T2紫銅微傳動(dòng)件精密體積成形研究

王蓓，閆超，冉家琪，龔峰

塑性成形

T2紫銅微傳動(dòng)件精密體積成形研究

王蓓，閆超，冉家琪，龔峰

（深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院 深圳市高性能特種制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060）

研究微傳動(dòng)件的體積成形過程，以制備出尺寸精度更高、力學(xué)性能更優(yōu)的微傳動(dòng)件。通過單向壓縮試驗(yàn)，研究晶粒尺寸、加載速度、成形溫度對T2紫銅力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過微模鍛試驗(yàn)，研究不同退火態(tài)試樣對微齒輪填充性能的影響，以及成形溫度對微齒輪尺寸精度和力學(xué)性能的影響。利用光學(xué)顯微鏡、超景深顯微鏡、掃描電子顯微鏡對材料組織、模具質(zhì)量和成形結(jié)果進(jìn)行表征。隨著退火溫度的升高，T2紫銅的晶粒尺寸逐漸增大，維氏硬度逐漸降低。在微齒輪填充過程中存在明顯的填充尺寸效應(yīng)，600 ℃退火態(tài)試樣填充效果最好。高溫模鍛獲得的微齒輪齒頂圓平均直徑為2 800.9 μm，與理論值2 800 μm僅相差+0.9 μm，而常溫模鍛獲得的微齒輪齒頂圓平均直徑為2 761.2 μm，與理論值2 800 μm相差?38.8 μm。與常溫模鍛成形的微齒輪相比，高溫模鍛成形的微齒輪尺寸精度得到了極大提高，但硬度出現(xiàn)了不同程度的降低。隨著晶粒尺寸的增大、加載速度的降低和成形溫度的升高，T2紫銅的流動(dòng)應(yīng)力逐漸降低。600 ℃退火態(tài)試樣填充性能最好，高溫模鍛可以成形出尺寸精度更高的微傳動(dòng)件，但其力學(xué)性能有所降低。最后，成功裝配出可以平穩(wěn)傳動(dòng)的微傳動(dòng)裝置。

T2紫銅；微傳動(dòng)件；體積微成形；高溫模鍛

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療和航空航天等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對各種微型零件的需求不斷增加，塑性微成形技術(shù)因其大批量、效率高、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)贏得了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。由于尺寸效應(yīng)現(xiàn)象的存在，微型零件的填充過程與宏觀零件的填充過程有著很大的區(qū)別，宏觀塑性成形機(jī)理以及材料變形規(guī)律已經(jīng)不再適用于微成形領(lǐng)域[2-4]。尺寸效應(yīng)對材料的流動(dòng)應(yīng)力、摩擦特性、斷裂行為和力學(xué)性能等方面均有顯著影響[5]。Geiger[6]和Raulea等[7]根據(jù)相似性原則分別通過圓柱微鐓粗試驗(yàn)和薄板微拉伸試驗(yàn)對材料的流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，流動(dòng)應(yīng)力隨著晶粒尺寸的增大和試樣尺寸的減小而減小。Liu等[8]和Chan等[9]也得出了相同的結(jié)論。Wang等[10]通過微模壓試驗(yàn)揭示了填充尺寸效應(yīng)機(jī)理。Engel[11]利用雙杯擠壓試驗(yàn)得出了試樣尺寸的減小會(huì)引起摩擦因數(shù)增大的結(jié)論。尺寸效應(yīng)對其他變形行為的影響也十分顯著。隨著試樣尺寸的減小和晶粒尺寸的增大，成形件的硬度分布越發(fā)不均勻[12-13]，材料性能的離散程度增加[14]，幾何形狀越發(fā)不規(guī)則[15]，成形件的表面粗糙度不斷增大[16-18]。但在高溫環(huán)境下進(jìn)行微成形試驗(yàn)可避免此類情況發(fā)生，這是因?yàn)榇藭r(shí)晶粒間的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被激活，取向不利的晶粒被塑化，從而導(dǎo)致晶粒間的應(yīng)變不親和性降低，使成形件實(shí)現(xiàn)均勻變形[13,19]。

