（机械设计及理论专业论文）高精度微腔模具的研究及其在喷丝板加工中的应用.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：街t 刀军 日期：舢年弓月 e l 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密日，在j l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：，可千君手 日期游护g 日 指导教师签名： 砷瓣 日期：“年；刖旧 东华大学硕士学位论文 摘要 高精度微腔模具的研究及其在喷丝板加工中的应用 摘要 异形截面法是差别化纤维技术中主要方法之一，它通过改变喷丝板微孔形状 来实现。喷丝板微孔加工有针冲压、线切割法、电极加工法及激光加工法等。本 课题研究了整体银电极加工法。 首先进行了银电极挤压装置的设计，确定了凸、凹模的结构尺寸，模架的结 构，压机的选型及坯料的规格。 在电极挤压模腔设计中，首先对纯银特性进行分析，然后使用d e f o r m - 3 d 软件进行了银电极挤出过程的数值模拟，分析了摩擦对挤压力、应力分布的影响 及凸模尺寸对材料流动特性的影响，为模腔的结构设计提供了理论依据。 在三角形纤维的开发中，通过喷丝板设计理论，对三角丝微孔进行了设计。 在此基础上，研究了电极放电理论，并进行反复实验，确定了国产电火花加工设 备的放电间隙，设计出了合理的三叶微腔模具结构及尺寸。 已见报道并进行工业化生产的多中空纤维通常少于11 中空，本课题在三角 形纤维开发成功的基础上，进行了1 7 中空纤维的开发。多中空开发通常采用单 元拼装电极，由于拉制的铜电极在尺寸规格及精度上受加工方法的限制无法满足 生产的需要。通过总结以往的方案，一方面从单元电极拼装方式上分析了纤维成 孔的主要影响因素，确定合理的孔型排布方案；另一方面应用熔体流变学理论进 行分析计算，设计了c 型和马蹄形单元电极两种方案，并进行了大量的实验， 最终确定马蹄形电极模具微腔的结构及尺寸。并讨论了在纤维开发，模具及喷丝 板加工过程中所遇到的问题及解决方案。 最后，在自行设计的国产挤压装置上压制了所设计的银电极，加工了工业化 生产用喷丝板，并摸索出了一套完整的高精度整体电极制作及微孔加工工艺。通 过实际现场纺丝，生产出了2 d t e x 三角形纤维及1 5 d t e x1 7 中空三维卷曲纤维， 各项质量指标测试均达到生产要求。 关键词：喷丝板、微腔模具、d e f o r m3 d 、数值模拟、差别化纤维、电极 东华大学硕士学位论文 、 a b s t r a c t s t u d yo nh i g h p r e c i s i o nm i c r o c a v i t y d i e sa n di t sa p p l i c a t i o ni nm a n u f a c t u r i n gs p i n n e r e t s a b s t r a c t t h es p e c i a l - s h a p e ds e c t i o nf i b e ri so n eo ft h em a i nd i f f e r e n t i a l f i b e r s i tc a nb er e a l i z e db yc h a n g i n gt h ef o r mo fs p i n n e r e tm i c r o h o l e s w h i c hc a nb em a n u f a c t u r e db yn e e d l ep u n c h i n g ，e l e c t r i cd i s c h a r g e m a c h i n i n g ，e l e c t r o d ep r o c e s s i n g , l a s e rp r o c e s s i n g , e t c t h eo n es t e p p r o c e s s i n gs i l v e re l e c t r o d em e t h o d w a sr e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i r s t , t h ee x t r u s i o nd e v i c eo ft h es i l v e re l e c t r o d ew a sd e s i g n e d t h e s t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no fm a t r i xa n dp u n c h , t h es t r u c t u r eo fd i e h o l d e r , t h es p e c i f i c a t i o no fp u n c ha n dt h es i z eo ft h eb i l l e tw e r ec o