K09-變壓器鐵心級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)
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實(shí)習(xí)(調(diào)研)報(bào)告
一.級(jí)進(jìn)模的來(lái)源及意義
由于采用模具進(jìn)行生產(chǎn)能提高生產(chǎn)率、節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本，在一定的尺寸精度范圍內(nèi)能夠保證產(chǎn)品零件的互換性，因此在我國(guó)各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。模具是機(jī)械、電子、輕工、國(guó)防等行業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備。由此可見，模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位十分重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)模具的使用壽命、尺寸精度和表面質(zhì)量等不斷提出新的更高的要求。
模具是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝裝備，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是衡量一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，模具已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。
隨著改革開放和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，推動(dòng)了模具技術(shù)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(chǎn)品是使用模具加工成型，模具設(shè)計(jì)水平的高低、模具制造能力強(qiáng)弱以及模具質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響各種產(chǎn)品的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)及整體工業(yè)水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的品種發(fā)展和生產(chǎn)效益的提高，在很大程度上取決于模具的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。模具工業(yè)已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術(shù)背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，因此已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。
現(xiàn)代的模具工業(yè)已經(jīng)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(gè)階段的標(biāo)志就是從一個(gè)傳統(tǒng)的、基本上是勞動(dòng)密集型的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展到技術(shù)密集型和資金密集型的產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在要生產(chǎn)模具，再用手工的方法不行了，必須要用先進(jìn)的軟件來(lái)設(shè)計(jì)，必須要有更高精度的數(shù)控設(shè)備來(lái)加工。我覺得這是現(xiàn)代模具工業(yè)的一個(gè)特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)決定了它的投入大，它對(duì)人才的要求就更高。
同時(shí)，模具產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用很強(qiáng)?，F(xiàn)在很多地方開始重視模具行業(yè)的發(fā)展了，他們認(rèn)識(shí)到當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)如果要發(fā)展，不發(fā)展相應(yīng)的模具產(chǎn)業(yè)就沒有后勁。模具是效益放大器，模具是供給制品產(chǎn)業(yè)的，可以使相關(guān)工業(yè)的效益比自身增加約一百倍，因此它的帶動(dòng)作用就大。模具的發(fā)展，不光是帶動(dòng)了自己行業(yè)的發(fā)展，而且向全國(guó)各地方提供模具，實(shí)際上是支持了全國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
目前，信息(IT)產(chǎn)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(jí)進(jìn)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(fù)雜，生產(chǎn)批量大等特點(diǎn)。材料薄，因此沖裁間隙很小，接近無(wú)間隙沖裁，沖模刃口的設(shè)計(jì)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(jí)進(jìn)模的高速?zèng)_壓成形過(guò)程中，條料送進(jìn)的平穩(wěn)度、送進(jìn)步距的精度、模具的精確導(dǎo)向都難以保證；在條料送進(jìn)過(guò)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(chǎn)品上的連接器的接觸零件，在高速?zèng)_壓的卸載過(guò)程中容易產(chǎn)生彎曲回彈，彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對(duì)精密高速冷壓模的成形工藝的制定，模具的設(shè)計(jì)和加工，高速?zèng)_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(lái)了很大的困難。
模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。級(jí)進(jìn)模是一種精密、復(fù)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(yīng)于沖壓行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)。級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)涉及沖壓成形理論、沖壓工藝、排樣設(shè)計(jì)、產(chǎn)品展開尺寸計(jì)算、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的成形仿真以及模具材料選擇等許多關(guān)鍵技術(shù)。因此，對(duì)級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)進(jìn)行研究是十分有意義的。