體積微成形作為塑性微成形中重要的研究方向之一，有著十分廣泛的應(yīng)用，如微連接器、微螺釘、微齒輪等微型零部件已經(jīng)在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。Saotome等[20]利用超塑性材料，結(jié)合閉式模鍛工藝，成功制備出了模數(shù)為0.1 mm、齒數(shù)分別為10和20的微齒輪，并成功組裝出了微型減速裝置。Liu等[21]通過微鍛造等成形工藝成功制備出了各種SiCN陶瓷MEMS結(jié)構(gòu)。王小權(quán)等[22]利用細(xì)晶T2紫銅在常溫下成形出了質(zhì)量較好的微小齒輪。Wang等[23]和Chen等[24]利用精密微鍛造工藝也成功制備出了表面質(zhì)量和尺寸精度良好的微齒輪件。Xu等[25]在420 ℃高溫下成功制備出了質(zhì)量良好的鋁合金微雙齒輪，為齒輪制造提供了新思路。陳林俊等[26]的研究表明，提高溫度可以有效降低齒輪成形載荷。

為了制備出尺寸精度更高、力學(xué)性能更優(yōu)的微傳動(dòng)件，文中研究了T2紫銅的基本力學(xué)性能，并選擇模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為12的微齒輪和模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為10的微齒條作為研究對象，研究了晶粒大小、成形溫度對成形性能的影響，設(shè)計(jì)并組裝出了微型減速裝置，證明了文中制備的微傳動(dòng)件具有良好的裝配性能和傳動(dòng)性能。

1 試驗(yàn)

所用材料為工業(yè)拉拔態(tài)T2紫銅，圓柱壓縮試樣尺寸為4 mm×6 mm。對試樣進(jìn)行真空退火處理，退火溫度分別為450、600、750 ℃，保溫時(shí)間為60 min，隨后隨爐冷卻，得到3種不同晶粒大小的試樣，其金相組織如圖1所示。圖1a為T2紫銅棒拉拔態(tài)原始試樣的金相組織，可以看出，晶粒形狀呈拉長的條帶狀且分布不均。圖1b—d分別為拉拔態(tài)T2紫銅在退火溫度為450、600、750 ℃時(shí)的金相組織，其平均晶粒尺寸分別為15.09、24.74、98.05 μm。由圖1可知，經(jīng)過退火處理，被拉長的晶粒逐漸消失，加工硬化現(xiàn)象消失，晶界清晰可見。提高退火溫度可以使原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)、晶核生長加快、晶粒越來越大。對T2紫銅進(jìn)行退火處理可以明顯提高T2紫銅組織成分的均勻性，改善材料在變形時(shí)的受力狀況，有利于后續(xù)成形試驗(yàn)的進(jìn)行。

1.1 單向壓縮試驗(yàn)及結(jié)果分析

常溫單向壓縮試驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為了防止在高溫試驗(yàn)過程中發(fā)生氧化，所有高溫試驗(yàn)均在課題組自主研制的模壓設(shè)備[27]上進(jìn)行。為了能更加準(zhǔn)確地反映流動(dòng)應(yīng)力的大小、減小試驗(yàn)誤差，重復(fù)3次試驗(yàn)取其平均值。圖2a為不同晶粒尺寸的試樣在室溫下的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線，加載速度均為3.6 mm/min。可以看出，原始態(tài)T2紫銅棒加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，退火處理可顯著消除在拉拔過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使流動(dòng)應(yīng)力明顯下降，且沒有明顯的屈服階段，材料流動(dòng)性能增加。同時(shí)，隨著晶粒尺寸的增大，試樣的流動(dòng)應(yīng)力減小，呈現(xiàn)出明顯的晶粒尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。圖2b為600 ℃退火態(tài)試樣在室溫下、加載速度不同時(shí)的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線?？芍S著加載速度的增加，試樣變形速度增加，晶粒間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加快，加工硬化得不到恢復(fù)，致使變形需要更大的切應(yīng)力，造成流動(dòng)應(yīng)力顯著增加。圖2c為600 ℃退火態(tài)試樣在不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線，加載速度均設(shè)置為3.6 mm/min?？梢钥闯?，溫度對T2紫銅的流動(dòng)應(yīng)力有較大影響。T2紫銅在室溫下進(jìn)行塑性變形時(shí)，出現(xiàn)了明顯的加工硬化現(xiàn)象，隨著變形量的增加，流動(dòng)應(yīng)力不斷增大，但隨著變形溫度的升高，加工硬化現(xiàn)象減弱，這是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，臨界切應(yīng)力降低，在變形過程中發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象，產(chǎn)生了軟化作用，從而消除或部分消除了應(yīng)變所帶來的硬化現(xiàn)象，使材料的流動(dòng)應(yīng)力降低。T2紫銅在500 ℃進(jìn)行塑性變形時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力并沒有出現(xiàn)明顯增大的趨勢，甚至在某些階段出現(xiàn)了下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)回復(fù)和再結(jié)晶等軟化作用占主導(dǎo)地位，在消除硬化現(xiàn)象的同時(shí)使變形所需的應(yīng)力下降。

