毛坯加工方坑中心的坐标位置关系，求出反拷对准中心坐标，其流程见图6；接着，将凸模和反拷贝电极对准后，利用反拷贝电极将模具形状反拷到凸模毛坯上，得到普通底部平刃凸模。 上述加工的各项参数见表3。

表3 普通平刃凸模加工参数

图6 反拷凸模对准流程图

二是加工具有底部凹形刃口的凸模。 首先，探测圆柱形反拷贝电极的中心坐标，实现凸模与圆柱形反拷贝电极的对准，并利用凸模探测圆柱形反拷贝电极左右两探测点（探测点1、探测点2）坐标，将两坐标值相加后取平均，即得到圆柱形反拷贝电极的中心坐标（图7）；接着，在对准后，利用圆柱形反拷贝电极对普通底部平刃凸模进行反拷，反拷加工出具有底部凹形刃口的凸模（图8）。

图7 加工底部凹形刃口凸模示意图

图8 圆柱形反拷贝电极直径计算

设反拷深度为h、凸模长为L、圆柱形反拷贝电极直径为D，本实验设计的反拷凹深h 为50 μm、凸模长度L 为1370 μm。

由式（1）可得所需圆柱形反拷贝电极的直径D为9.435 mm， 但考虑到放电间隙和电极损耗等，实验选择了直径为10 mm 的圆柱形反拷贝电极。加工后测得的底部凹形刃口的实际凹深为51.127 μm、误差值在3%以内，符合加工要求。 圆柱形反拷贝电极实物见图9。

图9 圆柱形反拷贝电极实物图

由于对凸模的精度要求高，实验采用小能量进行放电加工，各项加工参数见表4。

表4 圆柱形反拷电极反拷凸模加工参数

依照上述工艺方案，本实验成功地在线加工出凹凸模具。 为保证所述方案的正确性以及可操作性， 本文采用SUS304 不锈钢箔料进行冲压实验进行验证。 由于凹凸模具的尺寸微小且冲裁间隙只有15 μm， 本文在线加工出微模具之后还进行凹凸模具的对准操作。 由坐标关系转化、计算出对准坐标，让凸模能完全进入凹模，即完成对准操作[13]。

3 微冲裁实验结果及分析

本文利用底部平刃凸模和凹深为50 μm 的底部凹形刃口凸模，在厚度100 μm 的SUS304 薄板上进行微冲裁实验，获得了质量较好的冲裁件。 冲裁条件是冲裁间隙为15 μm、冲裁速度为1 mm/s。

在冲裁完成后得到的凹凸模具和反拷贝电极见图10。 可看出，冲裁后凹凸模具的刃口依旧较为锋利，其局部结构具有较好的形状精度，只发生轻微磨损。

图10 冲裁的不同凹凸模具和反拷贝电极

3.1 冲裁力

本文利用频率为1 kHz 的高频数据采集卡，收集在底部不同刃口凸模冲裁条件下的冲裁力，每种刃形条件取三次冲裁力数据结果，整理数据绘制的304 不锈钢箔料冲裁力-冲裁时间曲线见图11。

图11 304 不锈钢箔料冲裁力-冲裁时间曲线

由图11 所示AB（ab）曲线段可见，当凸模接触材料后，载荷急剧上升，并在C（c）点达到最大冲裁力。此外根据图11，相比于底部平刃凸模冲裁，底部凹形刃口凸模冲裁的最大冲裁力明显减小且到达最大冲裁力的时间也相应减少；底部凹形刃口凸模冲裁在c 点处冲裁曲线弧度较大， 冲裁力较平缓，而底部平刃凸模冲裁在C 点处曲线尖锐，冲裁力急剧变化。 如图11 中CD（cd）曲线段所示，过了C（c）点后，凸模继续下压，冲裁力下降，直至在D 点完成断裂分离。 最大冲裁力见表5。

表5 不同底部形状刃口凸模的最大冲裁力

实验所得的最大冲裁力大小为：253.195 N>195.419 N。由此可知，采用底部凹形刃口凸模冲裁，最大冲裁力可显著减小。

3.2 落料件断面质量

在衡量落料件质量的各项指标中，落料件的冲裁断面质量相当重要。 冲裁断面从上到下依次由毛刺带、断裂带、光亮带、圆角带组成。 质量较好的落料件的断面应该是：光亮带较宽，圆角和毛刺很小，无断裂带或断裂带占比很小。 通常，光亮带形成于冲裁过程中的塑性变形阶段，其间材料发生了剪切滑移，相比于底部平刃冲裁，底部凹形刃口凸模冲裁的塑性变形阶段变长、剪切滑移行程长、光亮带占比多。 落料件断面见图12。

图12 不同形状刃口凸模的落料件断面图

3.3 零件整体形貌

底部平刃和底部凹形刃口的凸模冲裁落料件，其正、反和侧面的SEM 图分别见图13 和图14。 可知，在相同的冲裁条件下，两种底部刃口凸模冲裁加工方式得到的落料件整体轮廓较一致。 其中，底部凹形刃口凸模冲裁得到的材料落料件会出现轻微翘曲情况，并且落料件反面有圆角、正面有锥面，此外落料件正面还出现一定程度的毛刺。 造成此现象的主要原因是， 冲裁间隙为箔料厚度的15%，这属于大间隙冲裁，会使冲裁时的凹凸模具各边间隙不均匀。

图13 平刃刃口凸模冲裁的落料件整体形貌图

图14 底部凹形刃口凸模冲裁的落料件整体形貌图

4 结论

（1）本文在自主研制的微细电火花-微冲裁一体式加工机床上，根据本文论述的加工工艺，采用微细电火花三维铣削、 线电极放电磨削等技术，成功实现对模具的在线加工、对准和冲裁，得到大尺寸异形复杂微型零件。

（2）利用圆柱形反拷贝电极，反拷出凹深为50 μm 的底部凹形刃口凸模， 并且成功进行了冲裁实验，得到了底部凹形刃口凸模的冲裁力和冲裁时间关系曲线。 结果表明：与底部平刃凸模冲裁相比，底部凹形刃口凸模冲裁的冲裁力显著减小。

（3）底部凹形刃口凸模冲裁的落料件断面质量相比于底部平刃凸模冲裁，其光亮带明显增加。 虽然本文实验得到的落料件有轻微弯曲，但两种底部刃口凸模冲裁得到的落料件整体轮廓较为一致。