K09-變壓器鐵心級進模設計
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實習(調研)報告
一.級進模的來源及意義
由于采用模具進行生產能提高生產率、節(jié)約原材料、降低生產成本，在一定的尺寸精度范圍內能夠保證產品零件的互換性，因此在我國各行業(yè)得到廣泛的應用。模具是機械、電子、輕工、國防等行業(yè)生產的重要工藝裝備。由此可見，模具設計與制造技術在國民經濟中的地位十分重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的迅速發(fā)展，對模具的使用壽命、尺寸精度和表面質量等不斷提出新的更高的要求。
模具是工業(yè)生產中的重要工藝裝備，是國民經濟各部門發(fā)展的重要基礎，是衡量一個國家生產力發(fā)展水平的重要標志之一，模具已成為當代工業(yè)生產的重要手段和工藝發(fā)展方向。
隨著改革開放和國民經濟的高速發(fā)展，推動了模具技術和模具工業(yè)的新發(fā)展，在儀器儀表、家用電器、交通、通訊等各行業(yè)中，有70%以上的產品是使用模具加工成型，模具設計水平的高低、模具制造能力強弱以及模具質量的優(yōu)劣，直接影響各種產品的質量、經濟效益的增長及整體工業(yè)水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)產品的品種發(fā)展和生產效益的提高，在很大程度上取決于模具的發(fā)展和技術經濟水平。模具工業(yè)已成為高新技術產業(yè)的一個重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術水平的高低，在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力，因此已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。
現(xiàn)代的模具工業(yè)已經從傳統(tǒng)的模具工業(yè)發(fā)展到了現(xiàn)代模具工業(yè)的新階段，這個階段的標志就是從一個傳統(tǒng)的、基本上是勞動密集型的一個產業(yè)，發(fā)展到技術密集型和資金密集型的產業(yè)。現(xiàn)在要生產模具，再用手工的方法不行了，必須要用先進的軟件來設計，必須要有更高精度的數(shù)控設備來加工。我覺得這是現(xiàn)代模具工業(yè)的一個特點。這個特點決定了它的投入大，它對人才的要求就更高。
同時，模具產業(yè)帶動作用很強?，F(xiàn)在很多地方開始重視模具行業(yè)的發(fā)展了，他們認識到當?shù)氐漠a業(yè)優(yōu)勢如果要發(fā)展，不發(fā)展相應的模具產業(yè)就沒有后勁。模具是效益放大器，模具是供給制品產業(yè)的，可以使相關工業(yè)的效益比自身增加約一百倍，因此它的帶動作用就大。模具的發(fā)展，不光是帶動了自己行業(yè)的發(fā)展，而且向全國各地方提供模具，實際上是支持了全國相關行業(yè)的發(fā)展。
目前，信息(IT)產品的需求量與日俱增，并向“輕，薄，短，小”發(fā)展，IT制件的精密級進沖模的開發(fā)，有很大的難度。IT制件具有材料厚度超薄(材料厚度為0.02mm-0.6mm)，形狀微小，性狀和位置精度高，成形工藝復雜，生產批量大等特點。材料薄，因此沖裁間隙很小，接近無間隙沖裁，沖模刃口的設計和加工難度很大，沖裁間隙的均勻性和工藝穩(wěn)定性很難保證，模具壽命也難保證；由于材料超薄，在級進模的高速沖壓成形過程中，條料送進的平穩(wěn)度、送進步距的精度、模具的精確導向都難以保證；在條料送進過程中，由于材料太薄，還容易引起疊片、真空吸附、跳屑等問題；由于彎曲部位的形狀精度要求很高，如電腦類產品上的連接器的接觸零件，在高速沖壓的卸載過程中容易產生彎曲回彈，彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對精密高速冷壓模的成形工藝的制定，模具的設計和加工，高速沖壓條件提出了極高的要求，給超薄，超微，高精度IT制件的高速冷壓模具的開發(fā)帶來了很大的困難。
模具是制造業(yè)的重要基礎工藝裝備，是國民經濟各部門發(fā)展的重要基礎之一。級進模是一種精密、復雜的沖壓模具，它具有高效率、高精度和高壽命等優(yōu)越性，適應于沖壓行業(yè)的自動化生產。級進模設計涉及沖壓成形理論、沖壓工藝、排樣設計、產品展開尺寸計算、模具結構設計、產品的成形仿真以及模具材料選擇等許多關鍵技術。因此，對級進模設計進行研究是十分有意義的。
二.國內外級進模發(fā)展狀況
