金屬微零件熱擠壓成形要素研究

魏煒　黃華

摘要:本文通過(guò)對(duì)金屬微零件熱擠壓成形時(shí)材料選擇、潤(rùn)滑劑、擠壓成形壓力與時(shí)間、擠壓溫度、入模角、模具設(shè)計(jì)制造、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選用探討對(duì)其加工制造的影響。

關(guān)鍵詞: 金屬微零件；材料選擇；潤(rùn)滑劑；成形壓力與時(shí)間；擠壓溫度；入模角；模具設(shè)計(jì)制造、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1引言

在20世紀(jì)末期，微電子的發(fā)展引起科學(xué)界高度的關(guān)注，進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展突破時(shí)期，其小型化推動(dòng)科技發(fā)展進(jìn)入納米時(shí)代，也是科技發(fā)展的新時(shí)代[1]，這對(duì)整個(gè)世界，特別是發(fā)展中的中國(guó)，是個(gè)千載難逢的好機(jī)遇，中國(guó)人均資源較少，自然轉(zhuǎn)化很慢，提高資源利用率顯得很重要，產(chǎn)品精密化和微型化生產(chǎn)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)之一。微型零件體積比較小、材料利用率高陪受生產(chǎn)者的厚愛(ài)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，現(xiàn)在在微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、微傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人以及微型探測(cè)技術(shù)設(shè)備等裝置上已大量成功地運(yùn)用了微型零件。作為機(jī)械傳動(dòng)主要零件齒輪，相對(duì)應(yīng)的微型齒輪已經(jīng)好多產(chǎn)品被研制出來(lái)，2013年2月上海交通大學(xué)陳少東利用熱擠壓成形出齒頂圓直徑為1.41mm的微型齒輪[2]。

2金屬微零件熱擠壓成形關(guān)鍵要素

2.1熱擠壓材料選擇

微零件作為微型設(shè)備主要組成部分，在設(shè)備工作中承擔(dān)重要用途，它必須具有一定承受載荷能力和良好的使用性能，所以我們用來(lái)熱擠壓成形的材料首先要求它在高溫下有較好地流動(dòng)性，變形阻力小或者極低，而其在常溫狀態(tài)下又要有較好強(qiáng)度，其次微型金屬零件擠壓加工，金屬產(chǎn)生大的變形量，材料流動(dòng)可能不再是均勻地流動(dòng)，甚至可能發(fā)生單個(gè)晶粒在變形流動(dòng)，單個(gè)晶粒的特性可能起到?jīng)Q定材料的塑性變形情況，很可能影響微型擠壓成形零件的質(zhì)量品質(zhì)，這就要求材料最好具有良好的超塑性，材料自身晶粒組織細(xì)小且分布均勻。晶粒尺寸越小，擠壓過(guò)程中顯示超塑性效應(yīng)的應(yīng)變速率范圍就越大，這樣我們就有可能獲得大得驚人的百分之幾千伸長(zhǎng)率，利用材料微細(xì)粒自身具有的超塑性，保證微型金屬零件順利進(jìn)行擠壓成形出來(lái)，總之，用來(lái)做微成形的材料要具有設(shè)計(jì)的尺寸[3]，穩(wěn)定的晶型、晶粒晶徑相差不大、較穩(wěn)定的化學(xué)成分和晶粒在材料中分布均勻的良好微觀(guān)結(jié)構(gòu)，這些物理性能對(duì)微成形成敗具有重要的影響。

2.2潤(rùn)滑劑的選用

在金屬擠壓成形中，往往在模具型腔內(nèi)添加合適的潤(rùn)滑劑，用來(lái)降低金屬坯料與模具之間的摩擦力，改善金屬擠壓流動(dòng)狀況，減少變形抗力和降低變形功的作用，保障模具溫度不會(huì)升得太快等，從而起到提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)模具使用壽命。特別是微型金屬零件熱擠壓成形，由于產(chǎn)品小、金屬坯料在成形中變形量大，又在高溫及高壓下變形，此時(shí)金屬坯料流動(dòng)產(chǎn)生的新生表面更替更加迅速，使得金屬微零件在熱擠壓過(guò)程中的摩擦條件變得更為復(fù)雜，降低微金屬零件在熱擠壓成形中的摩擦條件顯得更為重要。

