薄板微成形工藝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉德振

【摘 要】薄板微成形是一種比較重要的制造板料的方法，它在實際中的應用非常廣泛，可以形成結(jié)構(gòu)不同和角度不同的各種復雜的零件?，F(xiàn)在薄板的微成形在集成電路行業(yè)和和電行業(yè)的應用特別多，塑料成形有關的領域正在大力支持研究薄板的微成形技術。在薄板微成形方面，主要進行薄板的微拉深、微沖裁和微彎曲等。本文結(jié)合前人研究，對薄板微成形工藝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢問題進行探析。

【關鍵詞】薄板；微模壓成形；微拉深；微沖裁；微彎曲

中圖分類號： TG306 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0116-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.048

Research Status and Development Trend of Sheet Metal Microforming Technology

LIU De-zhen

（WUHAN POLTECHNIC UNIVERSITY， Wuhan Hubei 430023， China）

【Abstract】Sheet metal forming is an important sheet metal forming method， which has been widely used in practical production and can form complex parts with different angles and structures. At present， microforming of thin sheet is widely used in electronics and IC industries. In the micro forming of thin sheet， the micro-drawing， micro-punching and micro-bending of thin sheet are mainly carried out. Based on previous studies， this paper probes into the current research status and development trend of thin sheet micro forming technology.

【Key words】Sheet； Micro moulding； Micro deep drawing； Micro cutting； Micro bending

最近幾年，各種微小零件在市場上所占的比重越來越多，每年市場上需要的零件有數(shù)百億件，同時各種新的技術得到了大力的應用和發(fā)展，比如快速成型技術、離子束刻蝕技術、微細放電加工技術、激光加工技術、超精密機械加工技術等，這些技術在攻克部分難題方面的作用比較大，但是微機電系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)化后對生產(chǎn)過程的要求必須是環(huán)保的、批量化和低成本的，這在很大程度上對微加工相關技術的使用起到了阻礙作用，在這樣的情況下，人們開始關注傳統(tǒng)的成形方法，因為很多的企業(yè)都使用傳統(tǒng)的制造工藝。于是在這樣的背景下，出現(xiàn)了塑性微成形技術，這個技術是對現(xiàn)代化的微形制造技術和傳統(tǒng)的成熟工藝綜合在一起，兼具二者優(yōu)點的具有典型代表的技術。

塑性相關的微成形技術是用塑性加工的到達生產(chǎn)以毫米為單位的零件的技術。這個技術具有工藝簡單、成本低廉、生產(chǎn)效率高，形成的產(chǎn)品強度高的優(yōu)點。在制造微零件的過程中，經(jīng)常使用到薄板微成形的方法，常用的薄板零件主要是利用微彎曲、微拉深和微沖裁的方式進行生產(chǎn)加工的。

1 薄板微成形工藝的研究現(xiàn)狀

1.1 微拉深

在薄板成形中，各種不同形狀的腔體、杯體的成形主要利用的是拉深技術。在薄板成形過程中，拉深成形的技術特別復雜，它在拉深的過程中容易因為晶體的尺寸的不同和晶體的摩擦而發(fā)生變形，因此很多人都對其進行了不同程度的研究。

成形方法層面，Behrens等學者利用磁控濺線方法制造出了15納米厚Al-Zr合金，并且使用這種合金制造了納米級的微杯，具體如下圖1所示，溫度不同，成形的微杯不同。

圖1 不同溫度下成形出的微杯

材料方面：深圳大學的學者利用純度比較高的銅制造出了錐形的圓錐杯和圓柱形杯，傅銘旺等人利用晶體的半徑不相同和沖頭的半徑不相同的純銅的薄板研究了尺寸對制造工藝的影響。研究的結(jié)果是：薄板晶體的尺寸越大，拉深成形過程中的負載越小，但是當板材切面的晶體粒特別少的時候，減小的程度會比較小。零件的尺寸和晶體粒的尺寸的變化會導致不均勻的變形出現(xiàn)，從而導致零件的表面不平滑和零件的形狀不規(guī)則。luo等人利用304的不銹鋼薄板對微拉深進行可以研究，他們建立了有限的模型，并在模型中加入了尺寸的影響，他們在該實驗中重點研究了薄板的形狀對拉深的功能的影響。他們在描述特殊的區(qū)域的時候利用的是在那些凹凸不平的部位設置合理的網(wǎng)格密度。然后經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，在微成形的過程中，材料表面的光滑度會對成形零件的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。

Chen等人利用熱處理的方式對不同厚度的不銹鋼薄板進行了研究，得到了薄板的不同比值和晶體的不同尺寸。這個實驗也說明在薄板成形的過程中晶粒的尺寸、板的厚度和比值T/D都會對其產(chǎn)生很大的影響。