二.國(guó)內(nèi)外級(jí)進(jìn)模發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)考古發(fā)現(xiàn)，早在2000多年前，我國(guó)已有沖壓模具被用于制造銅器，證明了中國(guó)古代沖壓成型和沖壓模具方面的成就就在世界領(lǐng)先。1953年，長(zhǎng)春第一汽車制造廠在中國(guó)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(guó)于20世紀(jì)60 年代開始生產(chǎn)精沖模具。我國(guó)沖壓模具無(wú)論在數(shù)量上，還是在質(zhì)量、技術(shù)和能力等方面都已有了很大發(fā)展，但與國(guó)家發(fā)展的經(jīng)濟(jì)需求和世界先進(jìn)水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命的高檔模具每年仍大量進(jìn)口，特別是中高檔轎車的覆蓋件模具，目前仍主要依靠進(jìn)口。一些低檔次的簡(jiǎn)單沖模，已趨供過(guò)于求，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。
現(xiàn)代模具行業(yè)是技術(shù)、資金密集型的行業(yè)。它作為重要的生產(chǎn)裝備行業(yè)在為各行各業(yè)服務(wù)的同時(shí)，也直接為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)。由于模具生產(chǎn)要采用一系列高新技術(shù)，如 CAD/CAE/CAM/CAPP 等技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光技術(shù)、逆向工程和并行工程、快速成型技術(shù)及敏捷制造技術(shù)、高速加工及超精加工技術(shù)等等。因此，模具工業(yè)已成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，現(xiàn)代模具是高技術(shù)背景下的工藝密集型工業(yè)。模具技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，因此已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。
國(guó)外級(jí)進(jìn)模CAD/CAE/CAM的研究始于上世紀(jì)60年代末，70年代便有初步應(yīng)用，但僅限于二維圖形的簡(jiǎn)單沖裁級(jí)進(jìn)模，其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計(jì)算和NC 編程等。彎曲級(jí)進(jìn)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(jí)進(jìn)模系統(tǒng)等。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)，富士通系統(tǒng)采用了自動(dòng)設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。
我國(guó)是進(jìn)入80年代后才開始研制級(jí)進(jìn)模的，盡管經(jīng)歷了近二十年的努力，從無(wú)到有，有了較大的發(fā)展。與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家比較，我國(guó)的多任務(wù)位級(jí)進(jìn)模技術(shù)仍然存在較大的差距，主要表現(xiàn)在:①?zèng)_壓工序比較單一，多數(shù)以沖裁級(jí)進(jìn)模為主，少部分為沖裁拉深級(jí)進(jìn)模，模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、功能性不強(qiáng)。②模具模板幅面尺寸比較小，屬中小型級(jí)進(jìn)模。③模具精度不高，沖裁間隙誤差在0.0l5mm以上，制件產(chǎn)品易產(chǎn)生毛刺。④模具使用壽命相對(duì)較短，一般一次刃磨在50萬(wàn)次以內(nèi)，模具材料主要以普通模具鋼為主或采用硬質(zhì)合金。
另外，我國(guó)模具行業(yè)專業(yè)化程度還比較低，模具自產(chǎn)自配比例過(guò)高。國(guó)外模具自產(chǎn)自配比例一般為30%，我國(guó)沖壓模具自產(chǎn)自配比例為60%。這對(duì)專業(yè)化產(chǎn)生了很多不利影響。現(xiàn)在，技術(shù)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(wù)位級(jí)進(jìn)模和精沖模等。而一般沖模專業(yè)化程度就較低。
20年來(lái)我國(guó)模具制造水平有了很大的提高，模具的CAD/CAM已經(jīng)很普遍，CAM/CAPP也在積極推廣。如今我國(guó)生產(chǎn)的模具精度已達(dá)到微米級(jí)，與20年前相比，模具壽命提高了幾十倍，模具生產(chǎn)周期縮短了約3/4，模具的標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率從幾乎是零達(dá)到45%左右。我國(guó)的沖壓模具將呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)：(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(chǎn)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(lái)越高。10年前，精密模具的精度一般為5微米，現(xiàn)在已達(dá)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(fù)合模具將進(jìn)一步發(fā)展。新型多功能復(fù)合模具除了沖壓成型零件外，還擔(dān)負(fù)疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務(wù)，對(duì)鋼材的性能要求也越來(lái)越高。
我國(guó)模具總量雖然已位居日、美、德之后，但設(shè)計(jì)制造水平在總體上要比德、美、日、法、意等發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多，也要比英國(guó)、加拿大、西班牙、葡萄牙、韓國(guó)、新加坡等有差距。
近年來(lái)，人們也意識(shí)到模具技術(shù)是與被加工材料、模具加工設(shè)備和模具材料密切相關(guān)的，因此，不能完全照搬國(guó)外的模具結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，必須有適用于本國(guó)國(guó)情的模具設(shè)計(jì)思想和理論。國(guó)內(nèi)級(jí)進(jìn)模技術(shù)面臨如何在消化吸收國(guó)外先進(jìn)模具技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本國(guó)的國(guó)情來(lái)設(shè)計(jì)制造自己的模具產(chǎn)品這一重大課題。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加速，高精度多任務(wù)位級(jí)進(jìn)模的需求將會(huì)越來(lái)越大，在模具設(shè)計(jì)、制造方面，國(guó)內(nèi)迫切需要有自己的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)模具國(guó)產(chǎn)化。
