微成形工艺研究及应用于微小零件生产的相关工艺

冲裁是生产微小零件的主要工艺之一，特别是在电子产业领域，因此目前相关的研究主要集中在电子产品方面。参考文献[13]对微冲裁成形中尺度效应的研究发现，冲裁力并没有随着制品尺寸的减小而减小，而且，当板料厚度较小时，冲裁力和剪切力还有轻微的增大，这主要是由于冲裁过程中不存在自由表面，表面层模型已不再适用。针对不同的材料和晶粒度所作的研究在这一点上的结论是一致的。参考文献[23]研究了线框的精度与模具、工艺参数的关系，结果表明，线条的偏斜与线条的宽度及凸、凹模间隙有关，线条宽度越小，偏斜度就越大。条料的夹紧力、冲裁速度与制品精度有关，较小的夹紧力和较高的冲裁速度都将导致精度降低。参考文献[24]的案例中，板料厚度只有150μm，冲裁面积11mm²，结果表明冲裁力与材料的各向异性有关，与轧制方向成45°和90°的冲裁方向上的冲裁力明显不同。参考文献[25]分别研究了工模具的磨损、冲裁倾角及凸凹模间隙等问题。参考文献[26]在研究了剪切力与晶粒度的关系后发现，随着晶粒尺度与局部尺度比率的增加，剪切力没有降低反而有增大的趋势，表现出与弯曲同样的特性，原因是晶粒尺度与局部尺度比率增加导致局部变形抗力增大。参考文献[2]的研究表明，在微冲裁中，冲裁断面的比例分布没有太大变化，但断面精度、毛刺现象与尺度效应、凸凹模间隙明显有关。微弯曲主要用于成形簧片、挂钩、连接头、线条等微小零件，这些产品的特点是产品外形尺寸与板料厚度相近，这意味着宏观工艺中平面应变假设不再成立。参考文献[26]提出了能够计算平面应力的一种力学模型；参考文献[27]改进了这一模型，考虑了各向异性的影响，因为微弯曲成形的零件材料大多处于弹塑硬化状态，各向异性的影响比宏观成形更为显著，如沿着轧制方向弯曲的回弹要比沿与轧制方向垂直的方向弯曲的回弹大；参考文献[28]通过有限元模拟研究了微弯曲中工模具几何参数、摩擦因数及材料的影响。关于尺度效应与弯曲力的关系，如上所述，当晶粒尺度远小于局部尺度时，随着制件尺寸的微型化，弯曲力减小；但当晶粒尺度与局部尺度接近时，弯曲力则增大，且随着制件尺寸的微型化，回弹增大，当板料厚度极薄时这种趋势稍有改变，这与参考文献[29]的结果相符。在弯曲件的传输中，制件极易变形，因此弯曲制件的检测问题也相当有挑战性。在薄板成形中，应用拉深工艺可以成形各种形状的杯体、腔体。但最复杂的工艺也是拉深成形，在摩擦、各向异性、变形的不均匀性等方面，较之其他工艺更为突出，因此有关这方面的研究和报道也较少。参考文献[30]通过专用装置对薄板（板厚t为0.05～1.0mm，冲头直径D_P为0.5～40mm）拉深的研究表明，拉深极限与冲头相对直径D_P/t有关，相似原理可以适用于相对直径D_P/t高于40的情况，而且冲头相对直径D_P/t低于20的拉深机理与高于40的拉深机理明显不同。参考文献[31]发展了微拉深的热成形工艺，结果显示拉深力降低了20%，而伸长率增加了10%。较之其他成形方法，微拉深研究的制约因素较多，特别表现在传感器及相关检测技术上。挤压是微成形中较为典型的工艺。参考文献[32]介绍了按照相似性原理进行的前挤压试验，在试验中，采用挤出口直径为0.5～4mm及不同的挤压速度、微结构、表面粗糙度和润滑剂。结果表明，随着制件尺寸的微小化，挤出压力明显增大（挤出压力与挤压成形率有关），如上所述，这主要是由于挤压微小制件摩擦增大的结果。有限元模拟也得出同样的结论。为了研究复杂制件的微挤压成形工艺，专门设计了前杆后杯的复合挤压试验，结果显示，对于细晶粒（晶粒平均直径4μm）样件，杯高与杆长的比率随着制件尺寸的微小化而增大。原因与双杯挤压类似：随着制件尺寸的微小化引起摩擦的增加，从而导致材料更多地向挤压头运动的反方向上流动，杯高增大。在同一试验中，采用热处理粗化晶粒（晶粒直径120μm）后的样件，结果表明，在挤出直径为2～4mm时，粗晶粒样件与细晶粒样件的杯高与杆长比率的变化趋势相同，但当挤出直径为0.5mm时粗晶粒样件的杯高不再变化。这主要是由于粗晶粒直径大于杯壁的厚度，降低了材料的延展性，导致材料更多地向挤压头运动方向上流动。其机理与微弯曲类似。这一研究结果表明，材料微观结构在微成形中具有重要的影响。参考文献[13]进一步研究了晶粒度与加工硬化的影响，结果与宏观挤压差异较大。另一个较为成功的微成形工艺是超塑性成形，超塑性成形可以在低压条件下获得形状复杂的制件，而且由于超塑性状态下材料具有良好的微成形性能，特别适合于微小零部件的加工，尤其是MEMS系统部件。参考文献[33]采用Al-78Zn进行超塑性挤压，研制出模数为10μm、节圆直径100μm的微型齿轮轴。在真空或氩气环境中，采用直径为0.5mm的毛坯，将其放入温度为520K的模腔中，通过一个线性激发器施加200MPa的压力挤出。研究表明，微轴表面精度与挤压速度及挤压力有关，挤压速度及挤压力越大，微轴表面精度越低，这可能是由于应变率增大引起晶粒边界产生空洞缺陷所致。参考文献[34]将超塑性技术与微挤压相结合，对1420Al-Li合金的超塑微挤压性能进行了研究，通过实验分析了润滑条件、压力、保压时间、温度等参数对成形的影响，并提出微成形性能的评价方法，对不同孔径及不同槽宽的成形及影响因素也进行了分析。其他微成形工艺研究也开展广泛，如模压、压印等工艺已开始应用于实际生产。(www.xing528.com)