模具結(jié)構(gòu)對箔板電磁微成形的影響

趙慶娟，王春舉，江洪偉，于海平，郭 斌

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

隨著微電子信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)品微型化的趨勢日益加快，對微型工件的需求量也越來越大，特別表現(xiàn)在通訊、電子、微系統(tǒng)技術(shù)(MST)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等領(lǐng)域，使塑成微形技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重點(diǎn)研究的對象［1］.產(chǎn)品微型化和高精度要求對成形提出了挑戰(zhàn).隨著工件尺寸的微型化，材料的特性也發(fā)生了明顯的改變.這些材料特性的變化都與被加工工件絕對尺寸有非常密切的關(guān)系，也就是通常說的尺寸效應(yīng)［2］.然而目前微型工件的制造方法受到操作難度大、效率低、成本高、污染環(huán)境等缺陷，難以滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求，因而迫切的需要開發(fā)新的加工方法來實(shí)現(xiàn)微器件低成本、高效率、大批量的生產(chǎn).電磁成形作為一種高能率成形方法，金屬的變形速度可達(dá)200 m/s以上，使得材料本身產(chǎn)生高塑性現(xiàn)象，大幅度提升材料的延展性，有效提高材料的成形極限，對于難成形的金屬材料仍有較好的成形效果.又由于電磁成形實(shí)質(zhì)上是工件中的帶電離子受力，所以能產(chǎn)生近均勻的成形力可有效抑制零件的起皺及回彈現(xiàn)象，具有良好的可控性和重復(fù)性，此外電磁成形是非接觸式成形方法，減少甚至是不需要使用潤滑油并能有效延長工模具的壽命［3-6］.電磁微成形作為一種新的微成形加工方法引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注.華中科技大學(xué)李經(jīng)天等人［7］對微細(xì)電磁成形進(jìn)行了分析，對強(qiáng)脈沖磁場作用下平板拉深過程進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)研究.利用ANSYS軟件模擬成形線圈內(nèi)電流以及平板在電磁力作用下的動力響應(yīng)過程.臺灣的蔡水發(fā)、游志翔等人［8-9］對液動軸承微結(jié)構(gòu)的電磁成形進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.俄亥俄州立大學(xué)的Kamala等人［10］利用兩步電磁成形來實(shí)現(xiàn)微浮雕盒形件的快速制造.該成形方法有效抑制起皺，材料表面精度高，比傳統(tǒng)板成形具有更大的靈活性，模具的設(shè)計(jì)、制造、修改都很便捷.綜上所述，雖然電磁微成形研究起步較晚，但已經(jīng)得到了較好的研究成果，電磁微成形將廣泛應(yīng)用于微制造領(lǐng)域.本文以箔板電磁塑性微成形為研究對象，并對模具參數(shù)對成形的影響規(guī)律進(jìn)行研究與探討，分析模具結(jié)構(gòu)對材料流動規(guī)律的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用20kJ電磁成形機(jī)，設(shè)備電容為100 μF，額定電壓20 kV.試驗(yàn)用模具及模具中微溝槽的主要幾何尺寸如圖1、圖2所示.

圖1 電磁成形實(shí)驗(yàn)?zāi)＞適1、m2及其特征結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)采用間接感應(yīng)成形法，驅(qū)動片采用高電導(dǎo)率的退火紫銅板厚度為0.16 mm，坯料選用厚度為0.1 mm的T2紫銅箔板經(jīng)退火處理，退火溫度為650℃，退火時(shí)間為2 h.實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

2 結(jié)果與分析

圖2 電磁成形實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究箔板電磁微成形過程中模具結(jié)構(gòu)對箔板成形性能的影響，開展箔板電磁微脹形實(shí)驗(yàn).采用激光共聚焦顯微鏡以及輪廓儀對成形后制件的應(yīng)變分布進(jìn)行分析.

2.1 模具結(jié)構(gòu)對成形的影響

采用模具m1、m2分別進(jìn)行電磁微成形實(shí)驗(yàn)，凹模深度均為1 mm，試驗(yàn)電壓為6 000，8 000、10 000 V，成形過程中設(shè)備電容保持恒定為100 μF.采用輪廓儀分別對兩組實(shí)驗(yàn)中得到的成形試樣截面輪廓進(jìn)行測量結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3 采用m1在不同電壓下坯料成形的截面曲線

兩套模具成形后的制件均隨放電電壓的升高成形深度增加，但制件表面都有不同程度的翹曲，如圖5所示采用凸型模具在電壓為10000V時(shí)成形制件實(shí)物圖，表面翹曲明顯.