圖1 T2紫銅的金相組織

圖2 T2紫銅在不同試驗(yàn)條件下的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線

1.2 顯微硬度測試

硬度可以反映出材料的強(qiáng)度和塑性。對原始態(tài)和退火態(tài)T2紫銅的維氏硬度進(jìn)行測試，每種狀態(tài)的試樣隨機(jī)挑選3個(gè)，每個(gè)試樣測量3次，對其結(jié)果取平均值，結(jié)果如圖3所示。原始態(tài)試樣的平均硬度值為127.37HV，經(jīng)過退火處理后，殘余應(yīng)力得到釋放，變形抗力降低，材料的塑性成形能力提高，硬度值急劇下降，在450、600、750 ℃溫度下退火后，退火態(tài)試樣的平均維氏硬度值分別為55.01HV、52.39HV、49.53HV。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高、試樣晶粒尺寸的增大，硬度值會(huì)有不同程度的下降。

圖3 不同試樣的維氏硬度值

2 模具設(shè)計(jì)加工及檢測

文中的目的是制備出模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為12的微齒輪和模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為10的微齒條，所使用的體積微成形模具裝配圖如圖4所示，成形模具整體結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。

圖4 模具裝配圖（mm）

模具分為上下2個(gè)模架，分別固定于試驗(yàn)機(jī)上下橫梁，模架之間采用導(dǎo)向銷進(jìn)行定位，模具主體為鑲塊式，進(jìn)行不同成形試驗(yàn)時(shí)更換模芯即可。微成形模具凸凹模之間的配合間隙一直是研究重點(diǎn)。間隙過大，在成形過程中容易形成大量飛邊；間隙過小，凸模容易卡死，脫模困難，同時(shí)會(huì)造成排氣、排油困難，影響成形精度。按照所需微齒輪的標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計(jì)文中的微齒輪凹模尺寸，微齒輪凸凹模齒頂圓單邊間隙設(shè)置為10 μm，齒根圓單邊間隙設(shè)置為5 μm，微齒條凸凹模單邊間隙均設(shè)置為10 μm。

模具在工作過程中不僅需要承受較大的應(yīng)力，還需要在不同溫度下工作。常溫下，微齒輪凸凹模材料選用D2淬火鋼，其彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，硬度達(dá)到61HRC。而高溫下選擇硬度為89HRA的YG8硬質(zhì)合金作為模具材料。

使用SODICK AP250Ls慢走絲線切割機(jī)床加工微成形模具，圖5為加工出的微齒輪和微齒條模具實(shí)物，可以看到，其模具輪廓清晰可見。將模芯的外部邊框均設(shè)計(jì)為12 mm×12 mm的正方形，倒圓角半徑為0.25 mm，這樣便于在鑲塊中進(jìn)行安裝和更換。

圖5 微齒輪和微齒條模具實(shí)物

微齒輪凸模和凹模及其局部輪廓如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，整體齒廓完好，沒有明顯缺陷。圖6a和c為微齒輪凸凹模的整體形貌，齒輪輪廓清晰可見。同時(shí)對微齒輪凸模和凹模的齒頂圓直徑和齒根圓直徑進(jìn)行測量，共測量6個(gè)位置（微齒輪凸模齒頂圓直徑測量位置為—，齒根圓測量位置為—），每個(gè)位置測量3次求平均值，微齒輪凸模齒頂圓平均直徑為2 779.2 μm，與設(shè)計(jì)值2 780 μm相差?0.8 μm；微齒輪凸模齒根圓平均直徑為1 889.7 μm，與設(shè)計(jì)值1 900 μm相差?0.3 μm；微齒輪凹模齒頂圓平均直徑為2 800.5 μm，與設(shè)計(jì)值2 800 μm相差+0.5 μm；微齒輪凹模齒根圓平均直徑為1 902.4 μm，與設(shè)計(jì)值1 900 μm相差+2.4 μm。微齒輪模具齒根圓和齒頂圓直徑的平均值與設(shè)計(jì)值的偏差均在3 μm以內(nèi)，展現(xiàn)出了良好的加工精度。圖6b和d為微齒輪凸凹模單個(gè)齒的放大圖，可以看出，漸開線齒廓完整，沒有任何缺陷。利用VK–X250K激光共聚焦顯微鏡對微齒輪凸模和凹模的粗糙度進(jìn)行測量，測量位置如圖6b和d所示，微齒輪凸模和凹模齒輪輪廓的表面粗糙度分別為277 nm和206 nm。凹模齒輪輪廓較低的表面粗糙度有利于降低微齒輪的表面粗糙度。