n f n - m e d d u r i n gt h ed e s i g no f e x t r u s i o nd i e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp u r es i l v e r w a sa n a l y z e da tf i r s ta n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yd e f o r m 一3 d s o f t w a r ew a sc a r r i e do l lt oa n a l y z et h ee f f e c to ff r i c t i o nt op u n c hf o r c e a n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ff l o wc h a r a c t e r i s t i cb yt h e d i m e n s i o no f p u n c h d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h et r i a n g u l a rf i b e r , t h em i c r o h o l eo ft h e t r i a n g u l a rf i b e rw a sd e s i g n e do nt h es p i n n e r e td e s i g nt h e o r y b a s e do ni t ， t h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no ft h r e e l e a fm i c r o c a v i t yd i e sw e r eg o t r a t i o n a l l y t h ed i s c h a r g i n g i n t e r v a l o fd o m e s t i ce l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n ew a sd e t e r m i n e do nt h ed i s c h a r g et h e o r ya n dag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t s 东华大学硕士学位论文 、 a b s t r a c t m o r et h a n1 1 - h o l eh o l l o wf i b e l h a ss e l d o mb e e ni n d u s t r i a l i z e d b a s e do nt h et r i a n g u l a rf i b e rd i e s ，17 一h o l eh o l l o wf i b e rd i e sw e r e d e v e l o p e d m u l t i - h o l l o wf i b e rs p i n n e r e t sw e r eu s u a l l ym a n u f a c t u r e db y t h ea s s e m b l ye l e c t r o d ea n di ti sh a r dt om e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fs i z ea n dp r e c i s i o no fd r a w nc o p p e re l e c t r o d e o nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，m a i nf a c t o r so ft h eh o l ef o r m a t i o ni nf i b e r w e r ea n a l y z e do i lt h es t y l eo fu n i te l e c t r o d ea s s e m b l i n g t h ec s h a p e d e l e c t r o d ea n dh o r s e h o o fe l e c t r o d ew e r ed e s i g n e do nt h em e l t i n gt h e o l o g y t h e o r y t h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no fm i c r o c a v i t yd i e sw e r ee n s u r e db y al o to fe x p e r i m e n t s s o l u t i o n sf o rp r o b