德蘭黑大學的Aminzahed等學者利用壓電型驅(qū)動器進行了微拉伸深的實驗，通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓邊力的增大材料的厚度會明顯的變薄，但是和尺寸比較大的材料相比，其減少的程度比較?。粔哼吜υ酱?，沖頭承擔的負荷越大，這種負荷比大尺寸的材料承擔的負荷要小。

日本東京都立大學的學者們在微拉深中采用了一種液壓裝置，它可以制造復雜的零件，同時保證這些零件的質(zhì)量。這個裝置的原理是在其中設置一定的壓力和空隙，這樣可以保證成形零件的表面的光滑度。他們利用這個裝置制造成功了直徑在0.8毫米的微杯。他們在研究了50納米厚的純鈦微杯、磷青銅、不銹鋼之后提出，適當?shù)谋硥耗軌驅(qū)钸^程中產(chǎn)生的摩擦力和材料表面的皺紋進行很好的消除，可以極大的提高成形的零件的尺寸的精度和其極限。如圖2是在沖頭圓角半徑和比例因子不同的條件下，利用該裝置形成的微杯件。

圖2 不同沖頭圓角半徑時拉深成形的微杯

1.2 微沖裁

微沖裁是一種生產(chǎn)尺寸比較小的零件的工藝，在實際生產(chǎn)過程中應用的比較多，尤其是在生產(chǎn)電子產(chǎn)品的過程中，電子元件和集成電路可以通過微孔來固定，但是隨著生產(chǎn)電子產(chǎn)品的技術的進步，對微孔的要求也越來越高。所以我們必須找到質(zhì)量更好，尺寸更小的微孔。所以國內(nèi)的很多學者都對其進行了研究。

西北工業(yè)集團公司的劉漢雄等人對材料的復位的思想在實際中的應用進行了研究，設計出了一種沖裁的模具，它可以在非常薄的青銅帶上加工非常小的擒縱型的輪片，這種方法很大的降低了生產(chǎn)成本，提高20%的良品率，可以提高1倍的生產(chǎn)效率。

Chen等學者在電火花的加工中采用了振動的裝置，設計了把電火花和振動結(jié)合在一起的裝置，然后在把這個裝置同微沖壓的設備結(jié)合在一起生產(chǎn)出了直徑在200納米的微孔，這個組合性質(zhì)的設備還能夠很好的提高成形零件的質(zhì)量和加工的效率。韓國學者通過微細加工的方法研制出了碳化鎢沖頭，分別在厚度為100納米、25納米和50納米的不銹鋼薄板和黃銅薄板上成形出了直徑為100納米、25納米和50納米的微孔，并對這些微孔的質(zhì)量進行了分析，發(fā)現(xiàn)這些孔表面的之間都是非常好的，這說明利用機械加工有關的方法生產(chǎn)質(zhì)量比較高的微孔在以后的實際生產(chǎn)中將會被廣泛應用。Mori等人利用陶瓷纖維碳化硅作為沖頭，成功的制造出了直徑為14納米的微孔，這種孔的質(zhì)量也比較高，后來，他們又在厚度為20納米的不銹鋼、50納米的鋁箔、30納米的銅箔上面分別成功的成形出了相應的微方孔。

傅銘旺等人在研究微沖裁時利用了厚度為0.8毫米和1.5毫米的兩種銅薄板。他們發(fā)現(xiàn)，當尺寸的因子的數(shù)值為1時，材料的厚度基本上不會受晶體粒的大小的影響，和經(jīng)過了熱處理之后的材料的厚度比較，原始的材料更厚。當尺寸的因子為0.53時，落料的厚度和晶粒的大小成反向關的關系，而當板的厚度小于晶粒的尺寸時，其落成的材料的形狀將會變得不規(guī)則。這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是，在材料向上的方向上，晶體的顆粒特別少，晶體粒的位置的不同使得材料承受的力度不同從而導致其塑性的變形不均勻，進而造成了沖裁之后的零件的形狀的不規(guī)則性。

1.3 微彎曲

微彎曲也是對零件成形的過程中非常重要的技術，它在實際的生產(chǎn)中應用也比較多，比如彈簧片、掛鉤、連接頭和線條等零件的生產(chǎn)，但是微彎曲的過程當中，彎曲的零件的尺寸精度會受到很薄的材料的尺寸效應的影響，導致設計的成品的次品率的增加和產(chǎn)品設計的難度的增加，所以想要提高微彎曲的成形質(zhì)量和效率就要對材料在彎曲的過程中的原理進行研究，找到新的彎曲方法。國內(nèi)外的很多學者已經(jīng)在這方面進行了很多的研究。