目前，世界上高速?zèng)_床的行程速度可達(dá)4000次/min，在日本，IC引腳框架的實(shí)用沖壓速度為300次/min~500次/min,接插件端子的實(shí)用沖壓速度為800次/min~1000次/min，金屬薄片的實(shí)用沖壓速度為1500次/min~2500次/min，而我國(guó)目前生產(chǎn)的接插件模具用于實(shí)際生產(chǎn)的最高速度在500次/min左右。我們廠所引進(jìn)的沖床有30%為高速精密沖床，目前均投入大量生產(chǎn)。實(shí)用沖壓速度可達(dá)800次/min~1000次/min。
高速加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為高速?zèng)_壓模具的制造提供了技術(shù)支持，自20世紀(jì)30年代德國(guó)Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)50年代的機(jī)理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到90年代初，高速切削技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)用化，到90年代后期，商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn)，21世紀(jì)初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到普遍應(yīng)用，正成為切削加工的主流技術(shù)。高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，為模具制造技術(shù)開辟了一條嶄新的道路。盡可能用高速加工來(lái)代替電加工，是加快模具開發(fā)速度、提高模具制造質(zhì)量的必然趨勢(shì)。高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率很高，在模具工業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，傳統(tǒng)的電加工工藝無(wú)法與之匹敵，完全符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率、高精度和高度自動(dòng)化”的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。
信息技術(shù)(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(jī))端子、數(shù)碼相機(jī)支承件等等，都是信息產(chǎn)品上的重要載體,在信息產(chǎn)品中起著連接、支承、互聯(lián)導(dǎo)電與轉(zhuǎn)換等作用,這些IT制件的設(shè)計(jì)與制造對(duì)于信息產(chǎn)品使用性能的發(fā)揮和集成化程度的提高至關(guān)重要。
精密高速級(jí)進(jìn)模被廣泛應(yīng)用于精密IT制件的生產(chǎn)制造中。現(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(shè)計(jì)、制造精密級(jí)進(jìn)模以及高速?zèng)_壓成形帶來(lái)了很大的困難。解決這些關(guān)鍵技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)IT制件的產(chǎn)業(yè)化,是目前精密級(jí)進(jìn)模行業(yè)和企業(yè)的迫切需要。
關(guān)鍵技術(shù)問題研究分析
1.超薄、微型、精密IT制件的級(jí)進(jìn)沖模開發(fā)技術(shù)
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(fù)雜等特點(diǎn)。由于沖裁間隙很小,接近無(wú)間隙沖裁,因此沖模刃口的設(shè)計(jì)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(jí)進(jìn)模的高速?zèng)_壓成形過(guò)程中,條料送進(jìn)的平穩(wěn)度、送進(jìn)步距的精度、模具的精確導(dǎo)向都難以保證;在條料送進(jìn)過(guò)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(jī)充電接口處的彈片連接器,在高速?zèng)_壓的卸載過(guò)程中容易產(chǎn)生彎曲回彈,彎曲部位形狀精度難以保證。這些都對(duì)精密高速級(jí)進(jìn)沖模的成形工藝的制定、凸凹模的設(shè)計(jì)和加工、高速?zèng)_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(jí)進(jìn)模的開發(fā)帶來(lái)了很大的困難。
2.窄間距制件的精密級(jí)進(jìn)沖模技術(shù)
窄間距制件的生產(chǎn)是精密沖壓領(lǐng)域中特別困難的技術(shù),所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)目前還遠(yuǎn)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(dǎo)致整個(gè)模具設(shè)計(jì)的失敗,如果制件具有彎曲特征,彎曲角度的不穩(wěn)定還會(huì)造成制件報(bào)廢。間距小不僅導(dǎo)致了工步數(shù)目和排樣難度增加,而且會(huì)使凸凹模間隙穩(wěn)定性和凸模強(qiáng)度難以保證,使凸模刃口的設(shè)計(jì)、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(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)、制造以及沖壓成形的技術(shù)難度越大,引線腳數(shù)目是判斷IC引線架制造水平的標(biāo)志。目前,中國(guó)臺(tái)灣生產(chǎn)的引線腳數(shù)目在128腳以上,日本及歐美達(dá)生產(chǎn)的引線腳數(shù)目250腳以上,在我國(guó)內(nèi)地,某些廠家已經(jīng)達(dá)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(chǎn)用的級(jí)進(jìn)沖模,目前國(guó)內(nèi)仍然不能生產(chǎn),進(jìn)口價(jià)格也非常昂貴。
3.精密IT制件級(jí)進(jìn)模的高速?zèng)_壓技術(shù)