潤(rùn)滑劑的選用，首先我們要選擇的潤(rùn)滑劑要具備活性好、粘度合適、摩擦系數(shù)低、潤(rùn)滑性能好的特點(diǎn)，能使它在熱擠壓過(guò)程中形成膜性，能均勻、牢固地分布在模具型腔和金屬坯料表面，起到良好的保護(hù)作用，提高模具使用壽命；其次潤(rùn)滑劑要求有較高的熱穩(wěn)定性、無(wú)公害、無(wú)殘留二次污染，保證在高溫、高壓、高速下不易氧化、分解，對(duì)擠壓成形模具及成形零件無(wú)腐蝕作用；最后潤(rùn)滑劑要求性?xún)r(jià)比高、貨源充足、使用簡(jiǎn)潔方便、可控性強(qiáng)，最好能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化操作，從而提高工作效率、降低勞力成本。隨著科技的發(fā)展以及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家已研制并正推廣使用DF型等非石墨型復(fù)合材料合成的熱擠壓潤(rùn)滑劑。此潤(rùn)滑劑性能優(yōu)、無(wú)任何毒性、難燃燒、安全無(wú)煙塵，能很好的取代

常規(guī)普通潤(rùn)滑劑，目前在我國(guó)山東、湖北等地已能生產(chǎn)此類(lèi)環(huán)保綠色潤(rùn)滑劑，該產(chǎn)品使用性能佳，保質(zhì)期長(zhǎng)、易流動(dòng)、不易凝結(jié)堵塞，操作方便、成形后自動(dòng)揮發(fā)不留殘?jiān)芎帽ＷC模具型腔、零件產(chǎn)品表面質(zhì)量和光潔度。

2.3入模角的選用

在當(dāng)今金屬擠壓成形中，入模角倍受模具設(shè)計(jì)工程師的青睞，成為模具組件中重要的一部分。有它的存在可以較好地預(yù)防入?？诓拷饘僭诔尚芜^(guò)程中形成的難變形“死區(qū)”，降低金屬加工的作用力，對(duì)擠壓零件的缺陷有較好的預(yù)防和改善作用。金屬微成形熱加工，金屬變形量巨大，為了讓金屬有較好地成形效果，引進(jìn)入模角結(jié)構(gòu)顯得更為迫切。實(shí)際上，金屬在加工過(guò)程中的入模角可以分為可行入模角和最佳入模角，選擇最佳入模角，可以很好合理的調(diào)整擠壓過(guò)程中摩擦功率 、剪切功率、擠壓總功率、單位擠壓力的變化之間的關(guān)系，得到合格產(chǎn)品。最佳入模角的選取可以先通過(guò)數(shù)值模擬軟件分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后修改完善確定。一般情況下，最佳入模角會(huì)隨著金屬變形程度的增大、坯料的摩擦系數(shù)增加而增加，金屬坯料原始厚徑比關(guān)系對(duì)其影響不明顯。

2.4 熱擠壓成形壓力與時(shí)間的選擇

金屬微零件熱擠壓成形過(guò)程也包括金屬填充擠壓、開(kāi)始擠壓、穩(wěn)定擠壓、擠壓終了四個(gè)階段，這四個(gè)階段金屬所受的應(yīng)力應(yīng)變、摩擦力不盡相同，所需擠壓力也改變。特別是金屬擠壓比大，擠壓桿單位面積所受擠壓力比常規(guī)擠壓大很多，金屬形變量更加顯著，為了得到合格的零件產(chǎn)品，要求我們選擇合適的成形壓力與時(shí)間。成形壓力與時(shí)間是兩個(gè)互為關(guān)聯(lián)的可變工藝參數(shù)[4]，在金屬微零件擠壓過(guò)程中，我們最好對(duì)擠壓壓力進(jìn)行及時(shí)的動(dòng)態(tài)可變控制，可以選擇最佳壓力—時(shí)間曲線(xiàn)法，根據(jù)擠壓金屬微產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸大小等情況，我們可以采用使金屬應(yīng)變速率保持在最佳值法或者采用按折線(xiàn)以分段加載的方式來(lái)控制。當(dāng)然我們可以先借助有限元數(shù)值模擬軟件模擬分析指導(dǎo)，然后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)指導(dǎo)驗(yàn)證，找出最佳實(shí)驗(yàn)成形條件。

