異形電極模具擠出模擬及應(yīng)用研究

上海工程技術(shù)大學(xué) 王 越 王明紅

1.引言

微孔的加工是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，國內(nèi)外十分關(guān)注，并始終都在探索中，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對微孔加工的要求越來越高，難度越來越大，微小孔尤其是微異形小孔[1]（如圖1所示）的應(yīng)用日趨廣泛，廣泛應(yīng)用于航空航天、化纖機(jī)械等領(lǐng)域，這些小孔不僅孔徑小而且深徑比也較大，同時(shí)這些零件的材料有許多是高硬度高強(qiáng)度的難加工材料，這些對小孔的加工技術(shù)提出了新的要求。人們在微孔的加工中，采用了各種各樣的特種加工方法，電火花微孔加工就是行之有效的方法之一。但異形電極的加工確成為難點(diǎn)之一，本文針對化纖行業(yè)用異形噴絲板微孔用三葉形電極，進(jìn)行了銀電極擠出過程的數(shù)值模擬，加工了工業(yè)化生產(chǎn)用噴絲板，并摸索出了一套完整的高精度整體電極制作及微孔加工工藝。

2.微腔模具擠壓設(shè)備的設(shè)計(jì)與選用

2.1 冷擠壓模具介紹

冷擠壓模具一般由以下四部分組成：(1)工作部分：凸模，凹模，上、下模座；(2)導(dǎo)向部分：導(dǎo)柱，導(dǎo)套或?qū)玻?3)卸料和頂出部分：卸料板，頂桿；(4)緊固部分：凹模壓板，螺栓，銷釘?shù)取Ｆ涮攸c(diǎn)：冷擠壓模具的外部輪廓形狀類似板料沖壓模具，但它比普通沖壓模具承受的壓力要大得多。一般接近甚至超過現(xiàn)有模具材料的強(qiáng)度極限。這種壓力又作用于冷擠壓模具的中心，成為相當(dāng)大的集中載荷，而且工作時(shí)間很長，這是區(qū)別于其他成型方法和沖壓模具最為突出的特點(diǎn)。

2.2 擠壓力的計(jì)算及設(shè)備的選用

擠壓生產(chǎn)中擠壓力的確定是十分必要的，擠壓力是擠壓設(shè)備的選擇、擠壓變形工序的擬定和模具設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。迄今為止，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同的角度，根據(jù)不同的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)提出了幾十種擠壓力的計(jì)算方法。但由于影響擠壓力的因素繁多，又相互作用，且在擠壓過程中不斷變化，所以擠壓工程中擠壓力的精確計(jì)算是一項(xiàng)艱巨的問題。

本文選用正擠壓單位擠壓力公式[2]：

以下例子為本文所設(shè)計(jì)的三葉形異形纖維加工電極工程中所需要的擠壓力，計(jì)算過程如下：

本文選用主缸最大壓力100KN的壓力機(jī)SHP10-10型。

3.電極微腔擠出過程的數(shù)值模擬

3.1 材料特性

模擬的材料純銀看作剛塑性材料，選取溫度為20°C作為模擬條件，應(yīng)變率分別選2.5和10對應(yīng)的應(yīng)變及應(yīng)力值計(jì)算見表1。

3.2 幾何建模

為對微腔模具擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，下面以三葉形微腔模具為例進(jìn)行擠壓模擬。模型采用簡化的方式，建模后如圖2所示.

3.3 模擬參數(shù)的輸入

模擬參數(shù)的輸入如表2所示。

3.4 模擬結(jié)果及分析

3.4.1 模腔與銀粒子的摩擦對擠壓過程的影響

在冷擠壓過程中，由資料[3][4][5]可以查出，擠壓材料與模腔之間的摩擦系數(shù)在0.1-0.2之間，經(jīng)過模擬，擠壓可以進(jìn)行，但模具受力情況及材料內(nèi)部的應(yīng)力分布情況有較大的差異，其載荷一行程曲線如圖3所示。

從圖3可以看出在有摩擦的時(shí)候，擠壓力在1300-1800N之間，而當(dāng)沒有摩擦?xí)r，擠壓力僅需要400N左右，這說明摩擦對擠壓的影響較大，擠壓力越大，對模具的損害必然越大，由于噴絲板加工對電極的精度要求較高，要求每次擠出電極的尺寸要一致，為了減小修模次數(shù)，應(yīng)該盡量減小摩擦對擠壓的影響。