l e m sm e ti nd i e sd e v e l o p i n g , s p i n n e r e t sp r o c e s s i n ga n d t h es p i n n i n gw e r ep r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , t h e s i l v e re l e c t r o d e sw e r ee x t r u d e d b y t h ed o m e s t i c e x t r u s i o nd e v i c e t h es p i n n e r e t sw e r em a n u f a c t u r e da n das e r i e so fh i g h a c c u r a c yo n e - s t e ps i l v e re l e c t r o d et e c h n o l o g ya n dm i c r o h o l ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yw e r eg o t t h r o u g ho n t h e s p o ts p i n n i n g ，2 d t e xt r i a n g u l a rf i b e r a n d15 d t e x17 - h o l eh o l l o wt h r e e d i m e n s i o nc r i m pf i b e rw e r ep r o d u c e d w h i c hm e tt h er e q u e s to fq u a l i t y h 曼s 丛g 迪( m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y ) k e yw o r d s ：s p i n n e r e t ，m i c r o c a v i t y ，d e f o r m3 d ，n u m e r i c a l si m u l a t i o n ，d i f f e r e n t i a lf i b e r s ，s i l v e re l e c t r o d e 东华大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b a s t r a c t i i 目录i y 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 课题研究内容2 第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用4 2 1 喷丝板的作用与加工4 2 2 微腔模具挤压设备的设计与选用6 2 2 1 冷挤压模具介绍6 2 2 2 冷挤压模具模架方案设计6 2 2 3 挤压力的计算及设备的选用1 0 2 2 4 冷挤压模具材料的选择1 4 2 2 5 冲头的选用及银粒子规格的确定1 5 第三章挤压塑性成型理论及微腔挤出过程的数值模拟1 8 3 1 挤压理论的发展过程及有限元软件介绍1 8 3 1 1 挤压理论的发展过程1 8 3 1 2d e f o r m 有限元软件介绍1 9 3 2 刚塑性有限元法介绍2 0 3 2 1 刚塑性材料的基本假设2 0 3 2 2 刚塑性力学基本方程2 0 3 3 有限元法求解的基本流程2 2 3 4 微腔模具挤压过程的数值模拟2 3 3 4 1 材料特性2 3 3 4 2 几何建模2 4 3 4 3 模拟参数的输入2 7 3 4 4 模拟结果及分析2 7 东华大学硕士学位论文 目录 第四章微腔模具应用之三角形纤维模具的开发3 3 4 1 三角形纤维的用途3 3 4 2 三角形纤维用喷丝板孔型的设计、加工3 3 4 2 1 喷丝板设计的一般过程3 3 4 2 2 三角形纤维喷丝板的设计3 5 4 3 三叶形喷丝板微孔电极模具的开发3 7 4 3 1 电极尺寸的确定3 7 4 3 2 模腔尺寸的确定3 9 4 4 三叶形模具加工及缺陷分析4 1 4 4 1 三叶形模具加工工艺4 1 4 4 2 三叶形模具加工缺陷及分析4 2 4 5 三角形纤维的工业化生产4 5 4 5 1 模具加工4 5 4 5 2 喷丝板加工4 6 4 5 3 实际纺丝情况4 8 第五章微腔模具应用之二1 7 中空纤维模具的开发5 1 5 1 中空纤维的介绍5 1 5 2 中空纤维用喷丝板结构及加工方法的介绍5 1 5 3 对多中空纤维研究的进展5 2 5 3 1 采用三角或正方形单元纺制中空纤维5 3 5 3 2 圆形和矩形组合方案5 3 5 3 3 圆弧形单元方案5 4 5 3 4 单一圆环结构方案5 4 5 3 5c 字形纤维的理论计算5 5 5 4c 字形模具的开发5 7 5 4 1 孔型的选择5 7 5 4 2 o 6 矽0 4 4 孔径的c 字形电极模具的开发5 7 5 4 3 马蹄形形电极模具的开发5 9 5 5 11 7 中空电极加工模具制作中出现的问题6 2 v 东华大学硕士学位论文 目录 5 5 2 喷丝板加工工艺6 2 5 61 7 中空喷丝板及工业化生产6 3 5 6 1 喷丝板加工6 3 5 6 2 实际纺丝6 3 第六章总结及展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 攻读硕士学位期间发表论文7 1 、 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 中国化纤工业经过几十年的快速发展，已经成长为国民经济的重要支柱产业 之一。1 9 9 8 年以后，中国化纤产量就一直位居世界前列，中国已成为世界最主 要的化纤生产国之一。但我国合纤的差别化率还比较低【l 】。 差别化纤维具有许多优良的性能，良好的市场前景，现在，异形纤维、中空 纤维及中空异形纤维已经得到广泛应用，许多国家都有定型产品，在市场上出售 的有三角形、三叶形、五角形、t 形、c 形、h 形、十字型、扁平形、中空形以 及中空异形等。 我国在六十年代至七十年代间曾进口异形喷丝板试纺过锦纶异形丝，有y 形、五角形、八角中空形等取得了初步的成就。但目前我国合纤产品的差别化率 仅2 0 ，远低于发达国家的4 0 - 5 0 。国家近l o 年来都将差别化纤维作为科技 攻关及发展的项目。现在我们虽然能够生产异形丝纤维和各种异形喷丝板，但无 论其水平还是数量都与日、美、欧等国存在很大差距，可以说，纤维差别化是制 约我们从化纤大国向化纤强国发展的关键技术因素【2 l 。 差别化纤维技术有许多种，其中异形截面是目前最常见的一种，它主要通过 改变喷丝板微孔形状来实现。喷丝板上微孔的加工质量是保证纤维成品质量和良 好纺丝工艺的重要条件，对纺丝成形有重要影响f 3 】f 4 】。目前喷丝板微孔加工广泛 采用的是e d m ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 即电火花方式进行加工。电火 花法中各种微小异形电极的制作是一个关键问题，在以前的生产方式中，主要是 应用铜电极，而铜电极多采用拉制而成，由于加工方法的限制，电极的尺寸及精 度有一定局限，难以加工出高质量的异形喷丝板微孔。银由于本身的优良放电特 性及塑性加工性，可采用模具挤压方式来加工微小电极。其电极的尺寸精度高、 一致性好，可加工出的异形喷丝板微孔质量高、品种多，已成为加工差别化纤维 喷丝板微孔的重要手段。 国外广泛采用银电极的加工，国内一般采用铜电极加工。也有厂家采用全套 进口整体银电极的加工设备及工艺。这种状况严重制约了我国差别化纤维的发 展，整体银电极的加工设备及工艺的开发已成为我国差别化纤维产品开发的重要 东华大学硕士学位论文第一章绪论 课题。 本课题研究目标为开发出整体银电极的全套挤出装置及设备，实现银电极加 工的国产化生产。课题目标的实现可促进喷丝板多样化加工，便于开发化纤新品 种，提高国内化纤差别化产品生产水平。使许多异形孔可一次成形，如三角形， 三叶形，五叶形，十字形嘲等，如图1 1 所示： 凤凤丛丛 次及热串 5 牛冰 图l - l 异形孔孔形不慈图 1 2 课题研究内容 本课题参考国外现有模架结构及国内模架的设计标准，开发、制作适合银电 极挤压的挤压模全套设备。包括凸凹模的设计、加工；模架的设计、加工；压机 的选用等；在理论研究上，采用d e f o r m3 d 软件进行挤压过程的数值模拟，得出 挤压过程中速度场、应力场的变化，分析挤压成型过程中的影响因素，优化模具 设计。 本课题将配合三角形纤维的喷丝板开发，设计、加工出相应的模具，挤压出 电极，在国产电火花机床上进行加工，研究出了一套完整的加工工艺路线。并结 合细旦异形纤维开发项目进行了工业化生产。 在三叶形纤维工业化生产的基础上，结合粗旦多中空三维卷曲涤纶短纤维项 目，自主设计、开发1 7 中空纤维，设计、加工出相应的模具，挤压出电极，与 喷丝板加工厂家及化纤厂联合开发出1 7 中空纤维。 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 对于多中空纤维市场上见的较多的是四、七、九中空纤维；1 l 中空以上的 纤维未见报道。因此本次开发的1 7 中空纤维及其制造方法形成粗旦多中空生产 自主知识产权。 3 l t 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 2 1 喷丝板的作用与加工 熔融纺丝方法是目前最主要的纺丝方法，其工艺路线如图2 - 1 ： 图2 - 1 熔融纺丝时的工作情况示意图 1 料斗2 螺杆挤压机3 一纺丝箱 4 一齿轮计量泵5 一喷丝组件6 纺丝套筒7 一导丝盘8 一丝筒 图2 1 是熔融法纺丝时的工作情况，合成纤维原料切片从料斗1 喂入到螺 杆挤压机2 中，挤压机的螺杆周围是由电阻丝加热，在温度高于原料切片的熔 点的情况下，使原料切片熔化为流动性的熔体。