石廣豐，張計(jì)鋒，史國(guó)權(quán)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

金剛石印壓微孔成形工藝的仿真與試驗(yàn)研究

石廣豐，張計(jì)鋒，史國(guó)權(quán)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

提出了一種采用金剛石壓頭尖端的微尺度作用及下壓量的精密控制實(shí)現(xiàn)金屬銅片底部的大深徑比微孔印壓成形加工的方法，在工業(yè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。針成形過(guò)程的復(fù)雜性，采用DEFORM3D有限元仿真技術(shù)從被壓銅片的約束形式、基底效應(yīng)和金剛石壓頭下壓工藝參數(shù)入手對(duì)印壓成形過(guò)程中材料內(nèi)部的塑性流動(dòng)規(guī)律和成孔形態(tài)進(jìn)行了分析，從材料流向、應(yīng)力分布和加載曲線三個(gè)方面對(duì)成孔過(guò)程進(jìn)行了研究。最后通過(guò)納米印壓成孔裝置搭建和不同基底材料的印壓成孔實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用金剛石壓頭印壓附有硬基底效應(yīng)的金屬銅片時(shí)可以實(shí)現(xiàn)底部的微孔成形加工。進(jìn)而完善了加工工藝，為后續(xù)加工實(shí)驗(yàn)以及深入研究奠定了基礎(chǔ)。

金剛石；納米印壓；微孔；成形；仿真；試驗(yàn)

0 引言

隨著微孔類零件在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，對(duì)微小孔加工的質(zhì)量要求越來(lái)越高，這無(wú)疑給精密微孔的加工帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1,2]。目前，超大深徑比微孔加工至今還是制造行業(yè)的難題[3,4]。為了解決精密微孔加工的技術(shù)難題，人們?cè)诓粩喔倪M(jìn)傳統(tǒng)加工方法的同時(shí)，也在不斷探索新的加工方法。

在汽車油箱生產(chǎn)線上的超聲波測(cè)漏儀標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，需要一種標(biāo)定樣件上，該標(biāo)定樣件中心為一個(gè)微孔，即為10×10×0.5mm的金屬薄片（不銹鋼、銅等）中心處存在≤5μM的微孔。目前國(guó)外采用超快激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是國(guó)內(nèi)受限于激光加工工藝和技術(shù)的發(fā)展尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的需求受制于國(guó)外進(jìn)口限制，成本高、供應(yīng)慢，急需自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種利用金剛石壓頭尖端的微尺度作用對(duì)金屬薄片進(jìn)行納米印壓成形及壓透成孔的創(chuàng)新性方法[5]，可以實(shí)現(xiàn)金屬薄片上大深徑比的單側(cè)超微孔成形。該技術(shù)的研究包括成孔機(jī)理分析、工藝優(yōu)化、金剛石刃口的刃磨技術(shù)、加工裝置研制和原位監(jiān)控技術(shù)等方面。針對(duì)現(xiàn)有研究階段，本文在DEFOEM 3D有限元仿真環(huán)境下研究采用金剛石圓錐壓頭納米印壓銅片進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底部微孔成形的相關(guān)工藝和材料內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)驗(yàn)證，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，也可為同類技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 壓入成孔過(guò)程的有限元建模

利用CATIA軟件建立工件及圓錐壓頭的幾何模型，把文件保存成STL格式再導(dǎo)入DEFORM 3D中，如圖1和圖2。金剛石壓頭位于銅片中間位置且垂直于銅片，并設(shè)置向下下壓運(yùn)動(dòng)位移。金剛石壓頭定義為剛體，錐角為60°，鈍圓半徑為2μm；銅片材料選為C10100（純銅），尺寸為4×4×0.5mm，定義為彈塑體。選取四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了便于分析和計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，銅片受壓部分細(xì)分網(wǎng)格。求解步數(shù)設(shè)置為200步，步長(zhǎng)為最小單元邊長(zhǎng)的1/3，即步長(zhǎng)為0.003mm。

圖1 三維實(shí)體模型

圖2 壓入成孔過(guò)程的有限元求解模型

2 壓入成孔過(guò)程的有限元仿真分析

2.1 不同約束形式下銅片的成孔規(guī)律分析

為了研究不同約束形式對(duì)銅片成孔的影響，分別對(duì)銅片施加側(cè)向（銅片四側(cè)面）全固定約束和底部（銅片底面）全固定約束分別進(jìn)行模擬仿真。仿真求解后，隱藏金剛石刀具模型，將銅片成孔軸對(duì)稱剖分，得到不同約束形式對(duì)金屬側(cè)向塑流規(guī)律的影響如圖3所示。