提高精密級(jí)進(jìn)模的沖壓速度可以大大提高IT制件的生產(chǎn)率。目前,世界上高速?zèng)_床的行程可達(dá)4000次/min。在日本,IC引腳框架的實(shí)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(guó)目前生產(chǎn)的接插件模具用于實(shí)際生產(chǎn)最高沖壓速度在500次/min左右。IT制件的產(chǎn)量都是以億為單位來(lái)計(jì)算,其巨大的產(chǎn)量和高效的生產(chǎn)率需要沖壓速度來(lái)保證。但是在提高沖壓速度的同時(shí),首先必須面對(duì)和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題:
(1)高速?zèng)_床的穩(wěn)定性和精度問題 目前,國(guó)內(nèi)擁有的精密高速?zèng)_床多為曲軸式,這類機(jī)床生產(chǎn)時(shí)振動(dòng)較大,正常生產(chǎn)時(shí)只能用到最高沖壓速度的60%左右, 而且由于機(jī)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)疊片、跳屑、條料彎曲等問題。這都給精密級(jí)高速級(jí)進(jìn)模的沖壓速度的提高帶來(lái)了很大的阻礙。
(3)模具發(fā)熱問題 當(dāng)精密級(jí)進(jìn)模的沖壓速度提高時(shí),模具溫度也會(huì)顯著提高,進(jìn)而造成模具材料變軟和模具變形等問題,模具發(fā)熱嚴(yán)重制約了沖壓速度和生產(chǎn)效率的提高。
4.模具壽命的提高技術(shù)
精密級(jí)進(jìn)模的連續(xù)沖壓過(guò)程中,模具與材料接觸次數(shù)往往在幾千萬(wàn)甚至幾億次以上,沖壓速度達(dá)到每分鐘幾百次甚至幾千次,在長(zhǎng)時(shí)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(jī)引起的振動(dòng)而啃傷刃口;容易產(chǎn)生金屬疲勞,進(jìn)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?zèng)_模目前所使用的模具沖切部位大多為含鈷的硬質(zhì)合金,在沖壓過(guò)程中使用潤(rùn)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(dá)到提高模具壽命的目的。
5.模具設(shè)計(jì)與制造的柔性化技術(shù)
級(jí)進(jìn)模是計(jì)算機(jī)、通信、汽車、家電等行業(yè)的重要生產(chǎn)工裝。然而級(jí)進(jìn)模專業(yè)設(shè)計(jì)人才的匱乏和級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)方法的總體滯后,嚴(yán)重制約了模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和提高,因此級(jí)進(jìn)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(dá)國(guó)家也正在大力發(fā)展精密高速級(jí)進(jìn)沖模柔性化和智能化的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。目前我國(guó)設(shè)計(jì)人員大部分還是憑借設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)和確定模具結(jié)構(gòu);即使部分采用了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的設(shè)計(jì)部門,真正能利用大型CAE軟件進(jìn)行沖壓仿真來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的還為數(shù)很少。
關(guān)鍵技術(shù)解決方案
解決IT制件的精密級(jí)進(jìn)模的關(guān)鍵技術(shù),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(duì)模具設(shè)計(jì)、模具材料選用、模具制造、工藝處理、高速?zèng)_壓等過(guò)程,全方位的提高模具質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、沖壓速度、模具壽命等。
(1)優(yōu)化模具設(shè)計(jì) 運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)分析精密級(jí)進(jìn)模的高速?zèng)_壓過(guò)程中的彎曲回彈、熱效應(yīng)、速度效應(yīng)、金屬的塑性變形等,分析整個(gè)模具在生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性并找出最危險(xiǎn)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(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)。
(2)采用新型模具材料 目前,國(guó)外高速?zèng)_壓的模具材料已經(jīng)采用陶瓷材料和納米級(jí)的硬質(zhì)合金,但是我國(guó)還沒有使用這些材料的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),這需要通過(guò)大量試驗(yàn)獲得各類不同的材料和模具性能數(shù)據(jù)。
(3)應(yīng)用超精密加工手段 綜合日本和歐美先進(jìn)加工手段和工藝的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),通過(guò)線切割與磨削工藝的交叉運(yùn)用,減少模具加工過(guò)程的變形,以保證模具加工精度。
(4)特殊處理工藝的應(yīng)用 對(duì)模具刃口進(jìn)行超深冷處理工藝,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高低溫循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)馬氏體向奧式體的接近完全轉(zhuǎn)化,并使這種轉(zhuǎn)化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);在表面處理技術(shù)方面,可以運(yùn)用新的噴涂技術(shù),來(lái)提高模具表面性能。
(5)解決高速?zèng)_壓過(guò)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?zèng)_壓過(guò)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(cè)系統(tǒng)也是保證條料順利送進(jìn)的重要保證?？梢圆捎镁哂薪档湍＞邷囟裙δ艿臐?rùn)滑劑、采用吹冷技術(shù)等措施以降低模具溫度。
(6)合理運(yùn)用沖壓潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式 結(jié)合高速?zèng)_壓和材料金相分析試驗(yàn), 研究沖壓潤(rùn)滑劑與沖模材料的化學(xué)匹配關(guān)系,合理、科學(xué)的采用潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式,可以大幅降低因摩擦和潤(rùn)滑劑腐蝕等原因?qū)δ＞邏勖斐傻挠绊憽?