圖6 微齒輪模具電鏡圖

圖7為微齒條模具形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)，齒廓完整，加工質(zhì)量良好。測得其齒廓表面粗糙度為193 nm，尺寸精度和表面粗糙度完全符合微成形的要求。

圖7 微齒條模具形貌圖

3 微傳動(dòng)件精密體積成形

3.1 不同退火態(tài)試樣對微齒輪填充性能的影響

為了研究不同晶粒尺寸對微齒輪填充性能的影響，在常溫下對原始態(tài)、退火態(tài)（退火溫度分別為450、600、750 ℃）的4種試樣進(jìn)行微鍛造試驗(yàn)。微齒輪凹模齒根圓直徑為1.9 mm，因此坯料選擇1.8 mm× 1.6 mm的圓柱試樣。凸模加載速度為1.8 mm/min，采用蓖麻油進(jìn)行潤滑，在凸模載荷為5 kN時(shí)停止試驗(yàn)，觀察不同坯料的填充程度。

圖8為600 ℃退火態(tài)坯料在成形力為5 kN時(shí)微齒輪底端形貌圖，其他3種試樣的填充狀態(tài)與之相似，均為微齒輪齒根圓處已經(jīng)充滿，而齒頂圓處尚未充滿。為了對不同坯料的填充性能進(jìn)行定量分析，分別對微齒輪12個(gè)齒的填充剩余量（—）和模具直徑（齒頂圓直徑1和齒根圓直徑1）進(jìn)行測量，最后求得平均填充剩余量和模具變化量。填充剩余量和模具變化量越小，說明填充性能越好，填充程度越大。

圖8 微齒輪底端形貌圖

圖9為4種試樣的填充剩余量?？梢钥闯?，在5 kN的成形力下，600 ℃退火態(tài)試樣的填充剩余量最小，為160.3 μm，而原始態(tài)試樣的填充剩余量最大，為204.3 μm。這是因?yàn)樵紤B(tài)試樣的內(nèi)應(yīng)力較大，相對于其他3種試樣變形抗力較大，使其填充到相同程度需要做的功更多。450 ℃退火態(tài)試樣填充剩余量次之。由于750 ℃退火態(tài)試樣的晶粒尺寸接近微齒輪齒形的特征尺寸，在填充過程中會(huì)產(chǎn)生填充尺寸效應(yīng)，因此其填充程度低于600 ℃退火態(tài)試樣的。微齒輪凹模變化量如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，微齒輪凹模齒根圓變化量明顯高于齒頂圓變化量。這是因?yàn)樵谔畛溥^程中，齒根圓最先受力發(fā)生擠壓變形，變形量較大；隨著填充過程的繼續(xù)，齒頂圓受力后也會(huì)發(fā)生一定的變形，但變形量較小。從變形量上來看，600 ℃退火態(tài)試樣在成形過程中凹模變化量最小，間接證明其填充性能最好，變形抗力最小。對脫模后的微齒輪凹模尺寸進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其齒根圓直徑和齒頂圓直徑分別為1 904.8和2 799.8 μm，與加工尺寸接近，其變形均為彈性變形，模具可多次重復(fù)使用。圖11為不同試樣的載荷–位移曲線，原始態(tài)試樣由于有明顯的屈服階段，因此載荷提升較快。在相同的加載力下，600 ℃退火態(tài)試樣的凸模下壓量最大，說明其變形抗力較小，填充程度更好。圖12為4組試驗(yàn)的脫模力曲線，可以發(fā)現(xiàn)4組曲線的趨勢相同。脫模力的大小與圖10中的凹模變化量相對應(yīng)，凹模變化量越大，脫模力越大。

圖9 不同試樣的填充剩余量

圖10 微齒輪凹模變化量

圖11 不同試樣的載荷–位移曲線

圖12 脫模力曲線

圖13a和b為600 ℃退火態(tài)試樣的微齒輪形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)，與凸模接觸的微齒輪上端齒形的填充程度遠(yuǎn)高于下端的，并且由于純銅較低的屈服強(qiáng)度和凸凹模之間存在的間隙，微齒輪上端面出現(xiàn)了較大的飛邊。圖13c—f為不同試樣成形出的微齒輪未填充區(qū)域的形貌圖。由于T2紫銅原始態(tài)試樣內(nèi)應(yīng)力較大、變形抗力較大、流動(dòng)性能較差，微齒輪未填充區(qū)域仍保留有坯料加工的紋路。750 ℃退火態(tài)試樣由于晶粒尺寸較大，接近微齒輪模具特征尺寸，流動(dòng)相對紊亂，表面極不平整。450 ℃和600 ℃退火態(tài)試樣在成形過程中流動(dòng)相對平穩(wěn)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，相對于原始態(tài)試樣，退火態(tài)試樣內(nèi)應(yīng)力更低、塑性更好，展現(xiàn)出了良好的流動(dòng)能力和填充性能。在相同的成形力下，相比于其他幾種試樣，600 ℃退火態(tài)試樣的填充剩余量更少、模具變化量更小、凸模位移量更大、脫模力更小以及材料的流動(dòng)性能更平穩(wěn)。因此，為了提高模具壽命和試驗(yàn)的可持續(xù)性，后續(xù)試驗(yàn)均采用600 ℃退火態(tài)試樣進(jìn)行研究。

圖13 微齒輪形貌圖

3.2 微齒輪精密成形試驗(yàn)

為了獲得完全充型的微齒輪，經(jīng)過多次試驗(yàn)探索，確立了微齒輪常溫模鍛和高溫模鍛的試驗(yàn)參數(shù)。常溫模鍛的試驗(yàn)參數(shù)如下：成形溫度為室溫，加載速度為1.8 mm/min，采用蓖麻油作為潤滑劑，成形力為10.92 kN。高溫模鍛的試驗(yàn)參數(shù)如下：成形溫度為500 ℃，加載速度為1.8 mm/min，不采用潤滑劑，成形力為4 kN。得到的微齒輪形貌圖如圖14所示（微齒輪上表面飛邊已通過打磨去除），可以看到，坯料基本充滿整個(gè)齒輪型腔，但常溫下成形的微齒輪在遠(yuǎn)離凸模底端面處仍有未充滿的區(qū)域，原因如下：（1）在成形過程中，潤滑油和空氣占據(jù)了一定的體積；（2）T2紫銅在成形過程中不斷發(fā)生位錯(cuò)，晶粒協(xié)調(diào)變形困難，從而形成了流動(dòng)死區(qū)。通過測量微齒輪底端面齒頂圓和齒根圓直徑，發(fā)現(xiàn)常溫得到的微齒輪齒頂圓平均直徑為2 761.2 μm，與理論值2 800 μm相差?38.8 μm，齒根圓直徑為1 947.0 μm，與理論值1 900 μm相差+47.0 μm。而高溫模鍛下得到的微齒輪齒頂圓平均直徑為2 800.9 μm，與理論值2 800 μm僅相差+0.9 μm，而齒根圓直徑為1 908.9 μm，與理論值1 900 μm相差+8.9 μm，相比于在常溫下成形的微齒輪，尺寸精度得到了極大提高。常溫模鍛和高溫模鍛獲得的微齒輪的齒廓面粗糙度分別為281 nm和297 nm，略大于凹模齒廓面的206 nm，依然獲得了較低的表面粗糙度。

圖14 微齒輪形貌圖

圖15為微齒輪局部金相組織?？梢钥吹剑啬ｅ懙玫降奈X輪組織在擠壓力的作用下被明顯細(xì)化，并且沿著坯料填充方向形成了鍛造流線，這有利于增強(qiáng)微齒輪的力學(xué)性能，提高微齒輪的使用壽命。而高溫模鍛并沒有形成明顯的流線組織，晶粒尺寸也較常溫下的晶粒尺寸大。這是因?yàn)門2紫銅在500 ℃下進(jìn)行塑性變形時(shí)發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象，消除了加工硬化。