我國考古發(fā)現(xiàn)，早在2000多年前，我國已有沖壓模具被用于制造銅器，證明了中國古代沖壓成型和沖壓模具方面的成就就在世界領先。1953年，長春第一汽車制造廠在中國首次建立了沖模車間，該廠于1958年開始制造汽車覆蓋件模具。我國于20世紀60 年代開始生產精沖模具。我國沖壓模具無論在數(shù)量上，還是在質量、技術和能力等方面都已有了很大發(fā)展，但與國家發(fā)展的經濟需求和世界先進水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、復雜、長壽命的高檔模具每年仍大量進口，特別是中高檔轎車的覆蓋件模具，目前仍主要依靠進口。一些低檔次的簡單沖模，已趨供過于求，市場競爭激烈。
現(xiàn)代模具行業(yè)是技術、資金密集型的行業(yè)。它作為重要的生產裝備行業(yè)在為各行各業(yè)服務的同時，也直接為高新技術產業(yè)服務。由于模具生產要采用一系列高新技術，如 CAD/CAE/CAM/CAPP 等技術、計算機網絡技術、激光技術、逆向工程和并行工程、快速成型技術及敏捷制造技術、高速加工及超精加工技術等等。因此，模具工業(yè)已成為高新技術產業(yè)的一個重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術水平的高低，在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力，因此已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。
國外級進模CAD/CAE/CAM的研究始于上世紀60年代末，70年代便有初步應用，但僅限于二維圖形的簡單沖裁級進模，其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計算和NC 編程等。彎曲級進模CAD/CAM系統(tǒng)出現(xiàn)在80年代，如日本日立公司和富士通公司的彎曲級進模系統(tǒng)等。為了能夠適應復雜模具的設計，富士通系統(tǒng)采用了自動設計和交互設計相結合的方法。
我國是進入80年代后才開始研制級進模的，盡管經歷了近二十年的努力，從無到有，有了較大的發(fā)展。與國外工業(yè)發(fā)達國家比較，我國的多任務位級進模技術仍然存在較大的差距，主要表現(xiàn)在:①沖壓工序比較單一，多數(shù)以沖裁級進模為主，少部分為沖裁拉深級進模，模具結構比較簡單、功能性不強。②模具模板幅面尺寸比較小，屬中小型級進模。③模具精度不高，沖裁間隙誤差在0.0l5mm以上，制件產品易產生毛刺。④模具使用壽命相對較短，一般一次刃磨在50萬次以內，模具材料主要以普通模具鋼為主或采用硬質合金。
另外，我國模具行業(yè)專業(yè)化程度還比較低，模具自產自配比例過高。國外模具自產自配比例一般為30%，我國沖壓模具自產自配比例為60%。這對專業(yè)化產生了很多不利影響?，F(xiàn)在，技術要求高、投入大的模具，其專業(yè)化程度較高，例如覆蓋件模具、多任務位級進模和精沖模等。而一般沖模專業(yè)化程度就較低。
20年來我國模具制造水平有了很大的提高，模具的CAD/CAM已經很普遍，CAM/CAPP也在積極推廣。如今我國生產的模具精度已達到微米級，與20年前相比，模具壽命提高了幾十倍，模具生產周期縮短了約3/4，模具的標準件使用覆蓋率從幾乎是零達到45%左右。我國的沖壓模具將呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢：(1).模具日趨大型化。這是由于模具成型的零件日漸大型化和高生產效率要求而發(fā)展的一模多腔所造成的。(2).模具的精度越來越高。10年前，精密模具的精度一般為5微米，現(xiàn)在已達到2~3微米，不久1微米精度的模具將上市。這要求超精加工。(3).多功能復合模具將進一步發(fā)展。新型多功能復合模具除了沖壓成型零件外，還擔負疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務，對鋼材的性能要求也越來越高。
我國模具總量雖然已位居日、美、德之后，但設計制造水平在總體上要比德、美、日、法、意等發(fā)達國家落后許多，也要比英國、加拿大、西班牙、葡萄牙、韓國、新加坡等有差距。
近年來，人們也意識到模具技術是與被加工材料、模具加工設備和模具材料密切相關的，因此，不能完全照搬國外的模具結構和標準，必須有適用于本國國情的模具設計思想和理論。國內級進模技術面臨如何在消化吸收國外先進模具技術的基礎上，結合本國的國情來設計制造自己的模具產品這一重大課題。隨著我國工業(yè)化進程的加速，高精度多任務位級進模的需求將會越來越大，在模具設計、制造方面，國內迫切需要有自己的理論指導和實踐經驗來實現(xiàn)高品質模具國產化。
目前，世界上高速沖床的行程速度可達4000次/min，在日本，IC引腳框架的實用沖壓速度為300次/min~500次/min,接插件端子的實用沖壓速度為800次/min~1000次/min，金屬薄片的實用沖壓速度為1500次/min~2500次/min，而我國目前生產的接插件模具用于實際生產的最高速度在500次/min左右。我們廠所引進的沖床有30%為高速精密沖床，目前均投入大量生產。實用沖壓速度可達800次/min~1000次/min。
高速加工技術的出現(xiàn)和發(fā)展，為高速沖壓模具的制造提供了技術支持，自20世紀30年代德國Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來，經過50年代的機理與可行性研究，70年代的工藝技術研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術研究，到90年代初，高速切削技術開始進入實用化，到90年代后期，商品化高速切削機床大量涌現(xiàn)，21世紀初，高速切削技術在工業(yè)發(fā)達國家得到普遍應用，正成為切削加工的主流技術。高速加工技術的出現(xiàn)，為模具制造技術開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來代替電加工，是加快模具開發(fā)速度、提高模具制造質量的必然趨勢。高速加工的加工精度高、表面質量好，生產效率很高，在模具工業(yè)中的應用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無法與之匹敵，完全符合現(xiàn)代制造技術“高效率、高精度和高度自動化”的發(fā)展方向，有廣闊的應用前景。
信息技術(IT)制件,如集成電路引線框架、混合集成電路端子、液晶顯示屏端子、電腦端子、通信類(如手機)端子、數(shù)碼相機支承件等等，都是信息產品上的重要載體,在信息產品中起著連接、支承、互聯(lián)導電與轉換等作用,這些IT制件的設計與制造對于信息產品使用性能的發(fā)揮和集成化程度的提高至關重要。
精密高速級進模被廣泛應用于精密IT制件的生產制造中?，F(xiàn)在,IT制件的需求量與日俱增,并向“輕、薄、短、小”的方向發(fā)展,這給設計、制造精密級進模以及高速沖壓成形帶來了很大的困難。解決這些關鍵技術問題,實現(xiàn)IT制件的產業(yè)化,是目前精密級進模行業(yè)和企業(yè)的迫切需要。
關鍵技術問題研究分析
1.超薄、微型、精密IT制件的級進沖模開發(fā)技術
IT制件具有材料厚度超薄(材料厚度為0.02mm～0.6mm)、形狀微小、形狀和位置精度高、成形工藝復雜等特點。由于沖裁間隙很小,接近無間隙沖裁,因此沖模刃口的設計和加工難度很大,沖裁間隙的均勻性和工藝穩(wěn)定性很難保證，模具壽命也難以保證;由于材料超薄,在級進模的高速沖壓成形過程中,條料送進的平穩(wěn)度、送進步距的精度、模具的精確導向都難以保證;在條料送進過程中,由于材料太薄,還容易引起疊片、真空吸附、跳屑等問題;由于彎曲部位的形狀精度要求很高,如手機充電接口處的彈片連接器,在高速沖壓的卸載過程中容易產生彎曲回彈,彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對精密高速級進沖模的成形工藝的制定、凸凹模的設計和加工、高速沖壓條件提出了極高的要求,給超薄、微型、精密IT制件的高速級進模的開發(fā)帶來了很大的困難。
2.窄間距制件的精密級進沖模技術
窄間距制件的生產是精密沖壓領域中特別困難的技術,所能達到的技術指標目前還遠低于其他的IT制件。由于間距小,制件自身的剛度低,其形狀容易在后續(xù)的工步中受到影響,并且在水平方向上的偏移很難修正,工步安排不合理將導致整個模具設計的失敗,如果制件具有彎曲特征,彎曲角度的不穩(wěn)定還會造成制件報廢。間距小不僅導致了工步數(shù)目和排樣難度增加,而且會使凸凹模間隙穩(wěn)定性和凸模強度難以保證,使凸模刃口的設計、制造更加困難。多引腳集成電路(IC) 引線架就是最典型的窄間距制件,其材料厚度很薄,各引線腳之間的距離很窄,且各引線腳腳數(shù)越多,引腳之間的間距就越窄,其精密級進模的設計、制造以及沖壓成形的技術難度越大,引線腳數(shù)目是判斷IC引線架制造水平的標志。目前,中國臺灣生產的引線腳數(shù)目在128腳以上,日本及歐美達生產的引線腳數(shù)目250腳以上,在我國內地,某些廠家已經達到一次沖64引線腳以上的水平,128線以上的多引腳集成電路引線架(或線間距0.12mm)生產用的級進沖模,目前國內仍然不能生產,進口價格也非常昂貴。
3.精密IT制件級進模的高速沖壓技術
提高精密級進模的沖壓速度可以大大提高IT制件的生產率。目前,世界上高速沖床的行程可達4000次/min。在日本,IC引腳框架的實用沖壓速度為300次/min～50次/min,接插件端子為800次/min～1300次/min,金屬薄片沖裁為1500次/min～250次/min。我國目前生產的接插件模具用于實際生產最高沖壓速度在500次/min左右。IT制件的產量都是以億為單位來計算,其巨大的產量和高效的生產率需要沖壓速度來保證。但是在提高沖壓速度的同時,首先必須面對和解決的關鍵技術問題:
(1)高速沖床的穩(wěn)定性和精度問題 目前,國內擁有的精密高速沖床多為曲軸式,這類機床生產時振動較大,正常生產時只能用到最高沖壓速度的60%左右, 而且由于機床平行度等精度不夠,使得沖壓精度也難以提高。
(2)送料問題 由于材料厚度超薄、沖壓速度很高,在送料過程中會出現(xiàn)疊片、跳屑、條料彎曲等問題。這都給精密級高速級進模的沖壓速度的提高帶來了很大的阻礙。
(3)模具發(fā)熱問題 當精密級進模的沖壓速度提高時,模具溫度也會顯著提高,進而造成模具材料變軟和模具變形等問題,模具發(fā)熱嚴重制約了沖壓速度和生產效率的提高。
4.模具壽命的提高技術
精密級進模的連續(xù)沖壓過程中,模具與材料接觸次數(shù)往往在幾千萬甚至幾億次以上,沖壓速度達到每分鐘幾百次甚至幾千次,在長時間的連續(xù)沖擊力的作用下,沖裁凸模易受沖擊載荷以及壓力機引起的振動而啃傷刃口;容易產生金屬疲勞,進而使模具失效;沖壓速度的提高也將引起模具的發(fā)熱,使模具材料變軟和變形;高速沖模目前所使用的模具沖切部位大多為含鈷的硬質合金,在沖壓過程中使用潤滑油容易引起刃口材料失鈷,使模具刃口磨損加劇;全面提高模具的耐摩、 耐熱、抗疲勞、抗沖擊、抗腐蝕等性能,才能達到提高模具壽命的目的。
5.模具設計與制造的柔性化技術
級進模是計算機、通信、汽車、家電等行業(yè)的重要生產工裝。然而級進模專業(yè)設計人才的匱乏和級進模設計方法的總體滯后,嚴重制約了模具產業(yè)的發(fā)展和提高,因此級進模CAD系統(tǒng)的開發(fā)工作十分重要。世界各主要工業(yè)發(fā)達國家也正在大力發(fā)展精密高速級進沖模柔性化和智能化的設計與制造技術。目前我國設計人員大部分還是憑借設計經驗進行排樣設計和確定模具結構;即使部分采用了計算機輔助技術的設計部門,真正能利用大型CAE軟件進行沖壓仿真來指導設計的還為數(shù)很少。
關鍵技術解決方案
解決IT制件的精密級進模的關鍵技術,必須從系統(tǒng)工程的角度出發(fā),綜合地考慮各種影響因素,針對模具設計、模具材料選用、模具制造、工藝處理、高速沖壓等過程,全方位的提高模具質量、產品質量、沖壓速度、模具壽命等。
(1)優(yōu)化模具設計 運用數(shù)值模擬技術分析精密級進模的高速沖壓過程中的彎曲回彈、熱效應、速度效應、金屬的塑性變形等,分析整個模具在生產過程中的穩(wěn)定性并找出最危險的部位,采用確保成品具有最大剛度的排樣方式、最優(yōu)化的沖壓工序、模具刃口、模具結構,實現(xiàn)最優(yōu)化的模具設計。
(2)采用新型模具材料 目前,國外高速沖壓的模具材料已經采用陶瓷材料和納米級的硬質合金,但是我國還沒有使用這些材料的相關經驗,這需要通過大量試驗獲得各類不同的材料和模具性能數(shù)據(jù)。
(3)應用超精密加工手段 綜合日本和歐美先進加工手段和工藝的特點和優(yōu)勢,通過線切割與磨削工藝的交叉運用,減少模具加工過程的變形,以保證模具加工精度。
(4)特殊處理工藝的應用 對模具刃口進行超深冷處理工藝,通過長時間的高低溫循環(huán)過程實現(xiàn)馬氏體向奧式體的接近完全轉化,并使這種轉化達到穩(wěn)定狀態(tài);在表面處理技術方面,可以運用新的噴涂技術,來提高模具表面性能。
(5)解決高速沖壓過程中的難題,提高沖壓速度 雙向送拉條料、控制氣壓和氣密性等方式是解決高速沖壓過程中超薄材料送料難、跳屑、真空吸附等問題的有效措施;另外,數(shù)控送料系統(tǒng)和高精檢測系統(tǒng)也是保證條料順利送進的重要保證?？梢圆捎镁哂薪档湍＞邷囟裙δ艿臐櫥瑒?、采用吹冷技術等措施以降低模具溫度。
(6)合理運用沖壓潤滑劑和潤滑方式 結合高速沖壓和材料金相分析試驗, 研究沖壓潤滑劑與沖模材料的化學匹配關系,合理、科學的采用潤滑劑和潤滑方式,可以大幅降低因摩擦和潤滑劑腐蝕等原因對模具壽命造成的影響。