(7)采用高精度、高性能的加工設(shè)備和沖壓設(shè)備 高精度、高性能的加工設(shè)備和沖壓設(shè)備是提高模具質(zhì)量和沖壓速度的基本保證。目前我國(guó)的這些設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口,盡快提高我國(guó)精密裝備的制造水平,這是我國(guó)裝備制造業(yè)面臨的艱巨任務(wù)。
三.級(jí)進(jìn)模研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究手段
針對(duì)級(jí)進(jìn)模關(guān)鍵技術(shù)問題，立足于我國(guó)模具技術(shù)現(xiàn)狀，在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域開展研究工作，結(jié)合研制一套多工位精密復(fù)雜零件的級(jí)進(jìn)模的具體實(shí)例，說(shuō)明級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)流程，并對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)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(xué)行為和特征，包括塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)、板料沖壓成形的力學(xué)特點(diǎn)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(duì)典型級(jí)進(jìn)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(jìn)行了分析：推導(dǎo)了各沖壓工序的應(yīng)力應(yīng)變求解關(guān)系式，這些工作將為級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)和計(jì)算提供理論依據(jù)。
(3)以系統(tǒng)的觀念看待級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)過(guò)程，給出設(shè)計(jì)流程圖：探討了排樣設(shè)計(jì)的一般原則：并總結(jié)出級(jí)進(jìn)模常用工序的展開尺寸計(jì)算公式、典型工序的成形方法及主要零部件的設(shè)計(jì)方法。
(4)通過(guò)對(duì)典型級(jí)進(jìn)模的詳細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算以及對(duì)產(chǎn)品重要部位的成形仿真，建立一種多工位精密復(fù)雜級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)方法體系，驗(yàn)證其研究成果。設(shè)計(jì)部分包括模具排樣圖設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各模具零件的設(shè)計(jì)：計(jì)算部分包括帶料精度計(jì)算，產(chǎn)品展開尺寸計(jì)算和模具壓力中心計(jì)算等；考慮到產(chǎn)品在仿真軟件中建模的復(fù)雜性，以及應(yīng)盡量縮短模具的開發(fā)周期，且產(chǎn)品中重要、復(fù)雜(有尺寸、形狀精度要求)部位的成形仿真結(jié)果即可代表整個(gè)產(chǎn)品的成形仿真結(jié)果，故僅對(duì)產(chǎn)品的重要、復(fù)雜部位進(jìn)行成形仿真。
沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)是進(jìn)行沖壓生產(chǎn)的重要技術(shù)準(zhǔn)備工作。沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)結(jié)合工廠的設(shè)備、人員等實(shí)際情況，從零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度、環(huán)境及生產(chǎn)的安全性各個(gè)方面綜合考慮，選擇和設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、使用安全的方案和模具結(jié)構(gòu)以使沖壓件的生產(chǎn)在保證達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣上所提出的各項(xiàng)技術(shù)要求外，盡可能降低沖壓的工藝成本和保證安全生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及步驟包括：
(1)工藝設(shè)計(jì)
①零件及其沖壓工藝分析 根據(jù)沖壓件產(chǎn)品圖，分析沖壓件的形狀特點(diǎn)、精度要求、原材料尺寸規(guī)格和力學(xué)性能，并結(jié)合可供選用的沖壓設(shè)備規(guī)格以及模具的產(chǎn)批量等因素，分析零件的沖壓工藝性。良好的沖壓工藝性應(yīng)保證材料消耗少、工序數(shù)目少、占用設(shè)備數(shù)量少、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而壽命高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單。
②確定工藝方案，主要工藝參數(shù)計(jì)算 在沖壓工藝性分析的基礎(chǔ)上，找出工藝與模具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況提出各種可能的沖壓工藝方案，內(nèi)容包括工序性質(zhì)、工序數(shù)目、工序順序及組合方式等。有時(shí)同一種沖壓零件也可能存在多個(gè)可行的沖壓工藝方案，通常每種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、設(shè)備占用情況、模具制造的難易程度和使用壽命高低、生產(chǎn)成本、操作方便與安全程度等方面進(jìn)行綜合分析、比較，確定出適合于現(xiàn)有生產(chǎn)條件的最佳方案。
此外，了解零件的作用及使用要求對(duì)零件沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)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(jì)算有兩種情況，第一種是工藝參數(shù)可以計(jì)算得比較準(zhǔn)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(jì)算，如一般彎曲或拉深成形力、復(fù)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(jīng)驗(yàn)公式或圖表進(jìn)行粗略計(jì)算，有些需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整；有時(shí)甚至沒有經(jīng)驗(yàn)公式可以應(yīng)用，或者因計(jì)算太繁雜以至于無(wú)法進(jìn)行，如復(fù)雜模具零件的剛性或強(qiáng)度校核、復(fù)雜沖壓零件成形力計(jì)算等，這種情況下一般只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)。