圖15 微齒輪局部金相組織

測量不同微齒輪在不同位置的維氏硬度，對微齒輪力學(xué)性能進(jìn)行評估?？紤]到齒輪具有對稱性，選擇如圖16所示的硬度測試位置。位置0表示坯料硬度未在圖中標(biāo)出，位置1表示齒輪中間區(qū)域，位置2表示齒輪齒根圓內(nèi)部區(qū)域，位置3、4、5是與微齒輪凹模接觸的臨界區(qū)域，位置6表示微齒輪齒面區(qū)域，此區(qū)域是傳動(dòng)過程中直接與其他零件相接觸的區(qū)域。2種方式下產(chǎn)生的微齒輪硬度均高于坯料硬度，這也是鍛件力學(xué)性能優(yōu)于普通機(jī)加工件力學(xué)性能的原因。常溫模鍛獲得的微齒輪硬度分布較為均勻，硬度最小的是位置1，此區(qū)域變形最?。晃恢?、4、5的連線形成了金屬流線，此區(qū)域的晶粒不斷發(fā)生位錯(cuò)堆積并被拉長，為硬度最大的區(qū)域。而在高溫下，加工硬化作用消除，流動(dòng)應(yīng)力降低，最后填充的位置3是晶粒發(fā)生位錯(cuò)堆積最密集的區(qū)域，硬度值最大。

圖16 維氏硬度測量位置及結(jié)果

2種成形方式下的微齒輪齒面硬度較原始坯料硬度均有較大提高，這有利于提高微齒輪的耐磨性和使用壽命。對比發(fā)現(xiàn)，與常溫模鍛相比，高溫模鍛時(shí)T2紫銅的填充性能較好，但其成形硬度和表面粗糙度有所降低。因此，在對耐磨性要求較低、尺寸精度要求較高時(shí)，可采用高溫模鍛工藝制備的微齒輪，而在對耐磨性要求較高時(shí)，可采用常溫模鍛工藝制備的微齒輪。

3.3 微齒條精密成形試驗(yàn)

文中制備的微齒條模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為10，因此坯料尺寸為6.28 mm×2 mm×2 mm。進(jìn)行2組微齒條成形試驗(yàn)，常溫試驗(yàn)的參數(shù)如下：成形溫度為室溫，加載速度為1.8 mm/min，采用蓖麻油作為潤滑劑，成形力為10 kN。高溫試驗(yàn)的參數(shù)如下：成形溫度為500 ℃，加載速度為1.8 mm/min，不采用潤滑劑，成形力為4 kN。圖17為微齒條局部輪廓曲線圖，模具輪廓對應(yīng)截面面積為569 527.897 μm2，常溫試驗(yàn)得到的微齒條對應(yīng)的截面面積為488 348.462 μm2，高溫試驗(yàn)得到的微齒條對應(yīng)的截面面積為549 283.273 μm2，填充率分別為85.75%和96.45%?？梢悦黠@看出，高溫試驗(yàn)的成形效果更好，與模具基本貼合。

圖17 微齒條局部輪廓圖

圖18a和b分別為常溫試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)下得到的微齒條電鏡圖。可以發(fā)現(xiàn)，高溫試驗(yàn)條件下成形出的微齒條輪廓更清晰，表面質(zhì)量更好。由于坯料和凹模之間存在摩擦，在中間部分填充完成的情況下，與凹模接觸的齒條側(cè)面和端面仍未充滿。圖18c為高溫模鍛成形的微齒條局部形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)其表面質(zhì)量良好。進(jìn)一步觀察其底部和頂端形貌可以發(fā)現(xiàn)，與模具直接接觸的底面更為平滑，其粗糙度為284 nm，而齒條頂端區(qū)域金屬自由流動(dòng)，較難充型。

3.4 微傳動(dòng)裝置

文中設(shè)計(jì)的微傳動(dòng)裝置裝配圖及主要結(jié)構(gòu)如圖19所示，該裝置主要由電機(jī)、內(nèi)齒輪（微齒輪4）、外齒輪、齒條和支架構(gòu)成，整體尺寸較小。右圖為微傳動(dòng)裝置的核心部位，內(nèi)齒輪為固定齒圈（48齒），起到固定其他齒輪的作用，材料為黃銅，采用SODICK AP250Ls慢走絲線切割機(jī)床加工。微齒輪1、2、3為從動(dòng)輪，各12齒，分別由高溫模鍛、常溫模鍛和機(jī)加工技術(shù)制備；微齒輪4為主動(dòng)輪，24齒，與電機(jī)直接相連，材料同樣為黃銅，也直接使用線切割機(jī)床加工；微齒條由高溫模鍛制備，為10齒；其他支架等部件材料由亞克力板加工制成。