圖3 不同約束形式對(duì)金屬側(cè)向塑流規(guī)律的影響

圖4 不同約束形式造成的銅片底部成孔形態(tài)

如圖3(a)所示，隨著金剛石壓頭向下壓入銅片，金屬材料會(huì)發(fā)生側(cè)向流動(dòng)。在金剛石壓頭大約壓到銅片中間部位時(shí)，側(cè)向全固定約束缺乏底部支撐會(huì)導(dǎo)致銅片內(nèi)部材料側(cè)向塑流的底部流向阻力變小。根據(jù)最小能量原理，隨著金剛石壓頭的不斷深入，銅片內(nèi)部材料開(kāi)始產(chǎn)生向下分流，即底部材料開(kāi)始向下流動(dòng)，銅片底面開(kāi)始產(chǎn)生凸起。受銅片材料一定塑性延伸率的影響，即使刀尖壓過(guò)原始底面位置一定程度，凸起逐漸變大但底部依然不能成孔。然而，底部全固定約束時(shí)銅片內(nèi)部材料基本以側(cè)向流動(dòng)為主，基本沒(méi)有向下分流及底部凸起現(xiàn)象產(chǎn)生，最終通過(guò)金剛石壓頭錐角及刀尖鈍圓的擠壓產(chǎn)生作用而在銅片底部撕開(kāi)成孔，如圖3(b)所示。不同約束形式所產(chǎn)生的金屬底部成孔形態(tài)如圖4所示，和圖3中的內(nèi)部材料塑流規(guī)律相對(duì)應(yīng)。可見(jiàn)，底部全固定約束比側(cè)向全固定約束更利于銅片內(nèi)部材料發(fā)生側(cè)向塑流而再底部成孔，而且銅片成孔質(zhì)量更好。

2.2 不同基底效應(yīng)下銅片的成孔規(guī)律分析

考慮到實(shí)際加工工藝需要，通過(guò)以上分析可知，在銅片底部施加不同材料的基底作用可以等效成不同的約束形式進(jìn)而對(duì)銅片印壓成孔規(guī)律和成孔質(zhì)量進(jìn)行作業(yè)。為了模擬分析真實(shí)條件下不同基底材料類型對(duì)銅片成孔的影響，下面分別選擇相同尺寸規(guī)格（4×4×1mm）的軟基底和硬基底進(jìn)行模擬仿真。在軟件材料庫(kù)中，軟基底材料選擇鋁AL-1100，硬基底材料選擇玻璃GLASS。基底位于銅片下邊，兩者間的剪切摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。

通過(guò)求解，可以得到不同基底效應(yīng)下銅片內(nèi)部的塑性流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律如圖5所示，和圖3的作用規(guī)律基本相同。鋁基底材料對(duì)銅片底部向下塑流具有一定阻礙作用，但是當(dāng)壓頭下壓深度達(dá)到一定程度還是可以成孔的，但是成孔質(zhì)量不佳（圖6(a)），而且銅片底部凸起的高度和面積較大。玻璃硬基底的作用卻可以很好地使印壓銅片內(nèi)部材料發(fā)生側(cè)向塑流，成孔質(zhì)量較好(圖6(b))，底部凸起較小，和理想銅片底部全部固定約束的工況現(xiàn)象基本相同（圖3(b)）。通過(guò)對(duì)比分析可知，玻璃基底相對(duì)于被壓銅片來(lái)講具有軟膜硬基底效應(yīng)[6]，比鋁基底更利于金屬材料側(cè)向塑流而成孔，且銅片成孔質(zhì)量更好。此外，考慮到實(shí)際制造過(guò)程中可采用原位CCD在線監(jiān)控的方法，透過(guò)透明玻璃基底觀察銅片底部凸起的大小和擴(kuò)展情況來(lái)判斷成孔過(guò)程，因此玻璃基底可以選為后續(xù)印壓銅片成孔研究的基底材料。

圖5 不同基底效應(yīng)下銅片內(nèi)部材料的塑性流動(dòng)情況

圖6 不同基底效應(yīng)下銅片底部的成孔形態(tài)