2.5 熱擠壓溫度的選擇

熱擠壓溫度在成形中其實(shí)包括兩種溫度，一是金屬材料擠壓時(shí)實(shí)際溫度，二是擠壓溫控制系統(tǒng)的溫度。擠壓溫控制系統(tǒng)的溫度，由于金屬微零件熱擠壓系統(tǒng)體積較小，我們加熱時(shí)一般采用對(duì)擠壓坯料間接加熱，也有對(duì)坯料采用直接加熱法。由于擠壓裝置體積較小，為了加熱操作方便，一般采用對(duì)擠壓裝置系統(tǒng)整體加熱的方式，這樣擠壓溫度測(cè)量方便，較容易保證擠壓溫度的穩(wěn)定性；也有采用對(duì)坯料直接加熱的擠壓方式，這種對(duì)坯料溫度測(cè)量難度會(huì)大一些?？傊?，試驗(yàn)者可以根據(jù)自己的試驗(yàn)設(shè)備條件和能力水平選擇可行的方式，保障試驗(yàn)準(zhǔn)確順利進(jìn)行。endprint

2.6熱擠壓模具設(shè)計(jì)制造

金屬微零件外形小，它的尺寸精度要求會(huì)更高，為了得到合格產(chǎn)品，要求我們模具零件設(shè)計(jì)精度、加工精度、模具各部分零件配合精度與常規(guī)模具零件要求就有所不同，要求更為苛刻、精準(zhǔn)。有時(shí)模具零件一些精度要求對(duì)于我們現(xiàn)在加工方法就是一種極限挑戰(zhàn)。金屬微零件的模具設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它是擠壓成形加工的重要一環(huán)，一部分人在微成形擠壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，結(jié)果用這種模具來(lái)成形零件，有時(shí)根本做不出產(chǎn)品，有時(shí)即使能得到合格的零件產(chǎn)品，但在模具加工制造上花費(fèi)大筆費(fèi)用，在試驗(yàn)中要做大量的工作，甚至事倍功半，我覺(jué)得微型零件模具設(shè)計(jì)要有自己的特點(diǎn)，既然微型零件有別于常規(guī)零件，那就要求我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)要有創(chuàng)新，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中可以借鑒常規(guī)零件的模具設(shè)計(jì)方法，但在微型模具擠壓成形型腔、型芯、產(chǎn)品零件頂出系統(tǒng)、導(dǎo)向定位系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要根據(jù)微型金屬零件自身獨(dú)特的特點(diǎn)對(duì)模具結(jié)構(gòu)的幾大系統(tǒng)中的一種、兩種或者多種進(jìn)行有的放矢的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這樣，在你設(shè)計(jì)“特別”模具下實(shí)驗(yàn)，才可能得到效果較好的產(chǎn)品。

2.7加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選用

隨著微型金屬零件有大量的應(yīng)用需求，市場(chǎng)已有一些適合用于微金屬熱擠壓成形設(shè)備，我們應(yīng)該選用自動(dòng)化程度高，使用性能好，更換升級(jí)空間大、綠色環(huán)保型設(shè)備，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)在以及未來(lái)金屬微零件發(fā)展趨勢(shì)的需要，這種設(shè)備價(jià)格一般比較昂貴；也可以根據(jù)情況，設(shè)計(jì)一些小噸位、簡(jiǎn)易性、針對(duì)性強(qiáng)的微金屬零件成形設(shè)備，降低企業(yè)成本資金。

3結(jié)束語(yǔ)

金屬微零件熱擠壓成形研究是一個(gè)重要的課題，我們雖然取得一定的成果，但與產(chǎn)業(yè)界結(jié)合還有很大提升空間，成果轉(zhuǎn)化比較緩慢[5]，金屬微零件熱擠壓成形可以促進(jìn)材料的先進(jìn)制備、成形加工技術(shù)的提升、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制改造，可以預(yù)見(jiàn)金屬微零件熱擠壓成形研究在今后一段時(shí)間內(nèi)，金屬微零件性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的一體化及在材料設(shè)計(jì)、制備、成形與加工處理的全過(guò)程中對(duì)材料的組織性能和形狀尺寸進(jìn)行精控制[6]是它的主要方向。

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