CN111822960A - 一种金属表面微凸起模具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面微凸起模具的制备方法，该方法对于模具图形的制备，采用激光加工的方式在工具电极上进行微凹坑图形的制备；对于金属表面微凸起的制备，采用精密电火花成形的加工方式，通过利用电火花成形反刻原理，实现图形的精确转移。本发明结合激光加工和精密电火花成形加工技术的优势，实现了在金属表面进行微凸起的制备。该技术中的激光加工不仅可以实现毫米级图形的制备，还可以实现微米级图形的制备。相比微机械切削加工，激光加工可以实现各种复杂图形的制备，加工效率高，成本低。该技术中的精密电火花成形加工不仅可以加工任意高硬度，高强度的导电材料，还能实现材料表面微米级的反刻制备。该复合加工技术制备的微凸起模具，可以应用在各个方面，如：可以进行表面织构的制备，相比那些光学、电化学等表面织构的制备方法，通过该模具头制备的表面织构不仅效率高，成本低，还操作简单，绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及到一种模具技术领域，特别是涉及一种金属表面微凸起模具的制备方法。
背景技术
目前，微型化模具产品的研究和应用已经呈现出势不可挡的趋势，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。微结构复杂化、高功能化的发展趋势，使其必将成为未来先进制造业的核心技术。
在微型模具产品中有各种各样不同材质的微模具，如：塑料、陶瓷、各种非金属和金属材料等；尤其是在金属材料表面上进行微模具的制作，其应用最为广泛，但由于有些金属材料硬度很高，很难进行微加工制造，这就大大限制了其超硬材料在微模具方面的应用。
目前，在金属材料表面上进行微模具的制造，通常是在其金属材料表面形成各种复杂或简单的微凹坑或微凸起形状。大部分学者对微凹坑的制备方法研究相对较多，如：光学表面加工法、机械表面加工方法、化学表面加工方法、光刻—掩膜电解加工工艺、电火花加工技术、超声加工技术等等。
在金属材料表面进行微凸起的制备方法研究相对较少，有一些加工方法也能进行微凸起的制备，但都存在着各种缺点或一定的局限性，目前微凸起的制备方法有如下几种：
1.超精密机械加工，使用不同类型的微小刀具在金属材料上进行微切削或微铣削，对于超硬金属材料进行微加工时，刀具需要具有比工件更高的硬度，这对刀具具有很高的要求，从而增大了刀具的制造难度和加工成本，同时加工效率也大大降低。
2.光刻—掩膜电解加工，该技术先将需要制备的微凸起形貌图案印制在涂有光刻胶的试件表面，再通过电解工艺去除试件表面光刻胶未覆盖区域的材料，该工艺具有加工表面无应力、变形及热影响区等特点。但电解加工影响因素多，技术难度高，电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物的处理和回收困难，不利于环保。
3.电火花加工，是利用浸没在绝缘工作液中的工具电极与工件之间脉冲性火花放电时引起的电蚀现象来实现对工件上多余导电材料去除的加工技术。电火花加工时材料的去除机理主要是依靠火花放电产生的电热效应，因此它的加工对象几乎不受材料机械加工性能(硬度、强度、脆性等)的限制，只与材料本身的导电性和热特性(电阻率、熔点、热导率等)有关。利用电火花加工表面时，工具电极的形状和结构决定了最终加工出微织构的形貌。因此，工具电极的制作是其中的关键环节，一些工具电极的制作经常是利用精密机械加工，但对于不同材料的工具电极需要不同类型的加工刀具，这使一些其他材料的工具电极受到了一定的局限性。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种金属表面微凸起模具的制备方法，通过利用激光打标机和电火花成形机复合加工的方式，实现了在金属表面进行微凸起的制备。
本发明采用的技术方案，一种金属表面微凸起模具的制备，其步骤包括：
(1)对于模具图形的制备，采用激光加工的方式在工具电极上进行微凹坑图形的制备；
(2)对于金属表面微凸起的制备，采用精密电火花成形的加工方式，通过利用电火花成形反刻原理，实现图形的精确转移。
进一步，步骤(1)电极材料的选取，均可采用黄铜、紫铜、钨铜合金、钢、石墨或铸铁等各种导电材料。
进一步，步骤(2)基体材料的选取，可按各种模具应用背景选取，如：常用的碳素工具钢(T7A、T8A)、低合金冷作模具钢(9SiCr、GCr15、)、Cr12型钢(Cr12MoV钢)、高速钢(W6Mo5Cr4V2钢)、基体钢和某些热作模具钢等等。对于一些在极端工况下有更高要求的，还可以选取一些高硬度、高强度、抗耐磨的超硬材料。
进一步，步骤(1)采用激光打标机技术制备所述工具电极，其步骤如下：
S1、利用钻孔机对工具电极进行打孔(盲孔)；
S2、利用攻丝机对工具电极进行攻螺纹；
S3、利用400#、600#、800#、1200#、2000#的SiC水砂纸打磨工具电极表面；
S4、对工具电极进行清洗和烘干，去除表面杂质；
S5、利用CAD软件进行绘图，绘制出模具表面制备的图形，将其保存为DXF格式；
S6、将绘制好的图形导入到激光打标机中，设定好激光加工参数，在工具电极上进行图形凹坑的制备。
进一步，步骤(2)采用精密电火花成形技术在金属表面制备微凸起，其步骤如下；
Y1、利用400#、600#、800#、1200#、2000#的SiC水砂纸打磨基体表面；
Y2、对基体表面进行清洗和烘干，去除表面杂质；
Y3、调整并安装工具电极在电火花成形机上；
Y4、安装并固定基体在电火花成形机磁盘上；
Y5、调整电火花成形机加工程序和参数，并进行反刻加工。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下:
①、该技术中的激光打标机不仅可以实现毫米级图形的制备，还可以实现微米级图形的制备。相比微机械切削加工，激光加工可以实现各种复杂图形的制备，加工效率高，成本低。
②、该技术中的精密电火花成形机不仅可以加工任意高硬度，高强度的导电材料，还能实现材料表面微米级的反刻制备。