這是由于磁脈沖加工中電容器儲存的能量W與充電電壓V，電容量C的關(guān)系如下式所示:

圖4 采用m2在不同電壓下坯料成形的截面曲線

圖5 制件實(shí)物圖

當(dāng)電容保持恒定時(shí)，隨著電壓的升高坯料獲得的變形能隨之升高，成形深度提高.如果坯料獲得的能量在與模具接觸后未完全消耗，這部分能量將迫使坯料反向繼續(xù)運(yùn)動直到能量消耗完畢，這使得制件出現(xiàn)翹曲不平整;另外由于成形速度非?？?，在坯料貼模的瞬間凹模中封閉了一定體積的氣體不能及時(shí)排除，這部分氣體在坯料和模具之間產(chǎn)生回壓，阻礙了坯料的貼模，這也是造成制件不平整的原因之一，對于凹型模具排氣不良更加明顯.

對m1“凸”型結(jié)構(gòu)模具和m2“凹”型結(jié)構(gòu)模具成形后制件微槽深度和寬度進(jìn)行測量得到結(jié)果如圖6、圖7所示.

圖6 采用m1 m2在不同電壓條件下微槽成形深度對比

雖然隨著電壓的升高采用兩種結(jié)構(gòu)模具成形后的制件都未完全貼模，但使用模具m1成形后的制件隨著電壓升高微結(jié)構(gòu)深度逐漸提高，在10 000 V時(shí)成形深度最大為0.54 mm(如圖6所示設(shè)計(jì)尺寸為0.6 mm)，微槽寬度變化顯著，槽寬尺寸從3.5 mm減小到2.3 mm(如圖7所示設(shè)計(jì)尺寸為1.5 mm)，隨著放電能量提高微槽底部材料的貼模能力和微槽成形精度逐漸提高.采用凹型模具m2成形后的制件微槽寬度逐漸減小，在10 000 V時(shí)槽寬最小為1.63 mm，隨著放電能量的提高微槽深度逐漸增加，微槽深度從0.27 mm增大到0.57 mm.因此使用凹型模具m2更加有利于成形后制件精度的提高.采用模具m1、m2在電壓為10 000 V條件下成形制件截面輪廓曲線如圖8所示.

圖7 采用m1 m2在不同電壓條件下微槽寬度對比

圖8 采用模具m1、m2在電壓為10 000 V條件下制件截面輪廓曲線及實(shí)物圖

2.2 模具結(jié)構(gòu)對應(yīng)變分布的影響

為研究電磁成形后制件各部分的厚度變化情況，利用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行壁厚測量.下圖為微槽及其附近區(qū)域壁厚變化情況.由于微槽的對稱性選取微槽橫截面的二分之一進(jìn)行測量分析，選取測量點(diǎn)1～20，如圖9所示為微槽厚度測量選取點(diǎn)示意圖，對不同電壓下采用模具m1、m2成形制件進(jìn)行測量，結(jié)果如圖10所示.

由于電磁成形實(shí)質(zhì)上是工件中的帶電粒子受力，所以能產(chǎn)生近均勻的成形力，成形后制件厚度變化較為均勻.雖然在應(yīng)變分布測量中存在一定的誤差，使得個(gè)別測量值具有離散性，但并不妨礙我們得出一些規(guī)律.如圖9所示隨著電壓的升高，制件壁厚減薄量逐漸增加，m1凸型模具成形后制件凹模圓角處和槽底減薄率相對較小，壁厚最小值出現(xiàn)在微槽側(cè)壁，說明在成形過程中以拉深成形為主.而m2凹型模具成形后制件從凹模圓角處到微槽底部減薄率逐漸增大，壁厚最小值出現(xiàn)在微槽底部，說明成形以脹形為主.

圖9 壁厚測量點(diǎn)分布

圖10 不同電壓下使用模具m1、m2成形后制件壁厚分布

3 結(jié)論

1)隨著電壓的升高坯料出現(xiàn)不同程度的翹曲現(xiàn)象，一方面是由于高速率成形過程中的坯料撞擊凹模底部后發(fā)生反彈，另一方面是由于凹模與坯料之間封閉的氣體不能及時(shí)排除，這部分氣體產(chǎn)生回壓，阻礙坯料變形.在成形過程中”凸”型模具更加有利于排氣，坯料能夠迅速貼模.

2)隨著電壓的升高材料成形性不斷提高，微槽寬度不斷減小，微槽深度逐漸增加，采用凹型模具比采用凸型模具更加有利于提高微成形精度

3)電磁成形可以提供均勻的成形力，坯料應(yīng)變分布均勻.凸型模具壁厚最小值出現(xiàn)在微槽側(cè)壁，以拉深成形為主;凹型模具最小壁厚出現(xiàn)在微槽底部，成形以脹形為主.

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