2.3 不同基底效應(yīng)下銅片成孔過(guò)程中的應(yīng)力分析

下面從下壓過(guò)程中銅片內(nèi)部應(yīng)力變化情況的角度進(jìn)一步分析上面的現(xiàn)象。如圖7所示，借助于軟件的后處理功能，通過(guò)不同基底效應(yīng)下銅片的等效應(yīng)力分布情況分析可知：金剛石壓頭下壓銅片過(guò)程中，應(yīng)力分布主要集中在銅片中間區(qū)域且應(yīng)力越來(lái)越大。金剛石刀具剛壓入進(jìn)銅片時(shí)，銅片底部還沒(méi)有顯示出明顯的應(yīng)力作用，但隨著金剛石壓頭的下壓，銅片底部產(chǎn)生了應(yīng)力作用。但在不同基底的作用下，即使在金剛石壓頭下壓量相同位置處，銅片底部成孔位置所受的應(yīng)力大小卻并不相同。玻璃基底效應(yīng)下銅片底部成孔位置處所受的應(yīng)力比較大。在鋁基底作用下，金剛石壓頭下壓位移量為0.207mm時(shí)，銅片底部成孔位置點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力。在玻璃基底作用下，金剛石壓頭下壓位移量為0.228mm時(shí)，銅片底部成孔位置點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力。據(jù)此可以在加工過(guò)程中通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變的變化監(jiān)控來(lái)預(yù)判和識(shí)別成孔的臨界信號(hào)。

圖7 不同基底效應(yīng)下銅片內(nèi)部的等效應(yīng)力分布

圖8 不同基底效應(yīng)下銅片底部的等效應(yīng)力分布

圖8為不同基底效應(yīng)下銅片底部開(kāi)始成孔時(shí)銅片底部的等效應(yīng)力分布。從中可以看出，在微孔形成時(shí)，在銅片底部將形成一個(gè)由中心向周圍擴(kuò)展的應(yīng)力分布環(huán)，而不同基底的作用下應(yīng)力環(huán)大小不同，這和前面的凸起特征是相對(duì)應(yīng)的。

2.4 不同基底效應(yīng)下壓頭的載荷-行程曲線

為了后續(xù)加工工藝研究需要，這里對(duì)壓頭的載荷以及位移情況進(jìn)行分析。圖9為不同基底效應(yīng)下壓頭的載荷-行程曲線圖，不同工況下，銅片成孔時(shí)壓頭的位移及載荷力不同。理想底部全約束工況下銅片最先成孔，成孔所需載荷力199N為最小，此時(shí)壓頭位移為0.525mm；然后是玻璃基底，玻璃基底效應(yīng)下成孔所需載荷力為203N，此時(shí)壓頭位移為0.537mm；最后是鋁基底，鋁基底效應(yīng)下成孔所需載荷力為230N，此時(shí)壓頭位移為0.585mm。

從圖9中還可以看出，三條載荷行程曲線開(kāi)始階段趨于一致，到最后逐漸分離。這是由于金剛石壓頭剛開(kāi)始?jí)喝脬~片時(shí)，基底效應(yīng)或約束形式還沒(méi)有起到作用；隨著壓頭的持續(xù)下壓，基底效應(yīng)或約束形式開(kāi)始產(chǎn)生作用。不同的基底效應(yīng)對(duì)銅片成孔的作用不同，所以載荷力開(kāi)始變得不同。以上工藝仿真分析為更好地理解金剛石壓頭印壓成孔過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。

圖9 不同基底效應(yīng)下壓頭的載荷-行程曲線圖

3 壓入成孔試驗(yàn)分析

3.1 壓孔試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置如圖10所示，此裝置以光柵刻劃?rùn)C(jī)床為基礎(chǔ)平臺(tái)，采用立式的布局形式。工作臺(tái)的作用是連接各個(gè)傳感器，并且能夠支撐玻璃基底，使其在壓頭的壓力作用下保持其剛度。試驗(yàn)臺(tái)基座與光柵刻劃?rùn)C(jī)床的大理石基座通過(guò)螺釘連接。力傳感器通過(guò)螺釘連接在試驗(yàn)臺(tái)底板上面，為了增加力傳感器的穩(wěn)定性，在力傳感器四周加上固定裝置。工作臺(tái)底座通過(guò)螺釘連接在力傳感器上邊，高清視頻顯微鏡通過(guò)膠接水平連接在工作臺(tái)左側(cè)，與光學(xué)玻璃成45°夾角，其鏡頭焦點(diǎn)位于能檢測(cè)到金屬片被壓成孔的區(qū)域，透明玻璃硬質(zhì)襯底通過(guò)形位配合連接在工作臺(tái)基座上邊，金屬片放置在透明玻璃硬質(zhì)襯底上，聲發(fā)射傳感器位于基底上金屬片一側(cè)。

圖10 金剛石納米印壓成孔裝置

本裝置的試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）將銅片放在玻璃基底的正中央，然后將玻璃基底放在實(shí)驗(yàn)載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)金剛石壓頭X、Y方向的位置，使銅片的中心位置與金剛石壓頭對(duì)正。