德國的研究學者以退火處理后的黃銅箔為材料進行了研究之后提出，尺寸效應的兩種表現(xiàn)形式會受到比例因子和晶粒的尺寸的影響，而且這種影響的程度很大。

江蘇大學的王霄等人提到了使用激光沖擊的方法對材料進行成形的理論，他們使用這種方法在非常薄的銅板上生產(chǎn)出了三個平均深度在110納米的U型槽。

上海交通大學的教授建立了一種晶體相關的塑性模型，將其命名為非局部的錯密度的晶體的塑性模型，這個模型在建立的過程中考慮到了彎曲過程中材料分子的不均勻性，它在對金屬的薄片彎曲之后提出，細晶粒的薄板和粗晶粒的薄板其微觀硬度是按照不同的模型分布的，在對厚度不同的單晶體銅箔進行彎曲時，其表現(xiàn)出的結(jié)果是越薄的尺寸效應會受到細晶粒微觀硬度分布模式的影響，跟粗晶體的微觀硬度模式分布沒有關系，粗晶粒的微觀分布模式主要受到晶粒取向的影響。硬度較小的晶粒，其塑料變形的程度比較大，SSDs比較高。而細晶粒的分布模式主要受到晶粒的取向和晶粒的尺寸雙重的影響。對比較粗晶粒的薄板來說，就算它只有一兩個厚度比較大的晶粒，粗晶粒的分布模式也只是提高了相關材料的硬度，但是對其中間軟通道的形成起到了一定的阻礙作用。對晶粒比較小的銅箔來說，粗晶粒分布的模式只會對材料的硬度進行加強。

2 薄板微成形技術未來發(fā)展

綜述，很多人都在研究薄板的微成形方法，在微彎曲、微拉深和微沖裁方面也取得了很多的成果，但是不管從微成形的工藝還是微成形的原理來說都不是很成熟，還有一些關鍵的問題有待解決，為了解決這些問題，薄板微成形技術將需要在以下幾個方面取得進一步發(fā)展。

2.1 基本理論體系的構(gòu)建

以前的塑性成形的理論已經(jīng)發(fā)展的非常好，但是微小零件的成形理論還沒有形成自己的框架，現(xiàn)在很多的研究都只是研究工藝參數(shù)和材料尺度之間的關系，很少有人對尺寸發(fā)生變形的原理進行研究，所以我們必須要在微小的尺寸下對材料的力學的本體的構(gòu)成關系進行建立，研究對微成形潤滑、摩擦和破壞的機制，對微成形的基本理論進行完善。

2.2 尺寸效應的影響

因為受到尺寸大小的影響，在尺寸非常小的時候，材料的性能和特點會發(fā)生變化，這個時候已經(jīng)無法用宏觀的對材料測量的方法對其進行測量，而且現(xiàn)在還沒有形成跟微成形相關的統(tǒng)一的標準實驗的體系，包括測量的方法和實驗方法，這不利于材料微成形性能庫的形成，也不利于學術交流和研究。所以，建立合適的對微尺寸進行實驗的體系是非常重要的。

2.3 成形材料的開發(fā)

對薄板來說，薄板越薄，其塑性功能和力學的性能下降的越快，以前的材料已經(jīng)無法滿足最新的要求，所以開發(fā)新的可以使用微成形技術的材料是必然的，就現(xiàn)在而言，最重要的是開發(fā)出塑性特別好的材料。

2.4 相關設施的研究

微成形的工藝是隨著設備、相關的設施和模具的發(fā)展而發(fā)展起來的，用薄板的微成形技術生產(chǎn)的零件數(shù)量多，尺寸小，零件的表面光滑度比較高，需要用專門的裝置對其進行固定，成形后的材料需要對其位置進行準確的控制，需要的模具要有很好的耐磨性，零件的尺寸要非常小，表面的質(zhì)量要非常好，但是利用以前對材料進行加工的方法、加工的材料和加工的裝置已經(jīng)無法滿足人們對零件的要求。所以我們要研究合適的可以的對薄板進行微成形的設備和設施，開發(fā)新的用模具進行加工的方法，對薄板在微成形過程中遇到的問題進行解決，除了對這些問題進行研究以外，還要對測量的技術和模擬的技術進行研究?？傊谘芯勘“宓奈⒊尚渭夹g的過程中我們還要花費很多的精力。

3 結(jié)論

雖然現(xiàn)在因為理論和技術的原因，薄板的微成形技術在實際的零件生產(chǎn)中應用的還比較小，但是作為一種生產(chǎn)微小零件的技術，隨著相關的技術和理論的不斷發(fā)展，還有產(chǎn)品微小化的趨勢的發(fā)展，我們有理由相信薄板的微成形技術一定會得到廣泛的應用，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效應。

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