(2)選擇沖壓設(shè)備
根據(jù)要完成的沖壓工序性質(zhì)和各種沖壓設(shè)備的力能特點(diǎn)，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(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備情況來(lái)合理選定設(shè)備類型和噸位。常用沖壓設(shè)備有曲柄壓力機(jī)、液壓機(jī)等，其中曲柄壓力機(jī)應(yīng)用最廣。沖裁類沖壓工序多在曲柄壓力機(jī)上進(jìn)行，一般不用液壓機(jī)；而成形類沖壓工序可在曲柄壓力機(jī)或液壓機(jī)上進(jìn)行。
(3)模具設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)包括模具結(jié)構(gòu)形式的選擇與設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、模具圖繪制等內(nèi)容。
模具圖由總裝圖和非標(biāo)準(zhǔn)件的零件圖組成?？傃b配圖主要反映整個(gè)模具各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，應(yīng)該對(duì)應(yīng)繪制說(shuō)明模具構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸，如閉合高度、輪廓尺寸等。習(xí)慣上俯視圖由下模部分投影而得，同時(shí)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(xì)表，寫明技術(shù)要求等。零件圖一般根據(jù)模具總裝圖測(cè)繪，也應(yīng)該有足夠的投影和必要的剖面、剖視圖以將零件結(jié)構(gòu)表達(dá)清楚。此外，要標(biāo)注零件加工所需的所有結(jié)構(gòu)尺寸、公差、表面粗糙度、熱處理及其他技術(shù)要求。
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8
材料加工技術(shù)學(xué)報(bào)
用于控制表面形貌的潤(rùn)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(jī)大學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)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(guān)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(jié)構(gòu)的疏水性表面。疏水性通過(guò)結(jié)構(gòu)中微柱的形狀和排列來(lái)控制。該結(jié)構(gòu)在大面積上以高生產(chǎn)率在以下工藝中制造：（1）通過(guò)聚焦離子束濺射在工具上制造結(jié)構(gòu);（2）通過(guò)使用結(jié)構(gòu)化工具的增量沖壓在金屬板上形成相反的結(jié)構(gòu);（3）通過(guò)模塑將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到塑料板上。還提出了連續(xù)的沖壓，用結(jié)構(gòu)??化工具在表面上精確地制造幾個(gè)結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距被數(shù)字控制。通過(guò)在水滴測(cè)試中測(cè)量結(jié)構(gòu)化表面上的接觸角來(lái)討論表面形貌對(duì)疏水性的影響?；贑assie-Baxter模型，塑料板上的疏水性與結(jié)構(gòu)化表面上的固體部分相關(guān)。對(duì)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(duì)于不僅工業(yè)而且生物醫(yī)學(xué)用途的復(fù)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(yīng)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(dāng)通過(guò)數(shù)字控制的微加工在表面上制造微尺度結(jié)構(gòu)時(shí)，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(rùn)濕性是表面上控制流體流動(dòng)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(jié)構(gòu)控制的表面能相關(guān)。自從表面活性劑研究領(lǐng)域拉普拉斯和楊的開創(chuàng)性作品以來(lái)，許多研究已經(jīng)討論了液滴接觸角的潤(rùn)濕性（Hartland，2004）。作為用表面形貌控制潤(rùn)濕性的嘗試，Wenzel與表面粗糙度相關(guān)聯(lián)的潤(rùn)濕性，并提出了固體表面的潤(rùn)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(lái)，并提出了結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)計(jì)了具有微尺度結(jié)構(gòu)的疏水表面，并驗(yàn)證了其在水滴測(cè)試中的設(shè)計(jì)（Bico等，1999）。Bizi-Bandoki等人用飛秒激光治療來(lái)控制表面的潤(rùn)濕性（Bizi-Bandoki等，2011）。張等人改善了微測(cè)試裝置的表面性能（Zhang et al。2009）。
盡管施加表面結(jié)構(gòu)以改變潤(rùn)濕性，但是其大部分是通過(guò)蝕刻來(lái)加工的。然而，在蝕刻中，待加工的材料受到物理和化學(xué)性質(zhì)的限制。此外，工業(yè)裝置需要靈活的潤(rùn)濕性可控性。然后，蝕刻過(guò)程在設(shè)計(jì)時(shí)具有控制表面結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性變化的一些困難。需要更靈活的工藝來(lái)制造用于控制潤(rùn)濕性的表面結(jié)構(gòu)。
機(jī)械加工是數(shù)值控制表面結(jié)構(gòu)的有效過(guò)程。機(jī)械加工中的微型化使用使微型工具和高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)顯著發(fā)展。然后，微型切割，成型和注射成型最近已被應(yīng)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(yīng)，研究了FE模擬中的材料行為（Chen和Tsai，2006）。因?yàn)椴牧系木Я３叽缦鄬?duì)于加工尺寸較大，所以微觀形成已經(jīng)在材料科學(xué)方面進(jìn)行了討論（Yeh et al。2008）。提出了晶粒和晶界上的一些模型來(lái)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(xì)成形過(guò)程中是關(guān)鍵的，因此已經(jīng)嘗試加熱輔助以改善變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)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(guān)工藝。Sha et al討論了加工參數(shù)和幾何因子對(duì)三種不同聚合物材料微觀特征表面質(zhì)量的影響（Sha et al.2007）。宋等對(duì)超薄壁塑料件的成型進(jìn)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(dòng)長(zhǎng)度和零件質(zhì)量相關(guān)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(yīng)用的任意配置（Larsson，2006）。 一些納米壓印技術(shù)也已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，最近隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用也越來(lái)越多。 Schift等人開發(fā)了壓印光刻技術(shù)的多功能快速?zèng)_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(rùn)濕性。微尺度結(jié)構(gòu)以大的生產(chǎn)速率在微加工過(guò)程的序列中在表面上大面積地制造。這些過(guò)程控制結(jié)構(gòu)元件在設(shè)計(jì)時(shí)的形狀和對(duì)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?jǐn)?shù)相關(guān)，固體分?jǐn)?shù)是結(jié)構(gòu)元素上的液固接觸面積與表面總面積之比。然后，通過(guò)制造結(jié)構(gòu)化表面來(lái)討論表面形貌對(duì)疏水性的影響。
二. 結(jié)構(gòu)化表面的制造
1. 制造過(guò)程
具有表面形貌的功能表面的制造需要考慮生產(chǎn)效率以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量。過(guò)程的功能要求是：
(1) 結(jié)構(gòu)要素應(yīng)為微尺度控制功能。
(2) 該結(jié)構(gòu)應(yīng)在足夠大的范圍內(nèi)加工控制表面功能的實(shí)際應(yīng)用。
(3) 結(jié)構(gòu)化表面應(yīng)以高生產(chǎn)率和低成本制造。
聚焦離子束濺射通常在微/納米級(jí)加工中有效。然而，在大面積上加工結(jié)構(gòu)需要很長(zhǎng)時(shí)間。然后，生產(chǎn)成本隨著生產(chǎn)時(shí)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(chǎn)率。微尺度結(jié)構(gòu)在以下過(guò)程中加工：
(1) 通過(guò)聚焦離子束濺射在工具上制造微尺度結(jié)構(gòu)。
(2) 然后，反向結(jié)構(gòu)通過(guò)增量沖壓形成金屬板。
(3) 最后，通過(guò)塑料成型將板上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚合物上。
雖然在第一個(gè)過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)在小于0.1平方的小面積內(nèi)加工，但第二個(gè)過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)化區(qū)域。第三種方法與第一種方法相同的表面結(jié)構(gòu)以高生產(chǎn)率轉(zhuǎn)移到塑料板上。
2. 結(jié)構(gòu)化制造
微型結(jié)構(gòu)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(guò)磨削刀具來(lái)指定的，如圖所示。2（a）。通過(guò)聚焦離子束濺射對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值控制。圖2（b）示出了結(jié)構(gòu)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(gè)圓柱形微柱。直徑18米，高18米。加工結(jié)構(gòu)化工具可減少粗加工和精加工過(guò)程中的制造時(shí)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(jìn)行8小時(shí)粗加工，然后在5.2 nA的探針電流下完成8.5小時(shí)的濺射。圖2（c）示出了用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量的結(jié)構(gòu)化工具的橫截面中的剖面圖。由于深度比要測(cè)量的最大深度深，所以不能在柱體周圍獲得特征信號(hào)。
3. 結(jié)構(gòu)板制造
在金屬板上沖壓工具上的結(jié)構(gòu)以形成相反的結(jié)構(gòu)。 圖1所示的機(jī)器。 3（a）是為增量沖壓開發(fā)的。機(jī)器用步進(jìn)電機(jī)控制三軸。X軸和Y軸以25nm的分辨率進(jìn)行控制。Z軸的分辨率為2.5 nm。結(jié)構(gòu)化工具安裝在上橫梁上。該結(jié)構(gòu)在Z軸上重復(fù)機(jī)臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)，如圖所示。3（b）。兩個(gè)壓電測(cè)力計(jì)安裝在工作臺(tái)下，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)化工具與工件的接觸，并控制沖壓負(fù)荷。結(jié)構(gòu)區(qū)域由X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)控制。
圖4（a）示出了通過(guò)圖1所示的結(jié)構(gòu)化工具以1.5mm正方形加工的鋁板上的結(jié)構(gòu)。2.在結(jié)構(gòu)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(fù)沖壓操作，其被確定為在與結(jié)構(gòu)工具上的柱高度相同的深度上形成凹坑。雖然開發(fā)機(jī)器的加工時(shí)間不超過(guò)45分鐘，但是在較高性能的機(jī)器上沖壓速率將會(huì)提高。圖4（b）將板上形成的凹坑與結(jié)構(gòu)化工具上的柱的情況進(jìn)行比較，其中結(jié)構(gòu)化工具的圖案被倒置顯示。結(jié)構(gòu)化工具和板的平面是比較的參考。由于彈性恢復(fù)，凹坑深度的成形誤差或多或少為1 m，盡管材料行為應(yīng)以數(shù)值方式進(jìn)行分析，以獲得更精確的沖壓。盡管公差取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范，但是如下所述，誤差小到可以忽略在液滴測(cè)試中的潤(rùn)濕性。
4.塑膠成型
該結(jié)構(gòu)在塑料模塑中轉(zhuǎn)移到聚乙烯板上。圖1所示的成型機(jī)。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(jìn)行40分鐘。應(yīng)該控制脫模中的運(yùn)動(dòng)，以防止結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)將塑料板從金屬板上釋放出來(lái)。釋放裝置的內(nèi)側(cè)作為運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。在操作中，成型時(shí)間受到成型機(jī)規(guī)格限制。傳統(tǒng)的注塑機(jī)可以顯著提高生產(chǎn)率。
