微塑性成形工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

薛春娥

（長江職業(yè)學(xué)院工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

自20世紀(jì)80年代末以來，世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、日本及歐共體各國都已將微電子機(jī)械系統(tǒng)作為一種重要發(fā)展學(xué)科之一，并投入大量資金進(jìn)行相關(guān)研究，這極大地推動(dòng)了微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了超精密機(jī)械加工、深反應(yīng)離子蝕刻、LIGA（即德文光刻/Lithographie，電鑄/Galvanoformung和注塑/Abformung三個(gè)詞的縮寫）及準(zhǔn)LIGA技術(shù)等技術(shù)。然而，這些方法具有成本高、周期長、效率低、有污染等缺點(diǎn)，制約了它們在微細(xì)加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相比之下，微塑性成形技術(shù)不僅具有低成本、高效率等特點(diǎn)，而且具有高強(qiáng)度、高精度、表面質(zhì)量好等優(yōu)勢，因此被認(rèn)為是微細(xì)零部件批量生產(chǎn)的理想方法。近年來，一些科研工作者開始嘗試將微塑性成形技術(shù)應(yīng)用于微細(xì)金屬零部件的批量制造，先后出現(xiàn)了微沖裁、微彎曲、微拉伸、微擠壓、微印花及微納復(fù)制成形等微塑性成形技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹了近年來國內(nèi)外學(xué)者在微塑性成形工藝方面的研究工作，并對(duì)微成形技術(shù)的未來提出了展望。

1 晶態(tài)材料的微塑性成形工藝

（1）微沖裁。沖裁是生產(chǎn)微小零件的主要工藝之一，目前相關(guān)的研究主要集中在電子產(chǎn)品方面。1990年，Sekine等人研究了線框零件的微沖裁工藝，隨后他們還進(jìn)一步研究了高速精密沖裁在微機(jī)電器件生產(chǎn)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)研究了150 μm厚的板料的微沖裁工藝，發(fā)現(xiàn)沖裁力與材料的各向異性有關(guān)，不同沖裁方向上的沖裁力相差明顯。Raulea等人系統(tǒng)地研究了沖裁傾角對(duì)微沖裁工藝的影響規(guī)律，并且還究了晶粒度對(duì)微沖裁工藝的影響，研究發(fā)現(xiàn)，剪切力沒有隨著晶粒尺寸與局部尺度比率的增加而降低，反而有增加的趨勢，分析認(rèn)為，晶粒尺度與局部尺度比率增加使局部變形抗力增大是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因。微沖裁中凸凹模間隙的控制以及工模具之間的磨損是有待解決的關(guān)鍵問題。

（2）微彎曲。微彎曲成形的產(chǎn)品外形尺寸與板料厚度比較相近，因此，宏觀彎曲工藝中的平面應(yīng)變假設(shè)不再適用。文獻(xiàn)的研究認(rèn)為，在宏觀彎曲成形中可以忽略的材料各向異性的影響，但微彎曲成形時(shí)材料處于彈塑硬化狀態(tài)，計(jì)算平面應(yīng)力時(shí)必須考慮各向異性的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)文獻(xiàn)提出的模型進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)通過有限元模擬研究了微彎曲中工模具幾何參數(shù)、摩擦系數(shù)及材料的影響。上述文獻(xiàn)研究表明，在微彎曲成形中同樣存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，另外，微型彎曲件在傳輸過程中極易變形，因此，微彎曲制件的檢測也是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題。

（3）微拉深。對(duì)于薄板成形，采用拉深技術(shù)可以成形各種形狀的杯體、腔體零件，但是拉深成形中的摩擦、非均勻變形、各向異性等現(xiàn)象的影響非常明顯，比其他成形工藝過程更為復(fù)雜，因此有關(guān)這方面的研究和報(bào)道也較少。文獻(xiàn)通過專用裝置研究了薄板的微拉深工藝，在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，薄板厚度t為0.05～1.0mm，沖頭直徑DP為0.5～40 mm，選擇不同的尺寸進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，分析了拉深極限與沖頭相對(duì)直徑DP/t的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)直徑DP/t大于40時(shí)，可以用相似原理解釋其拉深機(jī)理；而當(dāng)沖頭相對(duì)直徑DP/t小于20時(shí)的拉深機(jī)理明顯不同于大相對(duì)直徑的拉深機(jī)理。與其他成形方法相比，微拉深成形工藝的制約因素較多，研究難度大，特別表現(xiàn)在傳感器及相關(guān)檢測技術(shù)上。