2）打開(kāi)顯微鏡，同時(shí)觀察計(jì)算機(jī)中的成像，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距，把顯微鏡調(diào)節(jié)到可清晰觀察到銅片底部材料現(xiàn)象的位置（因?yàn)殇X基底不透明，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)銅片底部的在線監(jiān)控，所以鋁做基底時(shí)顯微鏡不需調(diào)節(jié)）。

3）調(diào)整Z向粗調(diào)橫梁支架，當(dāng)金剛石壓頭接近被測(cè)試件表面時(shí)，鎖緊橫梁支架。

4）驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)使金剛石壓頭下壓金屬銅片，同時(shí)觀察計(jì)算機(jī)中的成像，當(dāng)計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)金剛石刀尖時(shí)，立即停止直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

5）驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，完成金剛石壓頭的抬刀運(yùn)動(dòng)，取出銅片，完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中所用到的金剛石壓頭為金剛石圓錐壓頭，如圖11所示。壓頭材料為多晶金剛石，金剛石壓頭的錐角為85°，鈍圓半徑為9.46μm，其檢測(cè)圖片如圖12所示。銅片材料為純銅，其規(guī)格為10×10×0.5mm。基底材料分別為硬質(zhì)玻璃和鋁，其規(guī)格都為10×10×1cm，其試樣如圖13所示。

圖11 金剛石圓錐壓頭

圖12 壓頭鈍圓半徑的檢測(cè)圖片

圖13 兩種不同基底的試樣

3.2 不同基底效應(yīng)下壓孔試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)銅片進(jìn)行了不同基底情況下的印壓，得到了多組印壓后的銅片試樣。實(shí)驗(yàn)后將多組印壓后的銅片用JSM-6510LA電子顯微鏡進(jìn)行了檢測(cè)，得到一系列檢測(cè)后的銅片，下面將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖14為不同基底效應(yīng)下銅片的上表面，圖15為不同基底效應(yīng)下銅片下表面。由圖14可以得出，在玻璃基底下，銅片孔形比較規(guī)則、圓整，而在鋁基底下，銅片成孔不規(guī)則，發(fā)生撕裂。由圖15可得，在玻璃基底下，銅片底部凸出現(xiàn)象很小，幾乎沒(méi)有，而在鋁做為基底時(shí)，銅片底部會(huì)凸出很大一部分。

圖14 電鏡掃描的不同基底效應(yīng)的銅片上表面

圖15 電鏡掃描的不同基底效應(yīng)的銅片下表面

4 結(jié)論

利用金剛石壓頭刀尖鈍圓的微尺度作用對(duì)金屬薄片進(jìn)行印壓成形的過(guò)程中，采用玻璃為硬基底作用時(shí)更有利于銅片底部成孔，成孔質(zhì)量好，底部凸起小。同時(shí)玻璃基底的透明性也可以作為印壓成孔過(guò)程中銅片底部塑性流動(dòng)特征原位監(jiān)控的主要依據(jù)。通過(guò)金剛石壓頭對(duì)下壓銅片內(nèi)部過(guò)程中對(duì)下壓深度的敏感性精確控制可以實(shí)現(xiàn)銅片底部的特定孔徑和孔形的微孔加工。以上研究為單側(cè)超微孔成形技術(shù)的后續(xù)工作奠定了工藝分析基礎(chǔ)。

[1] 唐英,崔華勝,崔詠琴,等.微小孔加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[ J].新技術(shù)新工藝,2007,2:1-2.

[2] 應(yīng)人龍,曾莉群,顧大強(qiáng).微小孔加工技術(shù)綜述[J].機(jī)床與液壓.2008,36(6):144-147.

[3] S. Barman, Naga Hanumaiah, A. B. Puri. Investigation on shape, size, surface quality and elemental characterization of highaspect-ratio blind micro holes in die sinking micro EDM[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015,76(1):115-126.

[4] Bo Xia,Lan Jiang,Xiaowei Li, Xueliang Yan,Weiwei Zhao, Yon gfeng Lu. High aspect ratio, high-quality microholes in PMMA: a comparison between femtosecond laser drilling in air and in vacuum[J].Applied Physics A.2015,119(1):61-68.

[5] 石廣豐,史國(guó)權(quán),紀(jì)娜娜,蔡洪彬,劉靜.一種金屬薄片的納米印壓成形及壓透成孔的方法[P].201410747276.6中國(guó),發(fā)明專利.

[6] 石廣豐,史國(guó)權(quán),徐志偉,等.中階梯光柵鋁膜的大壓深納米壓痕實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012.40(20):39-43.

Simulation research of micro-hole forming process by diamond indentation

SHI Guang-feng, ZHANG Ji-feng, SHI Guo-quan

TH164

：A

1009-0134(2017)03-0106-06

2016-12-26

吉林省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目（20150204059GX；20170101124JC）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術(shù)的研究。