淺談微塑性成形技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

四川幼兒師范高等專科學校 四川 綿陽 621000

1 引言

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，微型零件的市場需求日益增大，傳統(tǒng)的鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等塑性成形技術不能滿足微型零件大批量生產(chǎn)需求。上個世紀60年代，微型機械系統(tǒng)(MEMS)和空間三維結(jié)構(gòu)納米機電系統(tǒng)(NEMS)的出現(xiàn)，基于激光、LIGA等微細加工技術開始廣泛應用于微型零件生產(chǎn)[1]，但生產(chǎn)出的微型零件不僅有污染而且成本高。直到上個世紀80年代，納米技術興起，科研人員開始探索將傳統(tǒng)塑性成形技術應用于大批量微型零件加工，微塑性成形技術才迎來了發(fā)展契機。

微成形技術是指以塑性成形的方法加工至少二個維度方向上尺寸在毫米級到微米級的微型零件或結(jié)構(gòu)的工藝技術。微成形技術具有大批量、無污染、生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點，廣泛應用在電子、計算機、醫(yī)療、航空、微機械制造等領域。

2 微塑性成形理論研究現(xiàn)狀

微塑性成形技術是一項新興的工藝技術，其工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理參數(shù)等并不是傳統(tǒng)塑性成形工藝簡單地按比例縮小，基于連續(xù)介質(zhì)的傳統(tǒng)塑性成形理論、基于離散介質(zhì)的分子動力學理論、宏觀摩擦學中的摩擦理論等不能直接運用于微塑性成形技術中。目前，針對微塑性成形技術理論研究主要集中在尺寸效應，溫度效應，摩擦力，樣件材料的應力、流動性、各異向性等，其中尺寸效應是微塑性成形技術理論研究最重要的課題。尺寸效應是指在成形零件結(jié)構(gòu)尺寸達到亞毫米或者微米時，零件自身的物理特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，某些材料性能參數(shù)和成形工藝參數(shù)不是簡單地按照宏觀塑性成形特點來變化。

對于尺寸效應的研究，Geiger等[2]通過墩粗實驗研究得出隨著樣件尺寸減小，材料的流動應力降低；Engel等[3]通過環(huán)形壓縮實驗得出樣件尺寸減小，樣件材料與模具表面的摩擦系數(shù)增大；Raulea等使用單軸拉伸實驗和彎曲實驗得出屈服強度和抗拉強度與板厚和晶粒尺寸之比的關系。近年來，對于尺寸效應的研究成果可以歸納為以下幾點：一是樣件尺寸減小，樣件材料流動應力、各向異性等的變化受尺寸影響明顯；二是樣件尺寸減小，樣件表面積與體積之比增大，樣件表面上的晶粒數(shù)目與樣件內(nèi)部的晶粒數(shù)目的比值增大[4]，樣件材料粘結(jié)力、表面張力增大，擴大了摩擦力對成形的影響；三是樣件尺寸的減小增大了樣件表面存儲潤滑油的難度。

3 微塑性成形工藝研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，宏觀塑性成形技術領域出現(xiàn)了復合塑性成形、超塑成形、內(nèi)高壓成形、可變輪廓模具成形、半固態(tài)成形、高速高能成形等新工藝。相比而言，微觀塑性成形技術起步較晚，成形工藝的研究和應用仍在探索，目前主要開展了薄板微沖壓、微體積成形、半固態(tài)微塑性成形、新型復合微塑性成形工藝的研究和應用。

3.1 薄板微沖壓工藝 薄板微沖壓工藝包括微沖裁、微彎曲、微拉深等。微沖裁通過對薄板進行沖切，得到?jīng)_孔件或落料件，成形過程中，凸凹模間隙以及模具之間的磨損直接影響成形零件質(zhì)量。微彎曲通過滾彎、拉彎、壓彎和繞彎等方式加工寬度和厚度在一個數(shù)量級上的微型三維立體零件，由于微彎曲成形的零件材料大多處于彈塑性硬化狀態(tài)，樣件材料的各向異性對成形影響表現(xiàn)尤為明顯。微拉深用于成形各種杯體、腔體薄壁零件，成形過程中，樣件受摩擦力、成形力的影響易出現(xiàn)起皺和拉裂現(xiàn)象，添加潤滑劑可以降低微拉深中的摩擦力從而改善成形零件質(zhì)量。微沖壓工藝主要用于批量生產(chǎn)微型插件、微型引線框、微噴陣列孔等。