表1 材料模型數(shù)據(jù)表

表2 模擬參數(shù)的輸入

圖1 異形孔孔形示意圖

圖3 摩擦對擠壓力的影響

3.4.2 凸模沖頭尺寸對擠壓的影響

目前，由于凸模應(yīng)用比較廣泛，需求量比較大，沖頭已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，為了選用合適尺寸的沖頭，本文對不同尺寸沖頭大小對擠壓的影響進(jìn)行了模擬，由于材料尺寸過小時(shí)，導(dǎo)致凸模沖頭的尺寸小，沖頭容易折斷，尺寸過大時(shí)，銀粒子會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，目前銀粒子尺寸基本選擇在Φ2.5×3左右，模腔尺寸為Φ2.53，比銀粒子直徑大30μm左右，下面我們將模擬沖頭大小不同時(shí)對擠壓的影響：

從圖4的模擬情況可以看出，當(dāng)沖頭尺寸為Φ2.5的時(shí)候，擠壓基本按正擠壓情況進(jìn)行，產(chǎn)生的飛邊較小，材料經(jīng)過模口流入模腔；當(dāng)沖頭尺寸為Φ2.4時(shí)，擠壓仍然可順利進(jìn)行，擠出長度比Φ2.5時(shí)要短，飛邊較Φ2.5時(shí)要大；當(dāng)沖頭尺寸為Φ2.3時(shí)，從模擬可以看出，雖然材料可以擠出，但會(huì)產(chǎn)生很大的飛邊，而且當(dāng)擠出長度的時(shí)候，隨著擠壓的進(jìn)行，材料將不再向下流動(dòng)，而是沿著凸模與凹模中間的縫隙，向上擠出，因此從上面的模擬可見，沖頭尺寸限制在Φ2.4-Φ2.5比較合適。

4.三葉形微孔電極模具應(yīng)用

4.1 孔型的確定

根據(jù)加工要求，所要加工的微孔形狀如圖5所示：其中H=0.1±0.03mm，W=0.25±0.025mm，R=0.1。

圖2 擠壓初始位置圖

圖4 不同尺寸沖頭對擠壓影響的比較

圖5 異形孔形圖

圖6 模具片投影圖及表面粗糙度情況

圖7 實(shí)際加工孔型圖

4.2 電極尺寸的確定

實(shí)際對于要加工0.25×0.1的微孔，根據(jù)公式及機(jī)床加工時(shí)實(shí)際放電情況，可調(diào)單側(cè)放電間隙為10-30μm；通常情況下，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，機(jī)床放電間隙在0.015mm時(shí)，加工出的零件比較穩(wěn)定，所以最終確定電極的尺寸為：H=0.085mm，W=0.24mm，R=0.1

4.3 擠出模具的設(shè)計(jì)加工

由前面的模擬可知模具的粗糙度對擠出成形的質(zhì)量有很大的影響，甚至關(guān)系到能否擠出，對模具的壽命影響也很大，圖6是在顯微鏡下觀察到工作面粗糙度情況，可以看出，表面加工質(zhì)量較好，無明顯條狀紋理。

使用模具進(jìn)行銀電極壓制，擠出長度控制在5-7mm，壓制過程中，壓力采用1700kgf。

4.4 異形微孔的加工

擠壓出的電極經(jīng)矯直，然后進(jìn)行電火花加工，所加工異形微孔孔形如圖7所示。

5.結(jié)束語

本文用Deform-3D軟件進(jìn)行了銀電極擠出過程的數(shù)值模擬，分析了摩擦對擠壓力、應(yīng)力分布的影響及凸模尺寸對材料流動(dòng)特性的影響，為模腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。并根據(jù)模擬結(jié)果對三葉形異形微孔進(jìn)行加工，取得了預(yù)期效果。

[1]FZ/T92043-95,中華人民共和國紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]洪慎章.冷擠壓實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]賈俐俐主編.擠壓工藝及模具[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]上海交通大學(xué)《冷擠壓技術(shù)》編寫組.冷擠壓技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1976.

[5]楊長順編著.冷擠壓模具設(shè)計(jì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1996.