基于浮動(dòng)式模具成形微型齒輪工藝研究

王春舉，單德彬，郭 斌，周 健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001，E-mail:cjwang1978@hit.edu.cn)

基于浮動(dòng)式模具成形微型齒輪工藝研究

王春舉，單德彬，郭 斌，周 健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001，E-mail:cjwang1978@hit.edu.cn)

鑒于摩擦對(duì)微型零件塑性微成形過(guò)程的影響隨表面積與體積之比增加而顯著增大的現(xiàn)象，本文對(duì)微型齒輪零件成形設(shè)計(jì)了浮動(dòng)式微型模具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了等溫成形實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：可浮動(dòng)凹模將摩擦阻力變?yōu)榉e極摩擦力，提高了坯料向模腔的填充能力，有效降低了成形載荷;對(duì)成形件的分析表明，成形件有良好的表面質(zhì)量和微觀組織結(jié)構(gòu).

塑性微成形;浮動(dòng)式模具;積極摩擦力;微型齒輪

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，促進(jìn)了微型零件制造技術(shù)的發(fā)展.微塑性成形技術(shù)是以塑性變形的方式來(lái)成形微型零件的工藝方法，從制造工程的角度看，微塑性成形技術(shù)有加工成本低、效率高和可加工材料多等優(yōu)勢(shì)，因而具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?］.微塑性成形技術(shù)是指成形的零件尺寸或其特征尺寸小于1 mm，它不是傳統(tǒng)塑性成形工藝的簡(jiǎn)單幾何縮小，而是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域［2－3］，國(guó)外學(xué)者在這方面已經(jīng)作了大量的研究工作.在基礎(chǔ)理論方面，荷蘭的Raulea、德國(guó)的Engel和Tiesler教授等人［4－6］采用拉伸、鐓粗和復(fù)合擠壓等工藝研究了坯料尺寸、晶粒尺寸和摩擦條件等參數(shù)對(duì)材料微塑性成形性能的影響，并對(duì)微塑性成形的變形機(jī)理進(jìn)行了研究.在成形設(shè)備方面，采用新式驅(qū)動(dòng)器研制了微塑性成形裝置，其中具有代表性的是日本的Saotome教授采用壓電陶瓷作驅(qū)動(dòng)器研制微型反擠壓成形裝置［7］和Schepp采用兩個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)研制的微塑性成形設(shè)備［8］.在微型零件成形工藝方面，國(guó)外學(xué)者成形出多種微型零件，并且有些零件已經(jīng)得到實(shí)際的應(yīng)用.德國(guó)的Geiger教授［6］采用復(fù)合擠壓成形工藝成功地成形出微型杯桿件，如圖1所示.日本的Saotome教授［9］采用閉式模鍛成形出分度圓直徑分別為1 mm和2 mm的微型雙齒輪件(圖2)，并使用該成形件組裝出減速比為1/128的減速機(jī)構(gòu)，目前，這一機(jī)構(gòu)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用.為了提高微成形件的成形質(zhì)量和機(jī)械性能，Saotome教授等人［10］將新型材料非晶態(tài)合金應(yīng)用于微塑性成形.非晶態(tài)合金有非常好的微塑性成形性能，使用該材料可以成形出底邊長(zhǎng)只有5 μm的微金字塔型件，甚至可以填充槽寬只有0.2 μm的V型槽.在對(duì)非晶態(tài)合金微塑性成形性能研究的基礎(chǔ)上，采用反擠成形工藝成功成形出分度圓直徑只有100 μm的齒輪件［11］.國(guó)內(nèi)在微塑性成形技術(shù)方面的研究剛剛開(kāi)始，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張凱鋒教授對(duì)超塑性材料的微成形性能進(jìn)行了研究［12］;上海交通大學(xué)的阮學(xué)榆院士帶領(lǐng)的課題組對(duì)銅微圓柱試樣的鐓粗變形規(guī)律進(jìn)行了研究［13］.

