CN107745026B - 一种曲表面金属微v形阵列结构精密冲压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲表面金属微V形阵列结构冲压成型的方法，包括步骤：先根据冲压的工艺材料参数、所需要的曲表面曲率以及微V形阵列结构的尺寸参数，计算预测出微V形阵列结构在冲压过程中的变形量；再根据其变形量，在平面金属板料上，设计出并磨削加工出相应的变形前的微V形阵列结构；最后通过冲压快速成型。本发明相比传统的在曲面上切削磨削加工微结构而言，采用一种逆向加工思维，将曲面微结构加工化简为在平面上加工微结构，免去复杂的曲面机加工工艺，使其加工效率高，加工难度低，精度可以保障，适合大批量生产。

Description

一种曲表面金属微V形阵列结构精密冲压的方法

技术领域

本发明涉及在曲表面金属批量加工微结构的精密加工领域，具体涉及一种通过精密磨削与冲压快速加工曲表面金属微V形阵列结构的方法。

背景技术

当今社会，我们在许多器件、机械或系统中，常常要使用微结构功能表面，这些微尺度器件、机械或系统在信息、能源、环境、生物、医学、国防等领域有着重要的市场应用前景。曲表面金属零件上如果具有阵列微沟槽结构，则其摩擦与导热等性能会得到增强。然而目前，在曲表面金属加工微结构，普通采用的方法仍是在曲面上直接磨削或者切削加工微结构，精度虽然可以保证，但其生产加工周期长、工艺复杂，直接影响了产品的生产成本和效率，难以适合大批量生产。特别是在复杂曲表面上加工，对机床和操作者都有很高的技术要求。因此，本发明提出预测微结构冲压变形量的方法，在平面金属板料上精密磨削加工所预测的变形前的微结构，在一定工艺参数下，通过冲压，使微结构随着板料一起产生变形，快速地成型为表面质量好、形位精度高的曲表面微结构。

发明内容

本发明的目的在于克服曲表面金属微结构加工难度大、效率低、技术要求高的缺点，采用逆向设计的思维，提出一种通过经验公式，计算预测出微结构冲压的变形量，并在平面金属板料上磨削加工微结构，再通过冲压一次快速成型的方法，该发明能够高效地在曲表面金属上加工出质量好、精度高的微V形阵列结构，从而极大地降低了曲表面金属微结构的加工成本，并提高了生产效率，极大的节约了时间成本。

本发明采用如下技术方案，包括步骤：

一种曲表面金属微V形阵列结构冲压成型的方法，包括步骤：

首先根据所需要的曲表面微V形阵列结构的尺寸、曲表面微V形阵列结构所在区域曲面的平均曲率、以及制定的冲压工艺参数、材料性能参数通过经验公式，预测计算出冲压过程中微V形阵列结构的变形量；

再根据所述变形量，计算出冲压变形前的平面金属板料上与曲表面微V形阵列结构相对应位置的平面微V形阵列结构的尺寸；

然后通过精密磨削的方式，在平面金属板料表面上加工出变形前的平面微V形阵列结构；

最后将磨削好的布有平面微V形阵列结构的平面金属板料进行冲压，快速成型得到具有曲表面微V形阵列结构的曲面金属板料。

进一步地，预测计算出冲压过程中微V形阵列结构的变形量时，所用的经验公式包括：

h₀＝h+δh

α₀＝α-δα

δh＝6.2×10^-7×(100+ρ)^2.05×h^1.04×α^1.28×c_f×k_f

δα＝(1.32×10^-5×ρ^1.79+π/120)×c_f×k_f

式中，h、α分别为曲面金属板料上的曲表面微V形阵列结构的深度(单位：米)与角度(取弧度制)；δh与δα分别为冲压过程中微V形阵列结构深度变化量(单位：米)与角度的变化量(取弧度制)；h₀、α₀分别为需要在平面金属板料对应区域上磨削加工的平面微V形阵列结构的深度(单位：米)与角度(取弧度制)；ρ为曲面金属板料该区域的平均表面曲率，c_f为材料特性系数；k_f为当实际加工条件与求得经验公式的实验条件不符时的修正系数，取0.8～1.2。

进一步地，当材料为15号钢时，c_f＝1；材料为45号钢时，c_f＝0.3；材料为铝时，c_f＝1.5；材料为LY11铝铜合金时，c_f＝0.5；材料为LF21铝锰合金时，c_f＝0.62；材料为LF2铝镁合金时，c_f＝0.55。

