微细喷射型孔的复合加工工艺
专利汇可以提供微细喷射型孔的复合加工工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了属于微细 机械加工 技术领域的涉及将微细 冲压 和微细电火花加工技术交叉融合在一起的对金属 合金 材料加工的一种微细喷射型孔的复合加工工艺。通过不同尖端形状的冲头的组合，顺序塑性 变形 加工出带有微细倒锥的底型腔。然后在其背面对应于底型腔倒锥的 位置 ，采用微细电火花工艺减薄材料，露出倒锥锥顶，形成微细型孔。该工艺将微细型孔的尺寸误差敏感方向由横向转化为竖向并减小误差敏感度。本发明的微细喷射型孔采用复合加工工艺，取长补短，发挥了微塑性变形加工和微细电火花加工交叉结合的优势，为微细喷射型孔及其阵列的加工提供尺寸一致性好、具有批量生产能 力 的工艺途径。，下面是微细喷射型孔的复合加工工艺专利的具体信息内容。
1.一种面向工业应用的微细喷射型孔的复合加工工艺，由微细塑性变形冲压 加工和微细电火花加工两种工艺组成，其特征在于：其复合加工工艺流程为，(1) 采用尖端形状为多棱锥或圆锥形的微细冲头工具，按照先粗加工后精加工的原 则，依次进行多道微细冲压工序，但工件不冲透，还留有厚度小于0.1mm的薄层 金属，加工出带有微细倒锥的底型腔；(2)然后翻转工件，在其背面对应于底型 腔倒锥的位置，采用微细电火花工艺减薄工件材料，露出底型腔倒锥的锥顶，得 到阵列微细喷射型孔；(3)结合工件的环向和径向、或者X和Y向进给运动，完 成阵列微细型孔的加工。
2.根据权利要求1所述微细喷射型孔的复合加工工艺，其特征在于：所述微 细冲头工具的锥角和尖端圆角半径的大小取决于所需型孔的微细化程度，尖端圆 角半径小于20μm，对于正三角形微细型孔，倒锥的面锥角小于32.2°，对于圆 形微细型孔的加工，倒锥的锥角小于53.2°。
3.根据权利要求1所述微细喷射型孔的复合加工工艺，其特征在于：所述多 道微细冲压工序的粗冲压工序完成主要的塑性变形量，精冲压工序得到最终形状 和精度要求的底型腔；精冲压工序所用冲头的形状由所需微细型孔的形状决定： 若需加工多边形微细型孔，则选用多棱锥形冲头，若需加工圆形微细型孔，则选 用圆锥形冲头。
4.根据权利要求1所述微细喷射型孔的复合加工工艺，其特征在于：所述阵 列微细型孔的微细电火花背面减薄工艺有两种加工方法：在工件整个平面的扫描 式加工，或在对应于每个底型腔倒锥的位置依次逐个加工。
技术领域
本发明属于微细机械加工技术领域，特别涉及将微细冲压和微细电火花加工 技术交叉融合在一起的对金属合金材料进行加工的一种微细喷射型孔的复合加 工工艺。
背景技术
采用精密机械切削加工制造微细型孔，存在加工精度难以保证、加工效率低、 复杂形状加工困难等缺点；在特种加工中，电子束和离子束加工需要在真空条件 下进行，加工设备昂贵，在实际应用上有局限性；激光加工通常形状精度和表面 粗糙度较差；电火花加工的加工效率较低，且电极的损耗会影响加工精度；电化 学加工在加工机理上具有达到精密和微细加工的可能性，但传统的电化学加工包 括光刻电解加工工艺，在电解蚀除过程中尺寸精度不易精密控制；而在塑性变形 加工方面，精密冲压具有生产率高、加工尺寸一致性好的优点，但应用于微细结 构加工尚待解决关键的工艺问题。
各种微细加工手段有其各自的技术特点，用于实际产品的微细结构的加工 时，单一的加工原理和方法往往不足。采用多种微细加工的复合工艺，发挥各自 的优势，取长补短，是一可取的技术途径。
发明内容
所述微细冲头工具的微细倒锥的锥角和尖端圆角半径的大小取决于所需型 孔的微细化程度，尖端圆角半径小于20μm。对于正三角形微细型孔的加工，倒 锥的面锥角小于32.2°，对于圆形微细型孔的加工，倒锥的锥角小于53.2°。
所述多道微细冲压工序的粗冲压工序完成主要的塑性变形，所用冲头的锥角 和尖端圆角的强度和耐磨性好；精冲压工序得到最终形状和精度要求的底型腔， 所用冲头的锥角和尖端圆角的形状和尺寸精度高。精冲压工序所用冲头的形状由 所需微细型孔的形状决定：若需加工多边形微细型孔，则选用多棱锥形冲头，若 需加工圆形微细型孔，则选用圆锥形冲头。
所述微细冲头的锥尖的制备，采用精密磨削或微细电火花靠磨工艺。
所述阵列微细型孔的微细电火花背面减薄工艺有两种加工方法：大面积扫描 式加工，或在对应于每个底型腔倒锥的位置依次逐个加工。
本发明的有益效果是：
1.综合了微细冲压和微细电火花加工工艺的长处。工件正面的底型腔加工采 用微细冲压工艺，小孔尺寸的稳定性和一致性好，生产率高，在大批量生产时， 其成本比其他方法低得多。背面减薄采用微细电火花工艺，具有较高的加工精度， 尺寸精度达到微米量级，表面粗糙度达到亚微米量级。因此该工艺实用性好，是 一种面向工业应用的阵列微细型孔的新型复合加工工艺，可用于加工圆形或多边 形微细型孔及其阵列。
2.底型腔的加工根据先粗加工、后精加工的原则分为多次微细冲压工序，可 以兼顾较高的加工效率和加工精度。先进行的粗加工工序，冲头锥角和尖端圆角 半径较大，强度和耐磨性高，可以取尽量大的塑性变形量以提高加工效率；最后 进行的精细冲压工序，冲头的形状和尺寸精度很高，因为只取很小的塑性变形量， 加工过程中材料的弹性回复效应和冲头尖端的变形和磨损都很小，从而保证了底 型腔的较高加工精度，并且在阵列型孔的加工中，各单元形状和尺寸的一致性好。
3.冲压工序不冲透工件而是留有一定厚度的金属薄层，因此不会在孔边缘出 现不易清除的毛刺。所留金属薄层的厚度很小，有利于减小后续的电火花减薄工 艺的加工余量。
4.精密冲压工艺得到的底型腔带有小锥角的微细倒锥，在后续的背面减薄工 艺中，微细型孔截面尺寸的误差敏感方向由横向转化为纵向；倒锥的锥角越小， 减薄工艺的加工深度误差对型孔的最终尺寸精度的影响越小，从而降低了在微细 电火花加工中对电极损耗进行补偿的工艺难度；例如，对于圆孔加工，倒锥是圆 锥形，当倒锥的锥角小于53.2°时，该误差敏感度小于1，相当于减小了加工误 差，有利于得到较高的加工精度。
5.精密冲压工艺得到的底型腔倒锥的尖端圆角半径很小；而如果该圆角半径 越小，则本工艺流程所能达到的微细化程度越高，亦即所能加工的最小微细型孔 的尺寸越小。
本发明所述工艺流程中，由于采用粗、精加工分开的多次冲压工艺，最末次 的精冲压工序的加工余量很小，对冲头的强度和耐磨性要求大大降低，因此可以 用锥角和锥尖圆角半径很小的精细冲头进行冲压加工，得到锥角和锥尖圆角半径 很小的微细底型腔，保证了在微细型孔加工实现很高的加工精度和微细化程度。
6.微细型孔的形状由底型腔倒锥的形状决定，因此本发明所述的工艺路线避 免了微细异形截面的电火花电极制作的难题。
附图说明
图1a、1b、1c为微细型孔的复合加工工艺流程示意图。
图2a，第一次冲压所用的圆锥冲头1-1。
图2b，第二次冲压所用的正三棱锥形冲头1-2。
图2c，第三次冲压所用的正三棱锥形冲头1-3。
图3a，第一次冲压工序(粗冲压)。
图3b，第二次冲压工序。
图3c，第三次冲压工序(精冲压)。
图4为三角形微细喷射型孔阵列的样例。
具体实施方式
以三角形微细型孔阵列的加工为例说明本发明所述的复合工艺路线。
本发明综合了微细塑性变形与微细电火花加工两种工艺手段：首先根据先粗 加工、后精加工的原则，进行多次微细冲压工艺，在工件2的一面加工出带有微 细倒锥的底型腔4，如图1(a)所示；工件进行径向和圆周进给运动，得到底型腔 的阵列；然后翻转工件2，采用微细电火花工艺减薄材料，露出底型腔倒锥的尖 端，得到所需截面尺寸的微细型孔。其中图1(b)所示为大面积扫描式减薄，电极 3沿水平方向运动，持续放电加工，在工件背面整体去除一层规定厚度的金属材 料。图1(c)所示为逐点减薄，电极3在正对每个底型腔4倒锥的位置作竖直运动 放电加工，逐点去除每个底型腔倒锥背面的金属材料，形成微细型孔。
根据每道微细冲压工序的要求，设计制作一系列微细冲头，如图2所示。本 实施例中，底型腔的加工包括三道冲压工序，因此需要三种微细冲头：1)第一次 冲压所用冲头1-1如图2a所示。第一次冲压是粗冲压工序，目的是实现较大的 塑性变形，提高加工效率，而对加工精度要求不高，因此其冲头1-1的尖端锥度 和圆角半径不能太小，以保证冲头具有足够高的机械强度和耐磨损性能；因为对 形状精度要求不高，可采用圆锥形冲头，可进一步提高其强度并降低冲头的加工 难度。图中α1为圆锥冲头的锥半角；2)第二次冲压所用冲头1-2如图2b所示。 第二次冲压工序要完成一定的塑性变形量并得到基本满足形状和尺寸要求的型 腔，为最后一道精冲压工序预留近可能小的加工余量。其冲头1-2为正三棱锥形 状，图中α2是三棱锥面与冲头轴线的夹角，β2是三棱锥棱边与轴线的夹角。三 条棱边上磨出面角为γ的小斜面，β2＞γ，这是因为本工序尚有较大的加工量， 该设计可以在得到较小的底型腔锥角的前提下适当提高冲头尖端的强度和耐磨 性；3)第三次冲压工序所用冲头1-3如图2c所示。第三次冲压是精冲压工序， 得到最终精度要求的底型腔，其冲头为正三棱锥形状。为保证在后续的背面减薄 工艺中得到尺寸小、精度高的微细型孔，其冲头1-3的尖端锥角和圆角半径都很 小，图中锥面与冲头轴线的夹角为α3，棱边与轴线的夹角为β3。
底型腔4及其微细倒锥的加工如图3所示，包括三道冲压工序(依次如图 3(a)、图3(b)和图3(c)所示)，分别使用上述冲头1-1～1-3，最后得到具有正三 棱锥形微细倒锥的底型腔4。三种冲头的锥半角不同：α1＞α2＞α3，其中α3是底 型腔倒锥的最终锥半角。为提高型孔加工的微细度和加工精度，在保证冲头的强 度和耐磨性的前提下，锥半角α3和尖端圆角半径应尽可能小。当锥半角α3小于 16.1°，微细型孔的边长误差对后续背面减薄工艺的加工深度误差的误差敏感度 小于1。因此第三次冲压所用冲头1-3的面角α3应远小于16.1°，才能够有效 减小加工误差。例如，如果取α3＝8°，上述误差敏感度约为0.49；亦即，背面减 薄工艺中，若加工深度误差为10um，最终三角形微细型孔的边长误差仅4.9um。
冲头锥尖的制备可采用精密磨削或微细电火花靠磨工艺。
为了保证定位，三种冲头均需加工定位槽。定位槽的位置取决于冲头与冲压 机的装夹，可在冲头尾部或中部位置加工定位槽，定位槽的设计除保证每次冲压 的中心线重合，还要保证第二和第三次冲压工序中，冲头的安装角度方位一致。
完成带有微细倒锥的底型腔加工之后，翻转工件，在其背面采用微细电火花 加工，减薄材料露出型腔倒锥孔，得到所需截面尺寸的微细型孔。其倒锥的面锥 角小于32.2°，对于圆形微细型孔的加工，倒锥的锥角小于53.2°。
减薄方式可以是大面积扫描式，如图1(b)所示，电极沿水平x方向运动，持 续放电加工；结合水平y向的进给运动，完成工件整个平面的减薄。背面减薄也 可采用如图1(c)所示的逐点加工，电极在正对每个底型腔倒锥的位置，沿竖直方 向放电加工，逐个位置蚀除材料。这两种加工方法均可完成所需截面尺寸的微细 型孔的加工。
上述的微细冲压和微细电火花减薄工艺，结合工件的环向和径向进给运动， 可获得阵列微细喷射型孔，其样例如图4所示。
精密冲压工艺得到的底型腔的微细倒锥的尖端圆角半径很小，能制作尺寸非 常微小的型孔。因为尖端圆头部分不具有所需要的截面形状，必须在减薄工艺中 去除，因此倒锥的尖端圆角半径决定了微细型孔加工所可能达到的最小尺寸。该 尖端圆角半径越小，本工艺所能达到的微细化程度越高。
由于采用粗、精加工分开的多次冲压工艺，最末次的精冲压工序的加工余量 很小，对冲头的强度和耐磨性要求大大降低，因此可以采用锥角和锥尖圆角半径 很小的精细冲头进行冲压加工，得到锥角和锥尖圆角半径很小的微细底型腔。很 小的底型腔锥角可以大大提高微细型孔的加工精度；很小的底型腔尖端圆角半径 则可以保证型孔加工实现很高的微细化程度。
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