(7)采用高精度、高性能的加工設備和沖壓設備 高精度、高性能的加工設備和沖壓設備是提高模具質量和沖壓速度的基本保證。目前我國的這些設備幾乎全部依賴進口,盡快提高我國精密裝備的制造水平,這是我國裝備制造業(yè)面臨的艱巨任務。
三.級進模研究目標、研究內容、研究方法、研究手段
針對級進模關鍵技術問題，立足于我國模具技術現(xiàn)狀，在級進模設計技術領域開展研究工作，結合研制一套多工位精密復雜零件的級進模的具體實例，說明級進模的設計流程，并對研究成果進行驗證。具體包括：
(1)從沖壓成形理論入手，探討了金屬在塑性狀態(tài)下的力學行為和特征，包括塑性變形的力學基礎、板料沖壓成形的力學特點及求解方法和沖壓成形極限，從中找出板料沖壓變形的基本規(guī)律。
(2)對典型級進模中包含的沖裁、彎曲、翻邊、局部成形和整形等工序變形特征進行了分析：推導了各沖壓工序的應力應變求解關系式，這些工作將為級進模設計和計算提供理論依據(jù)。
(3)以系統(tǒng)的觀念看待級進模的設計過程，給出設計流程圖：探討了排樣設計的一般原則：并總結出級進模常用工序的展開尺寸計算公式、典型工序的成形方法及主要零部件的設計方法。
(4)通過對典型級進模的詳細設計、計算以及對產品重要部位的成形仿真，建立一種多工位精密復雜級進模設計方法體系，驗證其研究成果。設計部分包括模具排樣圖設計、結構設計以及各模具零件的設計：計算部分包括帶料精度計算，產品展開尺寸計算和模具壓力中心計算等；考慮到產品在仿真軟件中建模的復雜性，以及應盡量縮短模具的開發(fā)周期，且產品中重要、復雜(有尺寸、形狀精度要求)部位的成形仿真結果即可代表整個產品的成形仿真結果，故僅對產品的重要、復雜部位進行成形仿真。
沖壓工藝與模具設計是進行沖壓生產的重要技術準備工作。沖壓工藝與模具設計結合工廠的設備、人員等實際情況，從零件的質量、生產效率、生產成本、勞動強度、環(huán)境及生產的安全性各個方面綜合考慮，選擇和設計出技術先進、經濟上合理、使用安全的方案和模具結構以使沖壓件的生產在保證達到設計圖樣上所提出的各項技術要求外，盡可能降低沖壓的工藝成本和保證安全生產。一般來說，設計的主要內容及步驟包括：
(1)工藝設計
①零件及其沖壓工藝分析 根據(jù)沖壓件產品圖，分析沖壓件的形狀特點、精度要求、原材料尺寸規(guī)格和力學性能，并結合可供選用的沖壓設備規(guī)格以及模具的產批量等因素，分析零件的沖壓工藝性。良好的沖壓工藝性應保證材料消耗少、工序數(shù)目少、占用設備數(shù)量少、模具結構簡單而壽命高、產品質量穩(wěn)定、操作簡單。
②確定工藝方案，主要工藝參數(shù)計算 在沖壓工藝性分析的基礎上，找出工藝與模具設計的特點與難點，根據(jù)實際情況提出各種可能的沖壓工藝方案，內容包括工序性質、工序數(shù)目、工序順序及組合方式等。有時同一種沖壓零件也可能存在多個可行的沖壓工藝方案，通常每種方案各有優(yōu)缺點，應從產品質量、生產效率、設備占用情況、模具制造的難易程度和使用壽命高低、生產成本、操作方便與安全程度等方面進行綜合分析、比較，確定出適合于現(xiàn)有生產條件的最佳方案。
此外，了解零件的作用及使用要求對零件沖壓工藝與模具設計是有幫助的。
工藝參數(shù)指制定工藝方案所依據(jù)的數(shù)據(jù)，如各種成形系數(shù)，零件展開尺寸以及沖裁力、成形力等。計算有兩種情況，第一種是工藝參數(shù)可以計算得比較準確，如零件排樣的材料利用率、沖裁壓力中心、工件面積等；第二種是工藝參數(shù)只能作近似計算，如一般彎曲或拉深成形力、復雜零件坯料展開尺寸等，確定這類工藝參數(shù)一般是根據(jù)經驗公式或圖表進行粗略計算，有些需要通過實驗調整；有時甚至沒有經驗公式可以應用，或者因計算太繁雜以至于無法進行，如復雜模具零件的剛性或強度校核、復雜沖壓零件成形力計算等，這種情況下一般只能憑經驗進行估計。
(2)選擇沖壓設備
根據(jù)要完成的沖壓工序性質和各種沖壓設備的力能特點，考慮沖壓加工所需的變形力、變形功及模具閉合高度和輪廓尺寸的大小等主要因素，結合工廠現(xiàn)有設備情況來合理選定設備類型和噸位。常用沖壓設備有曲柄壓力機、液壓機等，其中曲柄壓力機應用最廣。沖裁類沖壓工序多在曲柄壓力機上進行，一般不用液壓機；而成形類沖壓工序可在曲柄壓力機或液壓機上進行。
(3)模具設計
模具設計包括模具結構形式的選擇與設計、模具結構參數(shù)計算、模具圖繪制等內容。
模具圖由總裝圖和非標準件的零件圖組成?？傃b配圖主要反映整個模具各個零件之間的裝配關系，應該對應繪制說明模具構造的投影圖，主要是主視圖和俯視圖及必要的剖面、剖視圖，并注明主要結構尺寸，如閉合高度、輪廓尺寸等。習慣上俯視圖由下模部分投影而得，同時在圖紙的右上角繪出工件圖、排樣圖，右下方列出模具零件的明細表，寫明技術要求等。零件圖一般根據(jù)模具總裝圖測繪，也應該有足夠的投影和必要的剖面、剖視圖以將零件結構表達清楚。此外，要標注零件加工所需的所有結構尺寸、公差、表面粗糙度、熱處理及其他技術要求。