然后，借螺杆的挤压力将熔体 输送到纺丝机项部的纺丝箱3 ，而后通过齿轮计量泵4 ，把熔体压入喷丝组件5 ， 在喷丝板底部有很多喷丝细孔，熔体从细孔中不断受压喷出。在套筒6 中遇到 流动的空气凝成纤维丝束，最后经上、下导丝盘7 ，均匀地卷绕在丝筒8 上。 喷丝板安装在纺丝机吹风窗的上面，它的功用就是将精确计量过的纺丝溶 液，通过喷丝板上微孔喷出，从而形成特定形状、特定细度的纤维束。它的制 造质量是保证纤维成品质量和良好纺丝工艺的重要条件，其加工质量对纺丝成 形有重要影响。 目前喷丝板微孔加工有冲孔、电极打孔和激光打孔三种方式，在通常工艺 中，圆形孔是用冲或钻的方法成孔的，冲孔加工精度较高，目前技术已经相当 成熟，它的加工精度可控制在l , t u n 范围内；对于复杂几何形状的喷丝孔，是用 4 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 腐蚀的数控线切割法或电火花腐蚀法 6 1 。 目前国外生产喷丝板的厂家有，德国恩卡，韩国o a eh a np r e c i s i o nc o l t d 等公司，表2 - 1 ，表2 - 2 是世界知名的喷丝板厂d a e t a np r e c i s i o nc o l t d m 目前所能达到的精度。 表2 - 1圆形截面喷丝板微孔加工技术指标 公差 微孔的范围 微孔直径o ( m m ) 微孔长l ( m m ) 微孔直径长径比 特殊标准 特殊标准 o ( m m ) l d 0 1 - o - 31 1 1 3 1 o 0 0 i0 0 0 2o d i0 0 2 0 3 旬5 1 1 4 lo 0 0 10 0 0 3o 0 lo 0 2 o 5 旬81 ，1 1 0 仃0 0 0 20 0 0 3 o 0 2o 0 3 0 8 1 1 ：01 1 2 0 l0 0 0 20 0 0 5 o j 0 20 7 0 3 表2 2异形截面喷丝板微孔加工技术指标 微孔的范围公差 叶宽w ( m m ) 微孔长1 4 m m ) 叶宽长宽比特殊标准 特殊标准 w ( m m ) 删 0 0 5 0 11 1 刎l 0 0 0 10 0 0 3o 0 l0 0 3 o 1 旬5 1 1 5 1o 0 0 20 0 0 40 0 1 5 0 0 3 从表中可以看出，目前对于圆形孔国外可以生产出最小直径为 0 t 士o 0 0 1 m m ，长径比可达3 ：1 的微孔，对于异形孔可生产出最小叶宽为 o 0 5 ：e o 0 0 1 m m ，长宽比为4 ：1 的异形孔，加工水平较高，但价格也比较贵，交 货周期较长。 德国恩卡公司是目前唯一一家采用激光打孔的喷丝板生产厂，由于设备价 格高，导致孔型成本高。 国内目前通常采用拉制的铜电极或铜钨合金加工异形喷丝板微孔，虽然铜 5 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 电极成本较低，但由于电极制作的局限性，这两种方法可加工微孔的种类较少。 现在我国虽然已经从国外成套引进微腔模具的加工设备及工艺，已用于对异形 板进行加工，但进口设备价格昂贵，且不具备自主知识产权，不利于我国差别 化纤维产品的系列开发。 为了改变这种不利局面，便于自主开发差别化纤维品种，需要对微腔模具 挤压设备进行设计与选用。 2 2 微腔模具挤压设备的设计与选用 2 2 1 冷挤压模具介绍协a 1 0 们 常用的冷挤压模具结构有：正挤模，反挤模，复合挤模和通用模等。 冷挤压模具的特点：冷挤压模具的外部轮廓形状类似板料冲压模具，但它比 普通冲压模具承受的压力要大得多。一般接近甚至超过现有模具材料的强度极 限。这种压力又作用于冷挤压模具的中心，成为相当大的集中载荷，而且工作时 间很长，这是区别于其他成型方法和冲压模具最为突出的特点。 冷挤压模具一般由以下四部分组成：( 1 ) 工作部分：凸模，凹模，上、下模 座：( 2 ) 导向部分：导柱，导套或导筒；( 3 ) 卸料和顶出部分：卸料板，顶杆： ( 4 ) 紧固部分：凹模压板，螺栓，销钉等。 挤压模具的分类如表2 - 3 所示： 表2 - 3挤压模具的分类 分类方法模具名称 按工艺性质正挤模、反挤模、复合挤压模、冷镦模、矫形模、冲挤模 按工序组合单一工序简单模、双工序复式挤压模 按生产适应性通用模、专用模、小批量生产模具、大批量生产模具 按导向方式无导向敞开模、导柱模、导套导向模、模口导向模 按精密级别粗级模具、一般精度模具、精密级模具 按模具材料钢冷挤模、硬质合金镶块冷挤模 按自动化程度手动模、半自动模、自动模 2 2 2 冷挤压模具模架方案设计 由于喷丝板孔形的种类较多，对模具的柔性化要求高，因此本课题不宜采 用适合大批量生产的组合模，但由于工序模适合小批生产，又加上微孔的加工 6 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 对精度要求较高，因此模具的构造采用有导向装置。单工序常用挤压模的形式 如图2 2 示【1 2 1 ； 图2 - 2 单工序挤压模的形式 1 模架的设计 模具最主要的组合件是有导向装置的上下模板，即所谓的模架和模板。 