进一步地，所述曲表面微V形阵列结构深度为30μm～300μm，角度为45°～150°。

进一步地，进行冲压时，冲压机所用的冲压凸模表面经精密磨削后，其工作表面的曲率与所需要成型的金属球表面或近似球表面曲率相一致，且为0～200。

进一步地，进行冲压时，冲压机施加的冲压力为1000KN～4000KN，冲压速度为10mm/s～30mm/s，冲压温度为常温，压边方式为V形齿圈压边。

进一步地，进行冲压时，将平面金属板料放置在冲压模具的冲压凹模上，所述冲压凹模同时设置有施加反顶力的反顶杆。

进一步地，所述平面金属板料采用低硬度、高塑性材料，包括低碳钢、铝或铜。

进一步地，所述冲压模具所用材料为硬质合金。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明利用微结构冲压时的形变规律，提出了新的加工曲面微结构的方法：以平面加工微结构→冲压变形的方法代替了传统的冲压→曲面加工微结构的方法，并创新性的提出来预测冲压过程中微结构变形量的经验公式。本发明在保证原有加工精度的前提下，可大大提高加工效率，降低加工技术难度与生产成本，适应于大批量生产，并为微结构加工领域提供了一种逆向的思维方式。

附图说明

图1为冲压变形前布有平面微V形阵列结构的平面金属板料示意图。

图2为图1中A处的平面微V形阵列结构放大示意图。

图3为冲压变形后布有曲表面微V形阵列结构的曲面金属板料示意图。

图4为图3中B处的曲面微V形阵列结构放大示意图。

图5为曲表面金属微V形阵列结构精密冲压原理图。

图6为应用有限元仿真软件模拟检测曲表面微V形阵列结构冲压前后尺寸示意图。

图7为应用泰勒轮廓仪检测实际加工的球表面金属零件，其表面微V形阵列结构冲压前后尺寸示意图。

图中所示：1-平面微V形阵列结构；2-平面金属板料；3-曲面微V形阵列结构；4-曲面金属板料；5-冲压凸模；6-压边圈；7-冲压凹模；8-反顶杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此。

实施例一

通过实际加工测量的数据及有限元分析软件DEFORM 3D对冲压过程中微结构的变形进行模拟仿真，验证该成型方法的可行性与经验公式的正确性。

现经过其他一系列的计算，设计需要加工曲表面金属零件，各项参数如下表所示：

接下来将这些参数带入到两个经验公式中，

δh＝6.2×10^-7×(100+ρ)^2.05×h^1.04×α^1.28×c_f×k_f

因为经验公式就是主要以15号钢的实验数据得出，所以取c_f＝1。k_f与工作状况有关，取k_f＝1。计算预测出冲压过程中，微结构深度变化量δh＝2.31×10^-6m＝2.31μm。

δα＝(1.32×10^-5×ρ^1.79+π/120)×c_f×k_f

这里同样c_f＝1,k_f＝1，计算预测角度变化量δα＝0.032＝1.55°

再利用公式：h₀＝h+δh

α₀＝α-δα

求得应在平面板料上加工出的变形前的V形微结构尺寸，h₀＝152.31μm，α₀＝108.45°。

先进行模拟仿真验证，如图6所示，为仿真过程中板料冲压前后的变形对比，先通过SW软件建立直径80mm的圆形平板模型、表面上布有深度h₀＝152.31μm、角度α₀＝108.45°V形沟槽，模型大致形状如图二所示，材料选用15号钢，其各项物理性质由软件工程数据中默认给出。冲压模具选用结构钢，视为刚体。冲压速度设为20mm/s，冲压力为4000KN，温度设为常温。冲压过程模拟结束后，通过软件测量得到变形后的V型沟槽，深度h＝150.23μm、角度α＝110.33°，表面曲率ρ＝10，与所设计值十分接近。

下面进行实际加工，包括步骤：

步骤1、通过上述各项参数预测计算微V形结构的冲压变化量，计算过程如上述仿真计算相同，得出δh＝2.31μm，δα＝1.55°。

步骤2、通过上述公式计算出应在平面金属板料2上加工的平面微V形阵列结构1尺寸，同理算得h₀＝152.31μm，α₀＝108.45°。

步骤3、将待加工的直径为80mm，厚4mm的15号钢圆形平面金属板料2放置于CNC精密磨床(SMART B818)上，使用精磨的方式加工平面上述计算得到的平面微V形阵列结构1(见图1、图2)。使用树脂基金刚石砂轮对板料先后进行粗加工与精加工，粗加工转速n＝2400rpm，进给速度v_f＝200mm/min，进给量a＝5μm。精加工v_f＝50mm/min，进给量a＝2μm。

步骤4、采用同样磨削的方法，将已有平面的冲压凸模5工作表面修整为曲率为10的球表面。

步骤5、将加工好的带有平面微V形阵列结构1的平面金属板料2放置于冲压凹模7上，并定位固定(见图5)。

步骤6、开始冲压加工，压边圈6先下行1mm，压住金属平面板料2，并施加压边力。设置冲压力为4000KN，凸模冲压速度为20mm/s，温度保持常温，随后冲压凸模5下行2.5mm进行冲压，同时反顶杆8施加反顶力，使平面金属板料2发生塑性变形，并且使平面金属板料2下表面变形达到所设计的曲率，完成全部的加工内容，得到曲面金属板料4(见图2和图3)。