3.2 微體積成形工藝 微體積成形工藝包括對微型塊料、棒料或厚板料進行擠壓、墩粗、脹形、鍛造等。微體積成形技術具有高效率、高精度、周期短等優(yōu)點，主要用于批量成形各種復雜形狀的微型零件，如微型連接器、頂桿、彈簧、葉片、閥體、齒輪、螺釘?shù)取?/p>

3.3 半固態(tài)微塑性成形工藝 半固態(tài)塑性成形技術是通過對凝固過程中的液態(tài)金屬進行攪拌，或?qū)?jīng)過特殊處理的固態(tài)材料加熱等而得到的具有非枝晶結(jié)構(gòu)的液相、固相組織混合的半固態(tài)材料進行成形加工，成形的零件尺寸精度高、表面光潔、力學性能好。為解決微塑性成形技術中的難題，半固態(tài)成形技術開始應用于微觀塑性成形技術，KimGY等成功運用半固態(tài)成形技術壓出17×17個0.8mm×1mm的微圓柱形釘；WuY等提出了半固態(tài)粉末微成形技術(SPF)；任慶偉等對Pb Te塊體材料進行了半固態(tài)粉末微成形加工。

3.4 新型復合微塑性成形技術 新型復合微塑性成形技術是指將超聲、振動、脈沖電流、激光、電磁、電液、爆炸等技術應用在微塑性成形工藝中，從而降低微型零件加工過程中所需成形力，提高材料塑性，改善材料微觀組織性能，減少缺陷。Yao等[5]研究出在激光的沖擊作用下成形零件，材料殘余應力及硬度都有較為明顯的提升。劉新等[6]研究得出在聚氨酯沖裁工藝中，采用超聲振動技術可以優(yōu)化工藝，改善沖裁件質(zhì)量。

4 微塑性成形技術發(fā)展趨勢

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，微型產(chǎn)品市場份額逐漸增大，隨著微電子、微制造、測量、材料等學科的不斷發(fā)展，微塑性成形技術將釋放出更大潛能，對于微塑性成形技術理論和工藝研究應用也會不斷完善深入。個人認為，微塑性成形技術在未來的發(fā)展中會呈現(xiàn)出以下趨勢：

深化微塑性成形技術理論研究。材料科學和理論力學的不斷進步，一方面有助于深刻認識材料組織性能隨尺寸變化的規(guī)律，另一方面有助于進一步探索微塑性成形技術中尺寸效應、溫度效應、摩擦力的機理。

開展復合微塑性成形技術研究。近年來，宏觀塑性成形技術領域中已成功將金屬加工方法融合到塑性成形技術中，出現(xiàn)了沖壓冷鍛技術、鑄造鍛造技術等，復合塑性成形工藝提高了零件的加工效率和加工精度，微觀塑性成形技術領域也應積極探索多種加工方法的融合應用。另外，多能場復合塑性成形技術已廣泛應用于宏觀塑性成形技術領域，利用聲、光、電、磁等能場輔助成形，提高了成形效率及成形零件質(zhì)量，微觀塑性成形技術領域輔助成形方法仍應用較少，應積極探索更多的輔助成形方法。

探索應用于微塑性成形技術的新材料。現(xiàn)用的金屬、合金材料、塑料、陶瓷、超塑性合金等的組織性能、流動性、各向異性不能很好滿足微塑性成形技術要求，探索新材料用于加工微型零件及改良微塑性成形模具均具有重要意義。

5 結(jié)語

微塑性成形技術作為一項新興的多科學交叉工藝技術，由于起步晚、適用性有局限，所以發(fā)展相對緩慢，目前對這一技術的研究和應用仍處于初級階段。但微塑性成形技術具有批量化、加工效率高、成本低、無污染、材料利用率高等優(yōu)點，符合現(xiàn)代制造技術環(huán)保節(jié)能要求。隨著工業(yè)4.0及5G時代的到來，微電子和計算機相關產(chǎn)業(yè)將迎來更大的發(fā)展契機，微塑性成形技術將在微型零件制造領域發(fā)揮更大作用。