微傳動(dòng)裝置各零件實(shí)物如圖20所示。電機(jī)為商用N20微型直流減速電機(jī)，通過自制調(diào)速器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在96～160 r/min之間任意調(diào)節(jié)。

圖21為微傳動(dòng)裝置的裝配實(shí)物，試驗(yàn)制備的微齒輪和普通機(jī)加工齒輪展現(xiàn)出了良好的配合性能。在測試傳動(dòng)性能時(shí)，由于微齒條過短，轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)齒后會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；拆除微齒條后，微齒輪可在96～ 160 r/min的任一轉(zhuǎn)速下長時(shí)間傳動(dòng)，展現(xiàn)出了良好的使用性能。

圖18 微齒條形貌檢測

圖19 微傳動(dòng)裝置裝配圖及主要結(jié)構(gòu)

圖20 零件實(shí)物

圖21 微傳動(dòng)裝置

4 結(jié)論

通過體積微成形工藝成功制備出了模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為12的微齒輪和模數(shù)為0.2 mm、齒數(shù)為10的微齒條，得到如下結(jié)論。

1）在變形過程中，T2紫銅的流動(dòng)應(yīng)力隨著晶粒尺寸的增大、加載速度的降低、變形溫度的升高而降低。退火處理可以使T2紫銅的維氏硬度值顯著降低，并且維氏硬度隨著試樣晶粒尺寸的增大也會(huì)略有降低。

2）通過在常溫5 kN成形力的條件下對4種退火態(tài)試樣進(jìn)行微齒輪填充試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)600 ℃退火態(tài)試樣具有更好的填充效果，填充剩余量最小，模具變形量最小，凸模位移最大，脫模力最小。同時(shí)，凹模齒根圓處受力最大，變形量較大。

3）高溫模鍛可以制備出尺寸精度和表面粗糙度良好的微齒輪齒條，但相對于常溫模鍛，其總體硬度值有所下降。

4）設(shè)計(jì)了微傳動(dòng)裝置，驗(yàn)證了通過體積微成形工藝制備的零件具有良好的裝配性和傳動(dòng)性。

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Precision Micro Massive Forming of T2 Copper Micro Transmission Parts

WANG Bei, YAN Chao, RAN Jia-qi, GONG Feng

(Shenzhen Key Laboratory of High Performance Nontraditional Manufacturing, College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Guangdong Shenzhen 518060, China)

The work aims to study the micro massive forming, so as to prepare micro transmission parts with higher dimensional accuracy and better mechanical properties. Through the unidirectional compression tests, the effect of grain size, loading speed, and forming temperature on the mechanical properties of T2 copper was studied. Through the forging test, the effect of different annealing samples on the filling performance of micro gears was studied. Then, the effect of forming temperature on the dimensional accuracy and mechanical properties of micro gears was also investigated. The material structure, mold quality and forming result were characterized by optical microscope, super depth of field microscope and scanning electron microscope. With the increase of annealing temperature, the grain size of T2 copper increased gradually, and the Vickers hardness decreased gradually. There was obvious filling size effect in the micro gear filling process, and the annealing sample at 600 ℃ had the best filling effect. The average diameter of micro gear tip circle obtained by high temperature forging was 2 800.9 μm, which was only +0.9 μm different from the theoretical value of 2 800 μm, while the average diameter of micro gear tip circle obtained by room temperature forging was 2 761.2 μm, which was ?38.8 μm different from the theoretical value of 2 800 μm. Compared with the micro gears formed by forging at room temperature, the dimensional accuracy of the micro gears formed by forging at high temperature was greatly improved, but the hardness was reduced to different degrees. As the grain size increases, the loading speed decreases and the deformation temperature increases, the flow stress of T2 copper decreases to varying degrees. The filling performance of annealing samples at 600 ℃ is the best, and high temperature forging can form micro transmission parts with higher dimensional accuracy, but lower mechanical properties. Finally, the micro transmission devices which can drive smoothly are successfully assembled.

T2 copper; micro transmission parts; micro massive forming; high temperature forging

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.001

TG316.3

A

1674-6457(2022)08-0001-12

2022–01–05

國家自然科學(xué)基金（51705333）

王蓓（1992—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向?yàn)樗苄晕⒊尚巍?/p>

龔峰（1982—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)先進(jìn)制造和特種塑性成形。

責(zé)任編輯：蔣紅晨