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材料加工技術學報
用于控制表面形貌的潤濕性的微加工
Takashi Matsumura a，F(xiàn)umio Iida a，Takuya Hirose a，Masahiko Yoshino b
a東京電機大學機械工程系，日本東京市立町區(qū)森旭朝日町，日本，120-8551，日本
b東京工業(yè)大學機械與控制工程系，日本東京都目黒山山2-12-1日本152-8552
例子
文章歷史：
收到2011年10月23日
2012年4月17日修訂
接受2012年5月25日
可在線2012年6月23日
關鍵詞：微加工，F(xiàn)IB，沖壓，塑料成型，功能表面，疏水性，接觸角
摘要：提出微制造以制造具有微尺度結構的疏水性表面。疏水性通過結構中微柱的形狀和排列來控制。該結構在大面積上以高生產率在以下工藝中制造：（1）通過聚焦離子束濺射在工具上制造結構;（2）通過使用結構化工具的增量沖壓在金屬板上形成相反的結構;（3）通過模塑將結構轉移到塑料板上。還提出了連續(xù)的沖壓，用結構??化工具在表面上精確地制造幾個結構，其中結構化工具的移動間距被數(shù)字控制。通過在水滴測試中測量結構化表面上的接觸角來討論表面形貌對疏水性的影響。基于Cassie-Baxter模型，塑料板上的疏水性與結構化表面上的固體部分相關。對于表面的較小的固體部分觀察到較大的接觸角。
一.引言
功能性表面不斷增加，對于不僅工業(yè)而且生物醫(yī)學用途的復雜裝置的需求。 Bruzzone等人討論了表面的功能特性，并回顧了功能表面的許多應用（Bruzzone et al。2008）。表面功能也不僅受到材料性能的控制，而且也受到表面形貌的控制。當通過數(shù)字控制的微加工在表面上制造微尺度結構時，制造諸如功能梯度表面和功能集成表面的可控功能表面（Yoshino等人，2006）。
潤濕性是表面上控制流體流動和附著力的重要功能之一。疏水性和親水性表面與表面材料和表面結構控制的表面能相關。自從表面活性劑研究領域拉普拉斯和楊的開創(chuàng)性作品以來，許多研究已經討論了液滴接觸角的潤濕性（Hartland，2004）。作為用表面形貌控制潤濕性的嘗試，Wenzel與表面粗糙度相關聯(lián)的潤濕性，并提出了固體表面的潤濕行為模型（Wenzel，1936）。 Cassie和Baxter還將疏水性與受控表面形貌聯(lián)系起來，并提出了結構化表面的另一種模型（Cassieand Baxter，1944）。Patankar回顧了這些模型，并從能源角度進行了很好的討論（Patanker，2003）。Onda等在分形表面上顯示疏水性（Onda等，1996）。 Bico等人基于早期的工作設計了具有微尺度結構的疏水表面，并驗證了其在水滴測試中的設計（Bico等，1999）。Bizi-Bandoki等人用飛秒激光治療來控制表面的潤濕性（Bizi-Bandoki等，2011）。張等人改善了微測試裝置的表面性能（Zhang et al。2009）。
盡管施加表面結構以改變潤濕性，但是其大部分是通過蝕刻來加工的。然而，在蝕刻中，待加工的材料受到物理和化學性質的限制。此外，工業(yè)裝置需要靈活的潤濕性可控性。然后，蝕刻過程在設計時具有控制表面結構的潤濕性變化的一些困難。需要更靈活的工藝來制造用于控制潤濕性的表面結構。
機械加工是數(shù)值控制表面結構的有效過程。機械加工中的微型化使用使微型工具和高精度運動控制技術顯著發(fā)展。然后，微型切割，成型和注射成型最近已被應用于微型零件的制造（Vollertsen等人，2004; Qin，2006）。討論了微形成的尺寸效應，研究了FE模擬中的材料行為（Chen和Tsai，2006）。因為材料的晶粒尺寸相對于加工尺寸較大，所以微觀形成已經在材料科學方面進行了討論（Yeh et al。2008）。提出了晶粒和晶界上的一些模型來模擬FEM中的材料行為（Ku和Kang，2003）。Wang等模擬了微觀形貌中的晶體可塑性（Wang et al。2009）。由于材料變形在微細成形過程中是關鍵的，因此已經嘗試加熱輔助以改善變形過程中的流動應力。Peng et al分析了微型沖壓激光加熱（Peng et al。2004a，b，2007）。