模架套上下模板，中间联以导向装置( 导柱，导板，导套) 。 模板只有一套上下模板而无特殊的导向装置。 表2 4 是一些常见模架的标准形式： 表2 - 4 常见模架的标准形式 简图模架形式用途 巍謦 导柱置于后侧的长方形模架由条料或单个毛料冲制中等 ( a ；6 0 3 0 0 ) 复杂程度及精度的工件( 如 冲裁、打孔、弯曲、压延及 组合模) 导柱置于对角线上的长方形 由条料在快速行程压床上冲 鱼国 模架( a = 6 0 - 3 0 0 )制比较精密的工件 章国 导柱置于后侧的长方形模架主要由单个毛料冲制中等尺 ( a 予15 0 - - 7 0 0 ) 寸的零件( 以内关于各种形 式的模具) 7 t 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 一m r ， 斜 导柱置于四角的长方形模架由大的单个毛料冲制矩形工 、i ( a = 4 0 0 - - 1 0 0 0 ) 件 仁二 。： l d ：w k 7 丑 l ir 1 - 卜f _ 1 一j 导柱置于中心线上的圆形模由条料或单个毛料冲制高精 1 莳懿矜 架( a - 2 0 0 1 0 0 0 ) 度的圆形件 r 。l 1l 丁， 导柱置于中心线上的长方形主要由单个毛料冲制中等尺 可；盲惫槲鼢 模架( a = 4 0 2 0 0 )寸的零件( 打孔、弯曲、压 掣i 扩i延、组合模) 由于本课题所用凸、凹模尺寸较小，精度要求较高，因此选用导柱置于中 心线上的长方形模架。 在国外生产中，对于在高速冲压床上工作的模具，多采用滚珠隔离的长方 形导套，导柱以在直径有0 0 2 的公差范围内插到滚珠隔离器中，如图2 - 3 所示。 a - 封闭式k 开放式 图2 - 3 以滚珠与导柱作用的导套 其中( a ) 导套内部可注入润滑油，保证工作顺利，并可以防止污垢进入， 本课题采用的即为a 式导套。 设计的模架方案如图2 _ 4 ： 从图中可以看出，整个结构主要由下模座、导杆、上模座、碟簧、顶杆及凸 凹模组成，当模架加工电极时，挤压机的挤压力将整个上模座( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) ， ( 4 ) ，( 8 ) ，( 9 ) ，( 1 0 ) ，( 1 1 ) ，( 1 2 ) 下压，直至模头( 4 ) 与模具接触，此时由于 上模座的特殊结构，上模座便将碟簧逐渐压缩，模具与下模座被慢慢压紧，随着 8 、 东华大学硕士学位论文 第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 上模座的进一步下压，凸模冲头渐渐向下移动，当冲头露出后便开始挤压银粒子， 形成电极。这种结构的优点是，可以保证每次加在模具上的预紧力致，保证电 极加工的一致性，电极冲压的长短可由冲程调节。 图2 - 4 冷挤压模具装配示意图 9 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 2 2 3 挤压力的计算及设备的选用 挤压生产中挤压力的确定是十分必要的，挤压力是挤压设备的选择、挤压 变形工序的拟定和模具设计的重要依据。迄今为止，国内外众多学者从不同的 角度，根据不同的假设和实验基础提出了几十种挤压力的计算方法。但由于影 响挤压力的因素繁多，又相互作用，且在挤压过程中不断变化，所以挤压工程 中挤压力的精确计算是一项艰巨的问题。 表2 5 、2 - 6 是一些常用的挤压力的计算公式，现总结如下n 3 1 射： 表2 5 挤压力计算公式 影响因素 计算公式 变形摩擦与高径凹模 抗力润滑 比 锥角 p = x 7 o 6 ，其中疗= a l n ( d ；砰) + 6 ，x 为 模具形状修正系数，a ，b 为与材料有关的系 数。 经验公 4 式法 p = c k p ，其中c 为约束系数，k 为止挤凹 模修正系数，p ，为平均变形抗力。 p=2p1c-nl d + 2 鲁d 弦警 f 丝 切块法 昂= o s c ( 1 n 等+ e8 ) p 也m c 丢噜m 志 啷：m 争2 厅丝 t0 昂= t 罗b c ( 1 n 誓+ g5 ) l o 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 4 j- 滑移线 p = 口i 2 阜d l + ，n 鲁+ 鲁， 法 上限法p ( 0 8 + 1 51 n d - 譬口，) p 诌t 2 删- 噜+ 云彘口+ t 口t t o 口l 鲁口“- 扣 变形功 法 他，。