（4）微擠壓。微擠壓是最典型的微成形工藝之一。文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的微擠壓實(shí)驗(yàn)研究，按照相似性原理設(shè)計(jì)了一組前擠壓試驗(yàn)方案，在0.5～4mm范圍內(nèi)選擇一序列直徑不同的擠出口模，研究擠壓速度、表面粗糙度以及不同潤滑條件對(duì)微擠壓的影響。結(jié)果表明，擠出壓力隨著零件尺寸的減小而增大，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。該文獻(xiàn)還設(shè)計(jì)了一種前桿后杯的復(fù)合擠壓方案來研究復(fù)雜零件的微擠壓成形工藝，并研究了微擠壓成形中的晶粒尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，圖1(a)是前桿后杯微型零件。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠出直徑為2～4mm時(shí)，制件杯高與桿長比率的變化不受晶粒度的影響，但當(dāng)擠出直徑減小到0.5mm后，晶粒度大的樣件的杯高幾乎一致。文中分析認(rèn)為，這是由于杯壁厚度與晶粒直徑相當(dāng)，甚至小于晶粒直徑，從而使材料的延展性降低，因此復(fù)合擠壓時(shí)材料更容易向擠壓頭的運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)，由此認(rèn)為，坯料的微觀組織以及微零件的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)微成形具有重要的影響。

美國學(xué)者Y·Saotome利用Al-78Zn作為坯料，成功擠出模數(shù)為10μm的微型齒輪軸，該齒輪的節(jié)距圓直徑只有100μm，如圖1（b）所示。文獻(xiàn)采用微擠壓工藝，研究了Zn-Al22、2091Al-Li和1420Al-Li合金的超塑微擠壓性能，并分析了溫度、壓力、保壓時(shí)間以及潤滑條件等對(duì)超塑性微成形的影響情況，提出微成形性能的評(píng)價(jià)方法。

圖1 (a)前桿后杯微型零件

3 非晶微成形工藝的發(fā)展

圖2 以Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5塊體非晶合金為原材料，利用熱塑性成形工藝加工的多尺度空間曲面圖案，（a-c）微米和納米尺度的半球表面圖案，（d）一端具有納米棒的微柱圖案。

由于晶態(tài)材料存在晶粒、晶界以及位錯(cuò)等特征，在微成形中存在明顯的缺陷，而非晶合金作為一種新型材料，剛好克服了上述問題，被認(rèn)為是一種化最理想的微成形材料之一，因此，近年來，國內(nèi)外關(guān)于非晶微成形技術(shù)方面的研究較多：如Saotome和Kawamura等人詳細(xì)研究了齒輪類微型非晶零件的擠出成形工藝；Chiu以及耶魯大學(xué)的Kumar等人為了探索塊體非晶合金在過冷液態(tài)區(qū)的熱塑性微成形機(jī)理，進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并將該技術(shù)應(yīng)用到表面圖案成形和三維體成形中。圖2是以Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5塊體非晶合金為原材料，利用熱塑性成形工藝加工的多尺度空間曲面圖案，其中(a)–(c)是微米和納米尺度的半球表面圖案，(d)展示了一端具有納米棒的微柱圖案。Wert等人也進(jìn)行了大量的非晶合金超塑性微成形方面的實(shí)驗(yàn)研究，并分別采用正擠、反擠壓以及閉式模鍛等工藝手段，成形出了一些典型非晶微型零件。

國內(nèi)方面，張志豪等人研究了塊體非晶合金Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5的超塑性成形性能，在此基礎(chǔ)上，采用精密模鍛方法制備了模數(shù)只有0.25mm的直齒非晶齒輪和微型凸輪等微型零件；隨后他們利用實(shí)驗(yàn)研究的方法，嘗試了不對(duì)稱微型棘輪的超塑性精密模鍛成形工藝；郭曉琳利用超塑性閉式模鍛的方法研究了鋯基非晶微型齒輪微塑性成形工藝，并利用閉式模鍛方法成形出分度圓直徑為1mm的微型齒輪。另外，文獻(xiàn)通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)研究了鋯基非晶合金超塑性微反擠壓成形過程中的流變機(jī)理以及尺寸效應(yīng)等相關(guān)理論問題，并成功擠壓出壁厚只有50μm的杯形微型非晶零件和不同壁厚的變截面三維微型非晶零件，如圖3所示。