微型注塑也是微型制造中的相關工藝。Sha et al討論了加工參數(shù)和幾何因子對三種不同聚合物材料微觀特征表面質量的影響（Sha et al.2007）。宋等對超薄壁塑料件的成型進行了參數(shù)研究（Song et al。2007）。 Grif fi ths 等將工具表面粗糙度與熔體流動長度和零件質量相關聯(lián)（Grif fi ths et al。2007）。Larsson提出了3D聚合物特征的微型化，具有用于MEMS應用的任意配置（Larsson，2006）。 一些納米壓印技術也已經開發(fā)出來，最近隨著MEMS技術的發(fā)展，應用也越來越多。 Schift等人開發(fā)了壓印光刻技術的多功能快速沖壓工藝（Schift et al。2005）。
本文介紹了功能表面的微觀制造，以控制表面形貌的潤濕性。微尺度結構以大的生產速率在微加工過程的序列中在表面上大面積地制造。這些過程控制結構元件在設計時的形狀和對齊。根據(jù)Cassie的模型（Cassie和Baxter，1944），疏水表面上接觸角的變化與固體分數(shù)相關，固體分數(shù)是結構元素上的液固接觸面積與表面總面積之比。然后，通過制造結構化表面來討論表面形貌對疏水性的影響。
二. 結構化表面的制造
1. 制造過程
具有表面形貌的功能表面的制造需要考慮生產效率以及結構質量。過程的功能要求是：
(1) 結構要素應為微尺度控制功能。
(2) 該結構應在足夠大的范圍內加工控制表面功能的實際應用。
(3) 結構化表面應以高生產率和低成本制造。
聚焦離子束濺射通常在微/納米級加工中有效。然而，在大面積上加工結構需要很長時間。然后，生產成本隨著生產時間的增加而增加。在本研究中，制造順序如圖1所示。1提出了提高生產率。微尺度結構在以下過程中加工：
(1) 通過聚焦離子束濺射在工具上制造微尺度結構。
(2) 然后，反向結構通過增量沖壓形成金屬板。
(3) 最后，通過塑料成型將板上的結構轉移到聚合物上。
雖然在第一個過程中，該結構在小于0.1平方的小面積內加工，但第二個過程在短時間內擴展了結構化區(qū)域。第三種方法與第一種方法相同的表面結構以高生產率轉移到塑料板上。
2. 結構化制造
微型結構在由碳化鎢制成的工具上加工，其通常用于車削刀具中。加工區(qū)域是通過磨削刀具來指定的，如圖所示。2（a）。通過聚焦離子束濺射對結構進行數(shù)值控制。圖2（b）示出了結構化工具的示例，其中在140m平方的面積中以60m的間距加工9個圓柱形微柱。直徑18米，高18米。加工結構化工具可減少粗加工和精加工過程中的制造時間。使用濃度為2.0×10^ 14離子/平方厘米的離子。濺射在14 nA的探針電流下進行8小時粗加工，然后在5.2 nA的探針電流下完成8.5小時的濺射。圖2（c）示出了用激光共聚焦顯微鏡測量的結構化工具的橫截面中的剖面圖。由于深度比要測量的最大深度深，所以不能在柱體周圍獲得特征信號。
3. 結構板制造
在金屬板上沖壓工具上的結構以形成相反的結構。 圖1所示的機器。 3（a）是為增量沖壓開發(fā)的。機器用步進電機控制三軸。X軸和Y軸以25nm的分辨率進行控制。Z軸的分辨率為2.5 nm。結構化工具安裝在上橫梁上。該結構在Z軸上重復機臺的垂直運動，如圖所示。3（b）。兩個壓電測力計安裝在工作臺下，以檢測結構化工具與工件的接觸，并控制沖壓負荷。結構區(qū)域由X軸和Y軸的運動控制。
圖4（a）示出了通過圖1所示的結構化工具以1.5mm正方形加工的鋁板上的結構。2.在結構化板的沖壓中，煤油用于減少工具與工件之間的摩擦。在12.5N的載荷下重復沖壓操作，其被確定為在與結構工具上的柱高度相同的深度上形成凹坑。雖然開發(fā)機器的加工時間不超過45分鐘，但是在較高性能的機器上沖壓速率將會提高。圖4（b）將板上形成的凹坑與結構化工具上的柱的情況進行比較，其中結構化工具的圖案被倒置顯示。結構化工具和板的平面是比較的參考。由于彈性恢復，凹坑深度的成形誤差或多或少為1 m，盡管材料行為應以數(shù)值方式進行分析，以獲得更精確的沖壓。盡管公差取決于結構設計的規(guī)范，但是如下所述，誤差小到可以忽略在液滴測試中的潤濕性。
4.塑膠成型
該結構在塑料模塑中轉移到聚乙烯板上。圖1所示的成型機。這里通常使用SEM觀察樣品5（a）。塑料成型在180℃，180kPa的壓力下進行40分鐘。應該控制脫模中的運動，以防止結構件的形狀變差。圖1所示的裝置。圖5（b）被開發(fā)成以直線運動從模具中釋放塑料板。在由支撐裝置夾緊的金屬板上模制塑料材料。然后，在釋放裝置上用螺絲運動將塑料板從金屬板上釋放出來。釋放裝置的內側作為運動指導。在操作中，成型時間受到成型機規(guī)格限制。傳統(tǒng)的注塑機可以顯著提高生產率。
圖6（a）示出了由圖1所示的結構化金屬板模制的聚乙烯板上的結構化表面。圖6（b）將塑料板上的支柱與金屬板上的凹坑的形狀進行比較。雖然應該對微尺度結構中的塑性流動進行進一步的討論，但是柱的結構與凹坑的相似。與圖中的誤差相比較。如圖4（b）所示，塑料成型中的誤差小于成形誤差。增量沖壓成形誤差是制造順序中的主要因素。