口i n 卜y- i ：z 口+ 奇怪等毒 p = 去办c 1 2 + i nd 筹2 ) 图算法由f e l d m a n n 公司提出 表2 - 6 主要符号说明 符号说明符号说明 符号说明 p 单位正挤压 d o 凹模内径或 啊 毛坯填充后 尢，q毛坯直径，高度，姗 m m p i 变形抗力， 盔 凹模上作带 摩擦系数 b 僻q直径，衄 o - b 强度极限， 毛坯高度， 口 半凹模锥角， m 口am m 弧度值 仃j 屈服极限， 岛 凹模工作带 f 端面收缩率 k 口n高度，蚴 东华大学硕士学位论文、第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 本文选用正挤压单位挤压力公式为： f 2 肪 p o = c ( 1 i l 等+ p5 ) 其中：只单位挤压力，k g m m 2 ； 挤压材料的强度极限，堙聊聊2 ； c 材料的硬化系数； 只毛坯横断面积，m i t t 2 ； ，挤压零件的横断面积，m l t l 2 ： 摩擦系数； i l 凹模工作带长度，m m ； s 挤压零件的壁厚，m m ； 以下例子为第四章所设计的三叶形异形纤维加工电极工程中所需要的挤压 力，计算过程如下： 万2 5 2 f丝2 x o l x 7 岛= o b c ( 1 n + p5 ) = 3 5 x 1 7 x ( i n 丽4 + 一5 ) = 3 4 1 9 近似挤励尸= p o s = 3 4 1 9 x 学_ o 1 7 ， 卜挤压的作用面积，m m 25 由冷挤压模具装配图可以看出，挤压力由除了克服材料变形及摩擦力外， 还需要克服碟簧的张力实现预紧；表2 - 6 是应用广泛的碟簧尺寸： 表2 - 6 应用广泛的碟簧尺寸 序号 dds f m 力p ( k s ) 13 01 52o 62 65 5 2 3 21 0 0 92 9 6 1 3 3 51 5 1 51 o 2 52 8 44 02 5 2 5o 8 3 39 9 54 5 1 51 5 3 o3 2 6 3 0 1 o4 01 4 5 1 2 、东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设鲁的设计与选用 75 02 02 o1 53 54 6 83 03 o1 o4 o1 2 5 图2 5 是碟簧的各种安装方法。 笛罨 图2 - 5 碟簧及各种安装方法 本课题中将碟簧两两并节的方法，选用序号为5 的型号，因此预紧力大小 为3 2 4 = 1 2 8 k n ，为此生产实践中常采用的装置如图2 - 6 所示。从图可见， 电极加工过程中，不仅要克服银粒子的塑性变形做功，保证在液压缸释放功力 后，弹簧能自动复位，还必须保证料缸有足够的力将模具顶出。为了保证压力 机有足够的挤压力工作及后续开发需要，本课题选用主缸最大压力1 0 0 k n 的压 力机s h p l 0 1 0 型。其主要参数如下表2 7 ： 表2 7s h p l 0 1 0 型压力机参数 名称参数名称参数 主缸最大压力 l o o k n 主缸空下速度 5 0 0m i l l s 主缸最大行程 1 1 0 r a m 主缸工作速度 2 5 m m s 最大开口高度 2 2 0 r a m 主缸回程速度 5 0 n l n 以 最小封闭高度 1 0 0 r a m 料缸最大压力 1 0 0 k n 料缸最大行程 4 0 r a m 主机功率 3 k w 机器外形尺寸1 1 5 0 x 7 0 0 x1 6 0 0 r a m机器重量 1 0 0 0 k g 工作台尺寸 3 6 0 x 2 0 0 r a m 设备示意图如图2 - 6 ： 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 图2 - 6 挤压设备图 2 2 4 冷挤压模具材料的选择n 5 一帕 冷挤压模具的工作条件极其恶劣：工作应力高，在连续工作条件下产生的 变形热和摩擦热，同时模具还经受流动金属的强烈冲刷，因此模具材料的选择 必须以下的几个基本性能。 1 高强度。模具材料必须具有较高的强度，在保持一定韧性的条件下， 还应具有较高的硬度，凸模热处理后，要求硬度在h r c 6 1 以上，凹模在 玎k 5 8 6 2 之间。 2 高韧性。模具材料必须具有高的韧性和动载强度。这对于克服由冲击、 偏心弯曲载荷、应力集中引起的折断破坏是很重要的。 3 高耐压能力。模具材料必须具有极好的耐压能力，在高的压力作用下不 墩粗、不弯曲。这对于承受很高的轴向压力作用的构件来说非常重要。 4 高的耐磨性。模具材料必须具有较高的抗磨损能力，以便获得最高的模 具寿命。 5 足够的耐热性。挤压使模具反复的经受温度升降的作用，材料内部受到 拉伸和压缩的交变应力，从而使金属组织里的结晶产生晶隙和局部的变形，结 1 4 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 构产生裂纹。因此要求模具材料在工作温度下的硬度不变，具有良好的红硬性。 6 良好的工艺性能。这是获得高质量模具的重要因素。要求材料的脱碳敏 感性小，热塑性高，锻造容易，切削加工和磨削性能良好。热处理时，应有较 宽的温度区间，变形和热裂倾向小。 常用的冷挤压模具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高碳高铬模具钢、 高速钢、硬质合金及部分合金结构钢。 