圖1 杯桿件圖

圖2 微型雙齒輪件

本文針對(duì)微塑性成形的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了浮動(dòng)式微型模具裝置，并使用自行研制的設(shè)備進(jìn)行了微型齒輪成形實(shí)驗(yàn)研究.

1 浮動(dòng)式微型模具裝置設(shè)計(jì)

零件幾何尺寸的微型化給成形模具的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大困難.成形零件幾何尺寸小，一方面零件成形過(guò)程中外加載荷很難有效地施加到坯料上;另一方面，模具型腔的減小使得坯料的變形抗力相對(duì)增大，這就需要增加成形載荷才能成形出高質(zhì)量零件.然而，模具幾何尺寸小導(dǎo)致了模具強(qiáng)度不高，單純的通過(guò)增加成形載荷來(lái)成形出高質(zhì)量零件的方法是不可行的，這就需要針對(duì)微塑性成形的特點(diǎn)進(jìn)行模具裝置的設(shè)計(jì).

本文提出了采用浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)來(lái)成形微型齒輪，該模具裝置主要有凹模、凸模、沖頭、彈簧和其他零件組成，模具結(jié)構(gòu)如圖3所示.凹模通過(guò)墊環(huán)放置在彈簧上，可以在載荷作用下向下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)凹模的浮動(dòng).凹模向下移動(dòng)時(shí)，凸模放在支撐物上不能下移，因而外加載荷全部施加到坯料上，這有效提高了載荷利用率，可以降低成形過(guò)程中的外加載荷.

圖3 浮動(dòng)式微型模具裝置示意圖

微塑性成形中，模具型腔幾何尺寸小，摩擦阻力使得坯料很難充滿模具型腔，是影響微成形質(zhì)量的重要因素之一.采用浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)，可以改變摩擦力的方向，將其變?yōu)橛欣诔尚蔚姆e極摩擦力，成形中坯料的受力示意圖如圖4所示.由圖4可以看到，隨著坯料的變形，坯料與凹模型腔的內(nèi)壁接觸并產(chǎn)生摩擦力，由于坯料變形中凹模是向下移動(dòng)的，坯料與凹模型腔間的摩擦力方向與凹模移動(dòng)方向一致也是向下的，坯料的這種受力狀態(tài)有利于坯料向凹模型腔底部邊角填充，從而有效提高了坯料的填充能力，在較小的外加載荷下就可以充滿模具型腔.

圖4 浮動(dòng)式模具坯料受力示意圖

微塑性成形中的模具精度直接影響微型零件成形的精度，也是模具加工的難點(diǎn).本文采用浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)，在保證成形精度的前提下有效降低了模具加工的難度.圖5為浮動(dòng)式模具裝置采用的微型齒輪模具，由凹模a)和凸模b)兩部分組成.這兩個(gè)零件由精細(xì)加工技術(shù)加工而成，成形精度為微米級(jí)，可以保證成形件外輪廓的幾何精度.凸模與凹模間有一定的間隙，既可以保證凸模和凹模能夠順暢的相對(duì)滑動(dòng)又不會(huì)影響成形件的成形精度.凸模由凹模來(lái)導(dǎo)向，因而對(duì)模具裝置的其他零件精度要求不高，采用常規(guī)加工方法就可以實(shí)現(xiàn)，這有效降低了模具裝置的加工難度和成本.并且，坯料放在凹模內(nèi)進(jìn)行成形，解決了坯料的放置和定位問(wèn)題.為了獲得所需厚度的微型齒輪，通過(guò)體積不變?cè)瓌t計(jì)算所需坯料的幾何尺寸，并采用成形設(shè)備控制凹模運(yùn)動(dòng)行程.

圖5 微型齒輪模具

2 微型齒輪成形工藝研究

使用設(shè)計(jì)的微型浮動(dòng)式模具裝置進(jìn)行了微型齒輪零件的微塑性成形實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)的精密微塑性成形設(shè)備，可以對(duì)成形過(guò)程中的載荷、位移和加載速度等參數(shù)進(jìn)行精確控制，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和記錄.