5.連續(xù)控制微尺度結構
作為該過程的優(yōu)點，通過改變結構化工具的移動間距來控制微尺度結構。圖7示出了具有運動控制的增量沖壓過程的示例。使用結構化工具在金屬板上加工不同的結構。然后將這些結構轉移到塑料板上。圖8（a）顯示了由8平方米的柱子組成的結構化工具的例子。如圖所示，微凹坑在金屬上加工，改變間距。圖8（b）。最后，圖中所示的微柱。圖8（c）轉移到塑料板上。
雖然已經將諸如化學蝕刻的其它方法應用于表面結構的加工，但是通過覆蓋在非加工區(qū)域上的掩模來唯一地確定結構。同時，本文提出的過程，通過逐步運動的數(shù)字運算來控制結構，只使用增量沖壓中的一個結構化工具。根據(jù)階段的分辨率，在指定的位置準確地形成凹坑。如果為所有結構制造結構化工具，制造時間將需要更多的工具成本。由于刀具更換時的夾緊誤差，結構的位置和方向的精度將會降低。具有圖1所示工具的工藝。7對于結構設計的精確沖壓和靈活性是有效的。
三. 潤濕性評估
1.疏水表面與表面形貌
圖9（a）示出了聚乙烯板的平坦表面上的水滴。潤濕性與液滴的接觸角，蒸汽-液體和液-固邊界之間的角度有關。疏水表面的接觸角大于90°，疏水性增加。眾所周知，接觸角取決于表面粗糙度。粗糙表面的接觸角大于疏水材料的平坦表面的接觸角。溫澤爾和卡西（Wenzel）和卡西（Cassie）提出了模型的表面結構（Wenzel，1936; Cassie和Baxter，1944）。根據(jù)Cassie的模型，液相由結構元素支撐，氣相滲透在液體彎液面之下，如圖1所示。9（b）。因此，結構化表面上的接觸角增加。在Cassie模型中，表觀接觸角由下式給出：
cosθrc=?scosθe+?s-1 (1)
其中是平面上的接觸角;是結構化表面的固體部分。聚乙烯板的接觸角為96°，如圖1所示。9（a）。固體分數(shù)是支柱上的液固接觸面積與總面積的比率。對于較大間距對齊的較小的支柱，估計較小的固體分數(shù)
2. 結構化表面上的疏水性
通過改變表面結構測量接觸角，并與Cassie模型進行比較。在這里8米長的立柱與改變柱子之間的距離是一致的。柱的高度被設計為10m，使得氣相存在于不接觸結構底部的液體彎月面之下。結構中方柱的固體分數(shù)為：
?s=(ad)2 (2)
其中a是方柱的一側的長度，d是柱的間距。
圖10示出了表面結構的實例，其中柱的間距為15μm和30μm，固體分數(shù)分別為0.28和0.07。圖11（a）示出了表觀接觸角與固體分數(shù)的變化，其中角度的方差小于平均值的5％。實線顯示了卡西的模型。（1），平面上的接觸角為96°。結構化表面上的表觀接觸角隨著固體分數(shù)的降低而增加。測量的接觸角的變化幾乎與Cassie的模型一致。然而，在高固體分數(shù)下觀察到來自Cassie模型的測量的接觸角的差異。Cassie的模型討論了各向同性固體接觸的接觸角的變化，這不取決于柱的形狀和對準。同時，測試結構由矩形柱組成。因此，支柱的側面和對角線長度不同。然后，支柱之間的柱與對角方向之間的距離在支柱的正交陣列中也不同。該誤差由形狀的各向異性和柱的對準引起。當固體接觸隨著固體部分增加時，各向異性對潤濕性的影響增加。圖11（b）將水滴放在表面上的結構化和平坦區(qū)域上。接觸角在結構化表面上的固體分數(shù)為0.07的大于150°，其中柱以30m的間距排列。圖11（b）證明了在本文所述工藝中加工的微尺度結構的表面上不同的潤濕性功能共存。
四. 結論
本文以高生產率提出了具有微尺度結構的功能表面的制造順序。微型結構在三個過程中制造。首先，通過FIB濺射在工具上制造微尺度結構。然后，通過增量沖壓在金屬板上形成相反的結構。該結構通過模制最終轉移到塑料板上。第一個過程定義了微觀結構元素的形狀和對齊。第二個過程擴展了結構化區(qū)域。最后一個過程會影響生產率。因此，表面結構以大的生產率大面積地加工。作為該過程的主要優(yōu)點，通過改變結構化工具的移動間距來控制表面結構中柱之間的距離。在可控性方面，該方法在功能表面的制造精度和靈活性方面是有效的。
微觀結構控制表面的潤濕性。疏水性通常與固體成分相關，液-固界面面積與總面積的比值。由于制造過程以數(shù)字方式控制柱的形狀和對準，所以通過改變結構中柱的間距來測量接觸角。將接觸角的變化與Cassie的模型進行了比較。 柱子的較大間距促進了較高的疏水性，如Cassie的模型。最后，在一個特定的區(qū)域中加工了超疏水表面。由于在不改變材料的情況下進行處理，表面結構容易控制表面功能。
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