关键词:
模具制造
表面织构
激光加工
电火花成形
石墨电极
摘要:
表面织构化能积极改善零件表面的摩擦学性能,通过冷压精密成形的方法制造摩擦副表面织构是一种先进的工业化表面织构制造手段,其核心技术之一就是压印模具的设计与制造。模具的制造水平和工艺代表着一个国家工业化发展的水平,具有表面微细结构的精密模具产品的研究和应用是当前研究的热点,尤其是在微机电系统、航空航天、通讯与电子技术、精密仪器与机械、生物和医疗器械等领域。模具微细结构加工主要采用的技术有电火花加工、电化学加工、微细超声波加工、激光加工、微细束流加工、精密超精密加工技术和各种复合加工技术。表面织构冷压成形用模具既有通用模具对强度、刚度、精度、耐磨性等方面的性能要求,还具有表面微细结构制造的要求,设计制造难度大,本文提出激光加工和电火花成形复合工艺,解决在超硬模具材料表面加工表面织构的难题,同时提高冷压成形模具表面织构的加工效率,并对制造后的模具进行了表面形貌和力学性能的分析,以及制造工艺参数对模具表面性能的影响。本文主要研究内容和结果如下:(1)分析了电火花加工的基本原理和应用特点,设计了多单位组合式表面织构冷压成形模具,模具表面织构采用球冠状微凸起,每个模具单元外形尺寸为20×20×20 mm,模具表面球冠状微凸起尺寸参数分别为直径:100μm、200μm、300μm,间距为:1200μm;采用激光加工和电火花成形加工工艺进行每个模具单位的加工,获得球冠状微凸起模具。(2)采用激光加工技术在石墨电极表面进行了圆形微凹坑的制备,获得了激光加工后石墨电极表面微凹坑形貌,以及微凹坑的尺寸数据,同时也获得了石墨电极经电火花成形处理后的试样表面损耗形貌,相比与激光加工后的石墨电极表面,试样的表面尺寸发生了变化。且采用激光加工和电火花成形复合加工技术,可以获得的最小微观凸起尺寸为100μm。(3)采用电火花成形反刻加工工艺,将石墨电极表面制备微凹坑表面织构,在模具钢表面上制造出了球冠状微凸起阵列,同时获得了形貌图和凸起尺寸数据,并得到了模具钢微凸起尺寸与电极尺寸相差为±5μm。最后对制造后的模具表面织构进行了力学性能的分析,与未处理过的试样相比,电火花处理后的试样表面均表现出了较高的显微硬度值和粗糙度值,以及试样同时表现出了较高的残余应力值。(4)通过改变电火花成形工艺加工电流参数,分别研究了其加工电流对模具表面显微硬度、表面粗糙度、表面残余应力的影响,结果表明:当增大加工电流时,模具表面的显微硬度、表面粗糙度和表面残余应力值也会随之增大。(5)研究了电火花成形工艺加工电流参数对模具钢材料去除率(Material removal rate MRR)和石墨电极耗损率(Electrode wear rate EWR)的影响,结果表明:当加工电流值一定时,100μm的试样MRR和EWR值最大,300μm的试样MRR和EWR值最小。当试样微凹坑或微凸起直径一定时,随着加工电流的增大,MRR和EWR值也会随之增大。(6)综合加工电流与模具钢表面性能对应的变化规律曲线,可得:采用较小电流加工时,获得的模具表面粗糙度和表面残余应力较小,具有较好的表面光洁度,同时其对石墨电极的耗损相对较小,但加工效率较低。采用较大电流加工时,获得的模具表面显微硬度较高,具有较好的硬度和耐磨性,同时其工件材料被去除较快,加工效率较高,但此时的模具表面不够平滑,且容易出现裂纹等缺陷。