圖6（a）示出了由圖1所示的結(jié)構(gòu)化金屬板模制的聚乙烯板上的結(jié)構(gòu)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(jìn)行比較。雖然應(yīng)該對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)中的塑性流動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的討論，但是柱的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
作為該過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距來(lái)控制微尺度結(jié)構(gòu)。圖7示出了具有運(yùn)動(dòng)控制的增量沖壓過(guò)程的示例。使用結(jié)構(gòu)化工具在金屬板上加工不同的結(jié)構(gòu)。然后將這些結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到塑料板上。圖8（a）顯示了由8平方米的柱子組成的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移到塑料板上。
雖然已經(jīng)將諸如化學(xué)蝕刻的其它方法應(yīng)用于表面結(jié)構(gòu)的加工，但是通過(guò)覆蓋在非加工區(qū)域上的掩模來(lái)唯一地確定結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本文提出的過(guò)程，通過(guò)逐步運(yùn)動(dòng)的數(shù)字運(yùn)算來(lái)控制結(jié)構(gòu)，只使用增量沖壓中的一個(gè)結(jié)構(gòu)化工具。根據(jù)階段的分辨率，在指定的位置準(zhǔn)確地形成凹坑。如果為所有結(jié)構(gòu)制造結(jié)構(gòu)化工具，制造時(shí)間將需要更多的工具成本。由于刀具更換時(shí)的夾緊誤差，結(jié)構(gòu)的位置和方向的精度將會(huì)降低。具有圖1所示工具的工藝。7對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確沖壓和靈活性是有效的。
三. 潤(rùn)濕性評(píng)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(rùn)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(guān)。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(jié)構(gòu)（Wenzel，1936; Cassie和Baxter，1944）。根據(jù)Cassie的模型，液相由結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)是支柱上的液固接觸面積與總面積的比率。對(duì)于較大間距對(duì)齊的較小的支柱，估計(jì)較小的固體分?jǐn)?shù)
2. 結(jié)構(gòu)化表面上的疏水性
通過(guò)改變表面結(jié)構(gòu)測(cè)量接觸角，并與Cassie模型進(jìn)行比較。在這里8米長(zhǎng)的立柱與改變柱子之間的距離是一致的。柱的高度被設(shè)計(jì)為10m，使得氣相存在于不接觸結(jié)構(gòu)底部的液體彎月面之下。結(jié)構(gòu)中方柱的固體分?jǐn)?shù)為：
?s=(ad)2 (2)
其中a是方柱的一側(cè)的長(zhǎng)度，d是柱的間距。
圖10示出了表面結(jié)構(gòu)的實(shí)例，其中柱的間距為15μm和30μm，固體分?jǐn)?shù)分別為0.28和0.07。圖11（a）示出了表觀接觸角與固體分?jǐn)?shù)的變化，其中角度的方差小于平均值的5％。實(shí)線顯示了卡西的模型。（1），平面上的接觸角為96°。結(jié)構(gòu)化表面上的表觀接觸角隨著固體分?jǐn)?shù)的降低而增加。測(cè)量的接觸角的變化幾乎與Cassie的模型一致。然而，在高固體分?jǐn)?shù)下觀察到來(lái)自Cassie模型的測(cè)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(duì)準(zhǔn)。同時(shí)，測(cè)試結(jié)構(gòu)由矩形柱組成。因此，支柱的側(cè)面和對(duì)角線長(zhǎng)度不同。然后，支柱之間的柱與對(duì)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(duì)準(zhǔn)引起。當(dāng)固體接觸隨著固體部分增加時(shí)，各向異性對(duì)潤(rùn)濕性的影響增加。圖11（b）將水滴放在表面上的結(jié)構(gòu)化和平坦區(qū)域上。接觸角在結(jié)構(gòu)化表面上的固體分?jǐn)?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(jié)構(gòu)的表面上不同的潤(rùn)濕性功能共存。
四. 結(jié)論
本文以高生產(chǎn)率提出了具有微尺度結(jié)構(gòu)的功能表面的制造順序。微型結(jié)構(gòu)在三個(gè)過(guò)程中制造。首先，通過(guò)FIB濺射在工具上制造微尺度結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)增量沖壓在金屬板上形成相反的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)模制最終轉(zhuǎn)移到塑料板上。第一個(gè)過(guò)程定義了微觀結(jié)構(gòu)元素的形狀和對(duì)齊。第二個(gè)過(guò)程擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)化區(qū)域。最后一個(gè)過(guò)程會(huì)影響生產(chǎn)率。因此，表面結(jié)構(gòu)以大的生產(chǎn)率大面積地加工。作為該過(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)化工具的移動(dòng)間距來(lái)控制表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)控制表面的潤(rùn)濕性。疏水性通常與固體成分相關(guān)，液-固界面面積與總面積的比值。由于制造過(guò)程以數(shù)字方式控制柱的形狀和對(duì)準(zhǔn)，所以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中柱的間距來(lái)測(cè)量接觸角。將接觸角的變化與Cassie的模型進(jìn)行了比較。 柱子的較大間距促進(jìn)了較高的疏水性，如Cassie的模型。最后，在一個(gè)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(jìn)行處理，表面結(jié)構(gòu)容易控制表面功能。
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