上述实施例中，我们预先设计了一个曲表面微V形阵列结构3尺寸，通过经验公式的计算，计算出冲压过程中，微结构的变形量，并在平面金属板料2上磨削加工出预测计算的平面微V形阵列结构1，再经过实际冲压加工，使其发生形变，最后利用泰勒轮廓仪对曲表面金属进行表面轮廓检测，对比实际尺寸检测结果与我们所设计的尺寸，验证该经验公式的正确性以及该成型方法的可行性。

如图7所示，使用泰勒轮廓仪对冲压前后的零件表面进行轮廓检测。平面板料上，磨削加工后的平面微V形阵列结构1，其形貌以及尺寸如图7所示，由于磨床精度与刀具磨损的原因，磨削后的沟槽深度与角度只能精确到个位数，且底部有r＝200μm的圆角，但这也并不影响我们对于深度与角度变化量的检测，测得冲压前，测得平面金属板料2上磨削加工后的平面微V形阵列结构1的实际深度h₀＝152μm，角度α₀＝108°。然后测得冲压后的曲表面微V形阵列结构3的深度h＝149.5μm、角度α＝109.69°、表面曲率ρ＝10。

对比设计、仿真、实际加工三者得到的结果：我们所需要的曲表面微V形阵列结构中，h＝150μm，α＝110°，表面曲率ρ＝10。运用本发明提出的加工方法，先在平面金属板料2上加工出实际深度h₀＝152.31μm，α₀＝108.45°的平面微V形阵列结构1，再进行冲压，其中运用软件仿真得到的曲表面微V形结构深度h＝150.23μm、角度α＝110.33°，实际冲压加工得到的曲表面微V形阵列结构，测得其深度h＝149.5μm、角度α＝109.69°。我们看到，实际加工和仿真结果皆与所设计值十分接近，深度误差在0.5μm以内，角度误差在0.5°以内，皆在误差允许范围以内，从而证明了该加工成型方法的可行性，与所提出经验公式的正确性。

上述为本发明较佳的实施方式和实施例，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种曲表面金属微V形阵列结构冲压成型的方法，其特征在于，包括步骤：

首先根据所需要的曲表面微V形阵列结构(3)的尺寸、曲表面微V形阵列结构(3)所在区域曲面的平均曲率、以及制定的冲压工艺参数、材料性能参数通过经验公式，预测计算出冲压过程中微V形阵列结构的变形量；

再根据所述变形量，计算出冲压变形前的平面金属板料(2)上与曲表面微V形阵列结构(3)相对应位置的平面微V形阵列结构(1)的尺寸；

然后通过精密磨削的方式，在平面金属板料(2)表面上加工出变形前的平面微V形阵列结构(1)；

最后将磨削好的布有平面微V形阵列结构(1)的平面金属板料(2)进行冲压，快速成型得到具有曲表面微V形阵列结构(3)的曲面金属板料(4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预测计算出冲压过程中微V形阵列结构的变形量时，所用的经验公式包括：

h₀＝h+δh

α₀＝α-δα

δh＝6.2×10^-7×(100+ρ)^2.05×h^1.04×α^1.28×c_f×k_f

δα＝(1.32×10^-5×ρ^1.79+π/120)×c_f×k_f

式中，h、α分别为曲面金属板料(4)上的曲表面微V形阵列结构(3)的深度(单位：米)与角度(取弧度制)；δh与δα分别为冲压过程中微V形阵列结构深度变化量(单位：米)与角度的变化量(取弧度制)；h₀、α₀分别为需要在平面金属板料(2)对应区域上磨削加工的平面微V形阵列结构(1)的深度(单位：米)与角度(取弧度制)；ρ为曲面金属板料(4)该区域的平均表面曲率，c_f为材料特性系数；k_f为当实际加工条件与求得经验公式的实验条件不符时的修正系数，取0.8～1.2。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当材料为15号钢时，c_f＝1；材料为45号钢时，c_f＝0.3；材料为铝时，c_f＝1.5；材料为LY11铝铜合金时，c_f＝0.5；材料为LF21铝锰合金时，c_f＝0.62；材料为LF2铝镁合金时，c_f＝0.55。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述曲表面微V形阵列结构(3)深度为30μm～300μm，角度为45°～150°。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进行冲压时，冲压机所用的冲压凸模(5)表面经精密磨削后，其工作表面的曲率与所需要成型的金属球表面或近似球表面曲率相一致，且为0～200。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进行冲压时，冲压机施加的冲压力为1000KN～4000KN，冲压速度为10mm/s～30mm/s，冲压温度为常温，压边方式为V形齿圈压边。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：进行冲压时，将平面金属板料(2)放置在冲压模具的冲压凹模(7)上，所述冲压凹模(7)同时设置有施加反顶力的反顶杆(8)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述平面金属板料(2)采用低硬度、高塑性材料，包括低碳钢、铝或铜。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述冲压模具所用材料为硬质合金。