2.1 微型齒輪成形實(shí)驗(yàn)

使用MB15鎂合金材料，坯料尺寸為Φ0.7 mm ×1.0 mm，實(shí)驗(yàn)溫度380℃，使用恒速度加載方式，加載速度為0.002 mm/s.微型齒輪模具參數(shù)為:模數(shù)0.1 mm，分度圓直徑為1.0 mm，齒數(shù)為10個(gè)，成形微型齒輪厚度設(shè)定為0.5 mm.

微型齒輪成形過(guò)程中的載荷－沖頭行程曲線如圖6所示.分析微型齒輪的成形載荷－沖頭行程曲線，可以將微型齒輪的成形過(guò)程分為3個(gè)階段.第1階段為鐓粗變形階段(OA段)，該段坯料主要發(fā)生鐓粗變形.第2階段為齒腔填充階段(AB段)，坯料變形到一定程度后開(kāi)始向微型齒輪齒腔內(nèi)流動(dòng)，成形載荷隨著沖頭行程的增大而增大，是成形的主要階段.此時(shí)，坯料與模具型腔內(nèi)壁已經(jīng)接觸產(chǎn)生積極摩擦力，利于坯料向模具底部邊角充填，成形的微型齒輪件如圖7(a)所示，可以看到成形件的底部已經(jīng)基本充滿，這說(shuō)明浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)作用明顯.微型模具底部充滿后，坯料開(kāi)始充填齒形型腔的上部型腔，成形載荷在D處增加變快，然后又緩慢增加.當(dāng)沖頭行程達(dá)到0.45 mm時(shí)，微型模具型腔基本充滿，只有上部邊角處還沒(méi)有完全充滿，是成形的死角，填充困難，導(dǎo)致成形載荷迅速增加，當(dāng)載荷達(dá)到120 N時(shí)整個(gè)模具型腔完全充滿，這是成形的第3階段——完全充滿階段(BC段)，成形的微型齒輪件SEM照片如圖7(b)所示.

圖6 微型齒輪載荷-沖頭行程曲線

圖7 微型齒輪成形件

為了檢驗(yàn)浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)的效果，與非浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比.圖8分別為非浮動(dòng)式模具結(jié)構(gòu)示意圖和成形出的微型齒輪件，可以看到，當(dāng)成形載荷達(dá)到500 N時(shí)，微齒輪的齒頂部分仍然沒(méi)有充滿，成形質(zhì)量差.這表明浮動(dòng)式模具不僅降低了成形載荷，而且提高了成形質(zhì)量.

2.2 微型齒輪成形質(zhì)量分析

圖7(b)為成形的微型齒輪零件的SEM照片，可以看出成形件輪廓清晰、齒面光滑，沒(méi)有毛刺，這說(shuō)明成形的微型齒輪件有很好的表面質(zhì)量.

對(duì)使用5A02鋁合金材料成形的微型齒輪件進(jìn)行了顯微組織分析，圖9為微型齒輪成形件的流線分布圖.由圖9可以看到，橫截面上各處的流線是與齒輪齒形輪廓一致的，且流線分布密度不同.齒根部流線彎曲劇烈，密度很大;輪齒的心部流線密度變的稀疏，分布均勻.微型齒輪的這種顯微組織結(jié)構(gòu)提高了成形件的承載能力和抗彎曲疲勞強(qiáng)度.齒形表層的流線已經(jīng)在摩擦力的作用下拉斷，變?yōu)轭w粒狀，這避免了流線在成形件表面露頭，提高了齒形面的耐磨損性能.

圖9 微型齒輪的流線分布

3 結(jié)論

1)針對(duì)微成形特點(diǎn)設(shè)計(jì)了浮動(dòng)式模具裝置，將成形中的摩擦阻力變?yōu)榉e極摩擦力，改變了坯料的受力狀態(tài)，可以降低成形載荷，利于坯料對(duì)模具型腔的填充，并解決了坯料的放置和定位問(wèn)題.

2)微型齒輪的成形過(guò)程可以分為3個(gè)階段，分別為鐓粗變形、齒腔填充和最后充滿階段.其中，第2階段齒腔填充是微型齒輪的主要階段，該階段齒腔底部首先充滿，這表明模具浮動(dòng)結(jié)構(gòu)效果明顯.與非浮動(dòng)式模具相比，降低了成形載荷，提高了成形質(zhì)量.

3)微成形件的表面觀察和顯微組織分析表明，成形件不僅有很好的表面質(zhì)量，而且有良好的顯微組織分布，有助于提高微成形件的力學(xué)性能和使用性能.

［1］ENGEL U，ECKSTEIN R.Mciroforming-from basic research to its realization［J］.J of Materials Processing Technology，2002，125－126:35－44.

［2］張凱鋒，雷鹍.面向微細(xì)制造的微成形技術(shù)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(12):1121－1127.

［3］單德彬，郭斌，王春舉，等.微塑性成形技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.材料科學(xué)與工藝，2004，12(5):449－450.

［4］RAULEA L V，GOVAERT L E，BAAIJENS F P.Grain and specimen size effect in processing metal sheets［C］//Proceeding of the 6thICTP.Nuremberg:Springer Verlag，1999.939－944.

［5］TIESLER N，ENGEL U，GEIGER M.Basic research on cold forging of microparts［C］//Proceeding of the 7thICTP.Yokohama:Japan Society for Technology of Plasticity，2002.379－384.

［6］TIESLER N，ENGEL U，GEIGER M.Forming of Microparts-effects of Miniaturation on Friction［C］//Proceeding of the 6thICTP.Nuremberg:Springer Verlag，1999.889－894.

［7］SAOTOME Y，IWAZAKI H.Superplastic backward microextrusion of microparts for micro-electro-mechanical systems［J］.J of Materials Processing Technology，2000，119:307－311.

［8］ SCHEPP F.Linearmotorgetriebene Pressen für die Stanztechnik［M］.Berichte aus Produktion und Umformtechnik.Aachen:Shaker Verlag，2002.

［9］SAOTOME Y，ITOH A，AMADA S.Supperplastic micro forming of double gear for milli-machines［C］//Proceeding of the 4thICTP.Beijing:International Academic Publisher，1993.2000－2005.

［10］SAOTOME Y，ITOH K，ZHANG T，et al.Superplastic nanoforming of Pd-based amorphous alloy［J］.Scripta materialia，2001，44:1541－1545.

［11］SAOTOME Y，IWAZAKI H.Superplastic extrusion of microgear shaft of 10 μm in module［J］.Microsystem Technologies，2000，6:126－129.

［12］張凱鋒，王長(zhǎng)麗.Zn－Al22超塑性微成形［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(5):82－86.

［13］SHEN Y，YU H P，RUAN X Y.The Test Study of Micro Copper Cylinder Upsetting［C］//Proceeding of the 1stICNFT.Harbin:Harbin Institute of Technology Publishers，2004.165－170.

Research on forming processes of microgears with floating micro-die

WANG Chun-ju，SHAN De-bin，GUO Bin，ZHOU Jian
(School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，E-mail:cjwang1978@hit.edu.cn)

Because the effect of friction on microforming increased quickly with the increasing of the ratio of surface to volume，in this paper，for the forming of microgear，a floating micro-die was designed，and isothermal forming tests of the microgears were carried out.The results show that the friction can be used to improve the billet to flow into die cavity by the floating micro-die so that the forming load is decreased obviously，and the formed microgears have good surface quality and microstructure.

microforming;floating micro-die;favorable friction;microgear

TG306 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)04－0011－04

2011－03－03.

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50835002);黑龍江省科技計(jì)劃青年基金資助項(xiàng)目(QC08C55);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研青年基金資助項(xiàng)目(200802131031).

王春舉(1978－)男，博士;

單德彬(1967－)，男，教授，博士生導(dǎo)師;

郭 斌(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 呂雪梅)