其中高碳高铬模具钢是应用广泛的冷作模具钢，淬透性好，热处理后具有 高硬度，高耐磨性，c r l 2 m 0 1 v 1 还添加了质量分数1 o 的c o 。硬度高，耐 磨性更好，表2 8 是三种典型的高碳高铬模具钢的性能情况： 表2 8 典型的高碳高铬模具钢的性能比较 钢号淬火温度o c冷却剂硬度值肷c c d 29 5 0 1 0 0 0 油 6 0 ( x 1 2 m o v9 5 0 一- 1 0 0 0油 5 8 8 2 0 0 c 预热，1 0 0 0 0 c 盐浴或1 0 1 0 0 c 炉控气氛 c d 2 m o l v l5 9 加热保温1 0 - - 2 0 分钟，空冷，2 0 0 0 c 回火。 c r l 2 和c r l 2 m o v 钢以前在冷挤压模中比较常用，但这两类钢种的缺点是奥 氏体含量高，抗压、抗弯强度和弹性极限以及耐磨性比c d 2 m 0 1 v 1 差。而且他 们的碳化物不均匀性较大，使强度和韧性大为降低。 c r l 2 m 0 1 v 1 钢为引进钢种，是国外应用最广泛的一种冷作模具钢。近年来， d 2 ( c r l 2 m 0 1 v 1 ) 之所以能推广，因为它有较好的工艺性能，是冷模具钢中较高 级的一种，它具有淬火变形小、淬透性好，耐磨性高，广泛用于制造承受负荷 大、生产批量大、耐磨性要求高、热处理变形量要求小、形状复杂的模具。本 设计中，凹模便选用c r l 2 m 0 1 v 1 ( 相当于日本的s k d l l ，美国的d 2 钢) ； 2 2 5 冲头的选用及银粒子规格的确定 1 冲头的选用 目前，冲头作为主要的精密模具配件已经标准化，主要有标准冲头，引导 冲头，抽牙冲头，异型冲头等几种类型；选用标准冲头，从而缩短加工周期， 节省成本。图2 - 7 为标准冲头结构；表2 - 9 为标准冲头常见规格： 1 5 东华大学硕士学位论文 第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 i t 。3 b j + 一i l 嚅3 f 一一一一 图2 7 标准冲头结构 表2 9 标准冲头常见规格 代号 pdh tb 1 o 1 5 4 a - 31 d 1 935 6 2 0 2 9 8 1 o 1 4 9 4 a 41 5 0 一1 9 946 6 2 0 0 “3 9 9 8 2 o 口之9 08 a - 5 3 o o 9 05 7 1 0 4 o o - - 4 9 0 1 2 2 0 0 2 9 0 8 5 3 0 口o 9 0 1 0 a 石68 4 0 0 - - 4 9 0 1 2 5 0 0 5 9 0 1 2 3 0 0 3 9 0 l o a - 84 o o 珥9 081 0 1 2 5 0 0 5 9 01 2 4 o o q 9 0 1 2 a - 1 0 5 0 0 - - d 9 0 l o 1 31 5 6 0 0 - - 9 0 1 5 a _ 1 3 6 0 0 - 12 9 01 31 6 1 5 1 6 、 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔加工及微腔模具挤压设备的设计与选用 目前，冲头常用p 直径为2 5 的冲头。 2 坯料规格的确定 坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大。根据电极形状 特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，选用圆柱料。 从加工效率来看，应该尽量使电极挤出长度长，但从另外一个方面来讲，银 电极较软，因此挤出过长容易造成电极易弯曲： 1 电极校准比较困难，难以达到直线度； 2 喷丝板加工过程中，电极柔性过大易造成电极弯曲，引起喷丝板加工偏 差，不能满足使用要求。 3 从生产经验来看，三叶形电极挤出长度在7 8 m m 之间比较适和； 4 马蹄形电极由于结构不对称，易产生扭曲、弯曲，加工长度不宜过长， 控铝0 在h = 5 6 r a m ； 目前常用矽2 5 m m 银棒材作为挤压坯料，模腔尺寸比较小，因此挤压行程不 用太大。坯料尺寸设计为2 5 3 m m 圆柱形棒料。 1 7 、 东华大学硕士学位论文第三章挤压塑性成型理论及微腔挤出过程的数值模拟 第三章挤压塑性成型理论及微腔挤出过程的数值模拟 3 1 挤压理论的发展过程及有限元软件介绍 3 1 1 挤压理论的发展过程 金属塑性成形技术是现代化制造业中金属加工的重要方法之一。它是金属材 料在模具和锻压设备作用下发生变形，获得所需要求的形状、尺寸和性能的制件 的加工过程。 应用塑性成形的数值模拟方法主要有上限法( u p p e rb o u n dm e t h o d ) 、边界 元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 和有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d )