非晶合金微成形技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)取得了一些研究成果。但仍有許多需要進(jìn)一步深入和完善的研究工作有待開展，如復(fù)雜微型非晶零件成形的多軸流動(dòng)機(jī)理和流動(dòng)規(guī)律；微塑性成形過程對(duì)非晶組織和性能的影響機(jī)理；如何有效地降低非晶的粘度，以實(shí)現(xiàn)微型非晶零件的低能耗、高效成形，這些都是非晶微塑性成形需要解決的理論和技術(shù)難題。

圖3 不同壁厚的變截面非晶零件，對(duì)應(yīng)沖頭直徑分別為：(a)1.1 mm,(b)1.0 mm,(c)0.9 mm,(d)0.8 mm

3 結(jié)語

微成形工藝是一項(xiàng)新興的多學(xué)科交叉的工藝技術(shù)，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者幾十年的研究和實(shí)驗(yàn)，該技術(shù)已得到一定的發(fā)展。但工藝研究需要理論支持和指導(dǎo)，目前人們對(duì)這一技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工藝方法的認(rèn)識(shí)還不足，存在諸多有待解決的基礎(chǔ)理論和技術(shù)難題：如微成形材料及其本構(gòu)理論的研究，開發(fā)適合微成形工藝的新型材料，建立微小尺寸下材料的本構(gòu)關(guān)系，并基于這些理論建立起微觀尺度下金屬成形工藝的理論體系，是這一領(lǐng)域研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題；另外，與微成形工藝相關(guān)的微成形裝備、微型模具、檢測技術(shù)和檢測設(shè)備等方面都存在一些急待解決的難題，微成形技術(shù)的發(fā)展將是一個(gè)艱辛的過程，但由于該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了各工業(yè)國家的高度重視，相信隨著研究的不斷深入，微成形技術(shù)將得到更快的發(fā)展。

[1]H.R,Microsystems Research and Development in Japan,in:A.M(Ed.),Site Reports,2002,pp.14～18.

[2]M.Geiger,M.Kleiner,R.Eckstein,N.Tiesler,U.Engel,Micro forming,in:51st General Assembly of CIRP,Nancy,France,2001,pp.445-462.

[3]S.F.Jimma T,On High Speed Precision Blanking of IC Lead-Frames Using a Progressive Die.1 J.Mater.Process.Technol.1990,22:291～305.

[4]K.C.Chan,S.H.Wang,The grain shape dependence of spring back of integrated circuit leadframes,Mater.Sci.Eng.A 270(1999)323-329.

[5]Y.Saotome,K.Yasuda,H.Kaga,Microdeep drawability of very thin sheet steels.J.Mater.Process.Technol.,113(2001)641-647.

[6]U.Engel,R.Eckstein,Microforming-from basic research to its realization,in:9th International Conference on Metal Forming,2002,pp.35-44.

[7]王長麗,鋅合金和鋁合金超塑微擠壓研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001.

[8]J.Schroers,Q.Pham,A.Desai,Thermoplastic forming of bulk metallic glass-A technology for MEMS and microstructure fabri cation,J.Microelec.Sys.,16(2007)240-247.

[9]F.Sekine,Effective stripper-holding on high speed precision blanking of electronic machine parts,M.Geiger,J.Duflou,H.J.J.Kals,B.Shirvani,U.P.Singh(Eds.)Sheet Metal 2005,2005,pp.805-808.

[10]L.W.B.Cheung C.F,Chin W.M.,An Investigation of Tool Wear in the Dambar Cutting of Intergrated Circuit Packages.Wear,2000,237:274～282.

[11]L.V.Raulea,A.M.Goijaerts,L.E.Govaert,F.P.T.Baaijens,Size effects in the processing of thin metal sheets,J.Mater.Process.Technol,115(2001)44-48.

[12]W.S.H.Chan K.C.,Theoretical Analysis of Spring back in Bend ing of Integrated Circuit Lead frames.J.Mater.Process.Technol,1999,91:111～115.

[13]P.H.J.,?FE-Simulation of Micro Bending.The 7th International Conference on Sheet Metal,Bamberg,Meisenbach,1999.

[14]G.Kumar,A.Desai,J.Schroers,Bulk Metallic Glass:The Small er the Better,Adv.Mater.,23(2011)461-476.

[15]吳曉.鋯基非晶合金微成型技術(shù)基礎(chǔ)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)圖書館，2011.