③、该复合加工技术制备的微凸起模具，可以应用在各个方面，如：可以进行表面织构的制备，相比那些光学、电化学等表面织构的制备方法，通过该模具头制备的表面织构不仅效率高，成本低，还操作简单，绿色环保。
附图说明
图1是本发明中激光加工工具电极的结构示意图。
图2是本发明中激光加工后的工具电极。
图3是本发明中精密电火花加工微凸起模具的原理图。
图4是本发明中精密电火花加工微凸起模具的加工流程图。
图5是本发明中精密电火花加工后的微凸起模具。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行具体描述，为了使本发明的特征、优点及应用背景更加清晰易懂，本发明将通过具体实施案例来更加进一步的说明。
本发明将以用于制备表面织构的微凸起模具为例，表面织构化能够更好地改善摩擦副润滑性和耐磨性，因此，对于表面织构的制备也相对重要，通过本发明制备方法加工的微凸起模具可以利用冷压成形的方式，快速、方便的制备出表面织构。
(1)工具电极材料选用石墨，石墨具有较高的熔点和升华温度，有利于承受大电流，实现低损耗加工。具有较小的热膨胀率，能有效地减小电火花加工过程中热变形引起的尺寸误差。此外，石墨具有良好的力学性能，具有低的抗切削性、良好的耐热性和高的脆性，有助于降低加工过程中的变形和振动。从而提高微工具电极的加工精度和效率。
(2)工件材料选用表面抛光的模具钢(45钢)，首先利用电火花线切割机切割出所需要的工件尺寸，然后利用SiC水砂纸打磨工件表面，并用抛光机抛光工件表面，最后利用无水乙醇清洗并烘干工件。
进一步，步骤(1)采用激光技术制备石墨电极，其步骤如下：
S1、利用钻孔机对石墨电极进行打直径7mm的盲孔；
S2、利用攻丝机对石墨电极进行攻直径8mm螺纹；
S3、利用400#、600#、800#、1200#、2000#的SiC水砂纸打磨石墨电极表面，并用抛光机抛光石墨电极表面；
S4、利用无水乙醇对石墨电极进行清洗并烘干，去除表面杂质；
S5、利用CAD软件进行绘图，绘制出不同直径的阵列圆形，并将其保存为DXF格式；
S6、将绘制好的图形导入到激光打标机中，设定好激光加工参数，在石墨电极上进行圆形微凹坑的制备，其加工过程如图1所示。
进一步，步骤(1)通过激光加工技术在石墨电极上获得了9x9的圆形微凹坑阵列，如图2所示为激光加工后的电极示意图。
进一步，步骤(1)将加工后的石墨电极固定并安装在精密电火花成形机电极杆端。
进一步，步骤(2)将45钢工件固定并安装在精密电火花成形机磁盘上。
进一步地，通过调整加工程序、参数、深度、工作液等对工件进行电火花成形加工处理，其加工原理图如图3所示。
如图4所示，电极接正极，工件接负极，当脉冲电源接通时，两者直接形成脉冲电流，电极上最先凸起的部分进行脉冲放电，电弧直接打到工件表面将其表面多余材料去除掉，反复进行放电、去除，便得到了如图5所示的微凸起模具。
上面仅对本发明的实施案例作了详细的说明，但本发明并不局限于上述实施案例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，对本发明的技术方案进行修改或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种金属表面微凸起模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对于模具图形的制备，采用激光加工的方式在工具电极上进行微凹坑图形的制备；
(2)对于金属表面微凸起的制备，采用精密电火花成形的加工方式，通过利用电火花成形反刻原理，实现图形的精确转移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)电极材料的选取，均可采用黄铜、紫铜、钨铜合金、钢、石墨或铸铁等各种导电材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)基体材料的选取，可按各种模具应用背景选取，如：常用的碳素工具钢(T7A、T8A)、低合金冷作模具钢(9SiCr、GCr15、)、Cr12型钢(Cr12MoV钢)、高速钢(W6Mo5Cr4V2钢)、基体钢和某些热作模具钢等等。对于一些在极端工况下有更高要求的，还可以选取一些高硬度、高强度、抗耐磨的超硬材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用激光打标机技术制备所述工具电极，其步骤如下：
S1、利用钻孔机对工具电极进行打孔(盲孔)；
S2、利用攻丝机对工具电极进行攻螺纹；
S3、利用400#、600#、800#、1200#、2000#的SiC水砂纸打磨工具电极表面；
S4、对工具电极进行清洗和烘干，去除表面杂质；
S5、利用CAD软件进行绘图，绘制出模具表面制备的图形，将其保存为DXF格式；
S6、将绘制好的图形导入到激光打标机中，设定好激光加工参数，在工具电极上进行图形凹坑的制备。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)采用精密电火花成形技术在金属表面制备微凸起，其步骤如下；
Y1、利用400#、600#、800#、1200#、2000#的SiC水砂纸打磨基体表面；
Y2、对基体表面进行清洗和烘干，去除表面杂质；
Y3、调整并安装工具电极在电火花成形机上；
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|---|---|---|---|---|
| CN114273739A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-05 | 深圳大学 | 基于电火花技术在圆棒工件表面加工旋转三维结构的方法 |
| CN116652533A (zh) * | 2023-07-28 | 2023-08-29 | 深圳市锴诚精密模具有限公司 | 齿状纹面的精密零件加工方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201027 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |