打印頭鐵芯基座生產工藝的研究

廖永良，邵 明，張 旸

（1.華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣東 廣州 510641；2.海軍駐沈陽地區航空軍事代表室，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

針式打印頭是針式打印機的核心部件，其性能與可靠性直接影響到打印機的整體工作質量。針式打印頭廣泛采用電磁鐵作為動力源，驅動打印針撞擊打印介質完成打印任務[1]。某廠生產的典型打印頭鐵芯基座如圖1所示，該零件形狀結構復雜，對尺寸精度和表面光潔度有很高的要求，其內部的24個小凸臺加工成形相當困難。

1 材料選擇

為了滿足電磁性能要求，鐵芯基座材料通常采用軟磁材料，如電磁純鐵、硅鋼和坡莫合金等。電磁純鐵具有飽和磁感應強度較高、磁滯損耗低，電阻率低等電磁性能，按照電磁性能由低到高分為普通級、高級、特級、超級，其電磁性能見表1。

圖1 鐵芯基座零件圖

電磁純鐵具有相對較軟、強度低、塑性成形性能優良以及成本價格低廉等特點，可作為軟磁結構材料來生產針式打印頭鐵芯基座。電磁純鐵在900℃左右從奧氏體γ-Fe轉變為鐵素體α-Fe時有體積突變，這時晶間聯系弱、塑性差，處在紅脆區；400℃左右時又處于藍脆區。在藍脆和紅脆區，電磁純鐵的塑性反而低于鄰近溫度區域，所以在進行室溫以上的塑性加工時必須避開這兩個溫度區，可選擇在高溫區（1100～1350℃）或低溫區（650℃～800℃）進行[2]。

表1 電磁純鐵的電磁性能

2 工藝分析

經過對該零件的幾何結構特點進行分析，其可能的成形制造方法有以下3種。

（1）采用機械切削加工生產。機械切削加工容易把金屬內部的纖維組織割斷，從而破壞了零件的力學性能，并且存在材料利用率低下、生產效率低下以及不適合大批量生產等缺點。

（2）采用精密鑄造技術加工生產。該方法可制造形狀結構復雜的異形零件，但金屬在凝固過程中容易產生應力集中，而且容易產生疏松、縮孔、夾雜以及化學成分不穩定等缺陷，導致磁阻增加和電磁性能變差，從而影響打印頭的正常工作。同時，該制造方法生產的零件尺寸公差等級較低，難以達到零件的精度要求。

（3）采用溫擠壓技術加工生產。溫擠壓是在冷擠壓和熱擠壓的基礎上發展起來的一種少無切削塑性成形工藝，是一種近凈成形制造方法。與熱擠壓相比，由于溫擠壓加熱溫度低，氧化脫碳大為減輕，產品尺寸精度和表面質量得到明顯提高，材料晶粒組織得到細化，產品力學性能好；與冷擠壓相比，溫擠壓所需成形力明顯減少，可采用比冷擠壓大的變形量，從而減少模具費用和壓力機噸位，還可采用剛性不很大的通用設備，模具壽命也比冷擠壓高很多，同時可免除繁復的軟化退火處理工序，便于組織連續自動化生產。可以說，溫擠壓基本上保留了冷擠壓和熱擠壓的優點，而克服了冷擠壓和熱擠壓的一些不足之處，廣泛應用于冷擠壓時變形抗力高、加工硬化激烈、成形較困難，而采用熱擠壓時尺寸精度和表面粗糙度又滿足不了要求的擠壓生產場合。

因此，本文作者采用溫擠壓成形工藝生產制造該零件。

3 溫擠壓成形工藝方案

通過以上工藝分析可確定鐵芯基座的溫擠壓生產工藝方案為：制備毛坯→溫擠壓預成形→沖裁→去毛刺→去除修邊余量→零件后處理（磁性處理、時效處理、涂覆等）。

3.1 溫擠壓預成形件的設計

根據溫擠壓的工藝性要求[3-4]和零件的結構特點，確定采用正擠壓成形工藝，將包括外圓環壁、凸緣部分和24個小凸臺的整體零件結構一次擠壓成形，該零件上的24個φ1.7 mm孔、3個φ 2 mm孔和中間的異型孔不擠出，這些孔安排在溫擠壓工序之后用沖裁工藝一次加工成形。考慮到溫擠壓后預成形件上端部不平齊，在預成形件高度方向上加修邊余量得到如圖2所示的預成形件圖。

3.2 溫擠壓毛坯的制備

用三維建模軟件SolidWorks測算出圖2所示預成形件的體積為4.459×103mm3。根據毛坯體積等于預成形件體積的原則可知：毛坯體積同為4.459×103mm3。考慮毛坯材料加熱后的體積膨脹，確保毛坯順利進入凹模腔內，引入體積修正，取毛坯直徑為D毛=33.20 mm，毛坯高度為H=5.15 mm。

圖2 預成形件圖

3.3 毛坯的加熱及潤滑

根據材料電磁純鐵的成形性能，選擇擠壓成形在700℃左右進行。為了防止坯料表面氧化和石墨保護膜的燒毀，坯料加熱時間要盡可能短，最好在10 min內完成加熱和擠壓的全過程。擠壓過程中，由于潤滑不好，可能引起坯料粘模，而出現嚴重的局部不均勻流動現象，并導致出現裂口、魚鱗狀的粗糙表面等缺陷。因此，在擠壓之前，毛坯都要經過潤滑處理。將坯料浸涂油基石墨潤滑劑，在其表面形成一層薄而均勻的石墨層，然后再加熱至擠壓溫度。根據需要，在模具上仍可加涂潤滑劑。

4 模具結構設計

4.1 溫擠壓模具設計

該模具采用導柱導套導向的正擠壓模結構，其結構示意圖如圖3所示。將加熱潤滑后的坯料置入凹模內，擠壓時，在凸模的壓力作用下，坯料在凹模腔內實現閉式鐓擠和正擠壓的復合擠壓，擠壓完成后，壓力機的頂出缸通過頂出板向上運動同時推動小頂桿和凹模鑲塊，利用小頂桿和凹模鑲塊存在的行程差，凹模鑲塊先脫離凹模實現開模，隨后小頂桿與頂出器接觸，頂出器將工件推出最終實現脫模，得到預成形件。

圖3 溫擠壓模具結構示意圖

4.2 沖裁模具設計

沖裁工序所用的沖裁模具如圖4所示。在開模狀態下，將預成形件置于凹模的模腔內，隨著凸模下行壓下，凸模模頭同時接觸預成形件上各所需沖孔面，將工藝廢料沖切下來，完成沖裁分離。沖裁完成后，凸模回程向上運動，在卸料板的作用下完成工件與凸模的分離，得到鐵芯基座。

圖4 沖裁模具結構示意圖

5 結束語

（1）提出了用溫擠壓工藝方法加工制造鐵芯基座零件，可節約原材料，減少機加工工作量，提高產品質量和性能，提高生產效率，適合大批量生產；

（2）綜合分析零件的結構特點及性能要求，選用了電磁純鐵作為零件材料并制定了相應的成形工藝方案；

（3）設計了成形工藝方案配套的溫擠壓模具和沖裁模具，在通用液壓機上即可實現鐵芯基座的加工生產。

本文所提出的打印頭鐵芯基座溫擠壓成形工藝及其成形模具已申請了國家發明專利，后續將進行該成形工藝方案的實驗研究并據此作進一步的優化改善。

［1］韓雪濤.圖解打印機維修快速入門［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］蔡利，胡亞民，車路長.電磁純鐵的鍛造及冷成形性能研究［J］.汽車工藝與材料，1998（09）：25-28.

［3］郝濱海.擠壓模具簡明設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］張水忠.擠壓工藝及模具設計［M］.北京：化學工業出版社，2009.