金屬微成形技術(shù)

黃錫峰

(廣州大學(xué)松田學(xué)院，廣州511300)

微成形是通過塑性加工制造至少在二維方向上尺寸處于亞毫米量級的零件或結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)［1］。在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了將傳統(tǒng)塑性加工工藝應(yīng)用于大批量微型金屬元件制造的微成形技術(shù)。典型的微成形工藝有微擠壓、微鈑金、微模鍛工藝等。由于這一技術(shù)具有極高的生產(chǎn)效率和最小的材料損失，最終產(chǎn)品具備優(yōu)秀的力學(xué)性能和緊公差等特點(diǎn)，特別適合于近凈成形或凈成形產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。因而微成形技術(shù)的研究已經(jīng)迅速成為研究領(lǐng)域和業(yè)界的熱點(diǎn)。

1 微成形技術(shù)的特點(diǎn)

在微小尺度下，微成形工藝已經(jīng)不再是單純的金屬塑性加工工藝，它已經(jīng)變成了多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。與傳統(tǒng)的金屬塑性成形工藝相比，微成形技術(shù)有其自身的特點(diǎn)。

(1)在微成形過程中，出現(xiàn)了所謂的尺度效應(yīng)現(xiàn)象即由于制品整體或局部尺寸的微小化引起的成形機(jī)理及材料變形規(guī)律表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)成形過程的現(xiàn)象。究其原因，目前的理解是，與宏觀成形相比，微成形制品的幾何尺寸和相關(guān)的工藝參數(shù)可以按比例縮小，但仍然有一些參數(shù)是保持不變的，如材料微觀晶粒度及表面粗糙度等。所以不能將微成形過程簡單理解為宏觀成形過程的等比微型化，而且在具體的微成形過程中材料的成形性能、變形規(guī)律以及摩擦等確實表現(xiàn)出特殊的變化［2］。

(2)材料在塑性成形過程中，隨著工件尺寸的減小，表面積與體積的比值增大，從而工件表面上的晶粒數(shù)目與工件內(nèi)部的晶粒數(shù)目之比也隨著增大，在表面積上的晶粒比體積內(nèi)的晶粒約束要少，因此，表面積上的晶粒將以較低的流動應(yīng)力變形。材料的本構(gòu)關(guān)系不再是簡單的應(yīng)力－應(yīng)變(率)之間的關(guān)系，而與被加工物體的尺寸、材料的晶粒尺寸等諸多因素存在著一定的聯(lián)系。

(3)由于隨著試件尺寸的微小化，工件與模具直接接觸的面積相對增大，而工件與潤滑劑接觸的相對面積減小，引起摩擦系數(shù)增大。微成形過程中摩擦和潤滑條件發(fā)生了變化。宏觀摩擦學(xué)中有關(guān)摩擦的理論和控制方法已不再適用。同時，由于微小尺度下表面積和體積之比增大，摩擦力對成形的影響比宏觀尺寸下要大得多。

(4)微成形工藝中模具的設(shè)計、制造以及模具材料的選擇發(fā)生了變化。由于微型化效應(yīng)，傳統(tǒng)的模具設(shè)計原則上不能完全應(yīng)用于微型尺度;模具材料從傳統(tǒng)的金屬材料變?yōu)楣璧确墙饘俨牧?。相?yīng)地，在模具制造方面，由于尺寸的微小以及模具材料的變化，模具的加工采用微電子行業(yè)的腐蝕、光刻等工藝。模具整體的加工精度、表面質(zhì)量的控制等都較傳統(tǒng)方法發(fā)生了變化。

(5)微成形時所需工作環(huán)境、設(shè)備、相關(guān)測試儀器和測試方法發(fā)生了變化。微成形時被加工材料需要處于真空或在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下;加工過程中對成形設(shè)備的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)。

2 微成形的應(yīng)用

與宏觀金屬成形相似，微成形技術(shù)的應(yīng)用可以分為3個方面:微體積成形、微鈑金成形和微型材成形［3］。

2.1 微體積成形

微體積成形有著廣泛的應(yīng)用，常用來生產(chǎn)微小的螺栓及銷釘類零件，如原材料經(jīng)過線拉拔得到直徑為幾十微米的線材，然后經(jīng)過切割成為微小圓柱體。通過對直徑為0.8～1mm線形工件鐓粗和軋制等微體積成形工藝，每年可生產(chǎn)上百萬只微螺釘?，F(xiàn)在采用微成形工藝可以加工出更小更復(fù)雜的零件。

2.2 微鈑金成形

Kals和Vollertsen利用空彎和激光加熱彎曲技術(shù)來研究微鈑金成形，最薄厚度可達(dá)0.1mm。Erhardt等人提出微鈑金成形概念工具，在微拉深時用激光對局部加熱，可以實現(xiàn)厚度為0.1mm鈑金的拉深。

2.3 微型材成形

目前這方面研究還比較少，高溫超導(dǎo)是當(dāng)前高新科學(xué)技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域，目前最典型的生產(chǎn)工藝是Bi系高溫超導(dǎo)帶材的粉末套管法(OPIT)。它是一種多復(fù)合體多次塑性成形的工藝方法，其特點(diǎn)是采用超導(dǎo)陶瓷粉末與金屬基材實現(xiàn)復(fù)合，并完成塑性加工。

3 微成形的相關(guān)技術(shù)問題

微成形技術(shù)的主要研究領(lǐng)域4個，即材料、模具、工藝和設(shè)備。除了上述幾個主要的微成形技術(shù)研究領(lǐng)域以外，還有許多相關(guān)的技術(shù)問題需要解決。

(1)是與微成形技術(shù)相關(guān)的檢測技術(shù)。微成形技術(shù)對檢測技術(shù)的發(fā)展也是一個極大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代檢測技術(shù)都十分復(fù)雜，如何高效、準(zhǔn)確的檢測微成形中的變化量是微成形技術(shù)的又一個研究方向［4］。現(xiàn)有的檢測設(shè)備復(fù)雜，且價格昂貴。如何高效方便地測試微成形過程中的各種物理量，開發(fā)出相關(guān)專用檢測設(shè)備等也是微成形技術(shù)研究領(lǐng)域的一個技術(shù)問題和研究方向。

(2)是如何利用數(shù)值模擬(有限元)的方法去對微成形技術(shù)進(jìn)行工藝等方面的模擬。通過在微成形理論基礎(chǔ)上建立微觀尺度下成形工藝等方面的有限元模擬方法，對微成形工藝進(jìn)行仿真，從而達(dá)到在微觀層次上對成形工藝及相關(guān)等的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)。目前這一研究領(lǐng)域也比較活躍，發(fā)展較快。

4 結(jié)語

微成形作為一門多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，會帶動相關(guān)技術(shù)和理論的發(fā)展，也相信隨著材料、微電子、測量、微制造等學(xué)科研究的深入，微成形在21世紀(jì)塑性加工中將會扮演越來越重要的角色。

［1］Engel U，Eckstein R.Micro forming－from Basic Research to It s Realization.Journal of Materials Processing Technology，2002，125－126(9):35－44.

［2］Kals T A，Eckstein R.Miniaturization in Sheet Metal Working.Journal of Materials Processing Technology，2000，103:95－101.

［3］FVollert sen，ZHu，H Schulze Niehoff，C Theiler.State of the art in micro forming and investigations into micro deep drawing.Journal of Materials Processing Technology，2004.151，70－79.

［4］趙迎紅，雷麗萍等.微塑性成形技術(shù)及其力學(xué)行為特征.塑性工程學(xué)報，2005，12(6):1－7.