微塑性成形工艺的发展现状

薛春娥

（长江职业学院工学院，湖北 武汉 430073）

自20世纪80年代末以来，世界上许多工业发达国家，如美国、日本及欧共体各国都已将微电子机械系统作为一种重要发展学科之一，并投入大量资金进行相关研究，这极大地推动了微细加工技术的发展，先后出现了超精密机械加工、深反应离子蚀刻、LIGA（即德文光刻/Lithographie，电铸/Galvanoformung和注塑/Abformung三个词的缩写）及准LIGA技术等技术。然而，这些方法具有成本高、周期长、效率低、有污染等缺点，制约了它们在微细加工领域的广泛应用。相比之下，微塑性成形技术不仅具有低成本、高效率等特点，而且具有高强度、高精度、表面质量好等优势，因此被认为是微细零部件批量生产的理想方法。近年来，一些科研工作者开始尝试将微塑性成形技术应用于微细金属零部件的批量制造，先后出现了微冲裁、微弯曲、微拉伸、微挤压、微印花及微纳复制成形等微塑性成形技术。本文重点介绍了近年来国内外学者在微塑性成形工艺方面的研究工作，并对微成形技术的未来提出了展望。

1 晶态材料的微塑性成形工艺

（1）微冲裁。冲裁是生产微小零件的主要工艺之一，目前相关的研究主要集中在电子产品方面。1990年，Sekine等人研究了线框零件的微冲裁工艺，随后他们还进一步研究了高速精密冲裁在微机电器件生产中的应用。文献研究了150 μm厚的板料的微冲裁工艺，发现冲裁力与材料的各向异性有关，不同冲裁方向上的冲裁力相差明显。Raulea等人系统地研究了冲裁倾角对微冲裁工艺的影响规律，并且还究了晶粒度对微冲裁工艺的影响，研究发现，剪切力没有随着晶粒尺寸与局部尺度比率的增加而降低，反而有增加的趋势，分析认为，晶粒尺度与局部尺度比率增加使局部变形抗力增大是导致上述现象的原因。微冲裁中凸凹模间隙的控制以及工模具之间的磨损是有待解决的关键问题。

（2）微弯曲。微弯曲成形的产品外形尺寸与板料厚度比较相近，因此，宏观弯曲工艺中的平面应变假设不再适用。文献的研究认为，在宏观弯曲成形中可以忽略的材料各向异性的影响，但微弯曲成形时材料处于弹塑硬化状态，计算平面应力时必须考虑各向异性的影响，在此基础上对文献提出的模型进行了改进。文献通过有限元模拟研究了微弯曲中工模具几何参数、摩擦系数及材料的影响。上述文献研究表明，在微弯曲成形中同样存在尺寸效应现象，另外，微型弯曲件在传输过程中极易变形，因此，微弯曲制件的检测也是一个关键的技术问题。

（3）微拉深。对于薄板成形，采用拉深技术可以成形各种形状的杯体、腔体零件，但是拉深成形中的摩擦、非均匀变形、各向异性等现象的影响非常明显，比其他成形工艺过程更为复杂，因此有关这方面的研究和报道也较少。文献通过专用装置研究了薄板的微拉深工艺，在实验研究时，薄板厚度t为0.05～1.0mm，冲头直径DP为0.5～40 mm，选择不同的尺寸进行交叉实验，分析了拉深极限与冲头相对直径DP/t的关系，结果表明，当相对直径DP/t大于40时，可以用相似原理解释其拉深机理；而当冲头相对直径DP/t小于20时的拉深机理明显不同于大相对直径的拉深机理。与其他成形方法相比，微拉深成形工艺的制约因素较多，研究难度大，特别表现在传感器及相关检测技术上。

（4）微挤压。微挤压是最典型的微成形工艺之一。文献进行了系统的微挤压实验研究，按照相似性原理设计了一组前挤压试验方案，在0.5～4mm范围内选择一序列直径不同的挤出口模，研究挤压速度、表面粗糙度以及不同润滑条件对微挤压的影响。结果表明，挤出压力随着零件尺寸的减小而增大，表现出明显的尺寸效应。该文献还设计了一种前杆后杯的复合挤压方案来研究复杂零件的微挤压成形工艺，并研究了微挤压成形中的晶粒尺寸效应现象，图1(a)是前杆后杯微型零件。研究发现，当挤出直径为2～4mm时，制件杯高与杆长比率的变化不受晶粒度的影响，但当挤出直径减小到0.5mm后，晶粒度大的样件的杯高几乎一致。文中分析认为，这是由于杯壁厚度与晶粒直径相当，甚至小于晶粒直径，从而使材料的延展性降低，因此复合挤压时材料更容易向挤压头的运动方向流动，由此认为，坯料的微观组织以及微零件的结构尺寸对微成形具有重要的影响。

美国学者Y·Saotome利用Al-78Zn作为坯料，成功挤出模数为10μm的微型齿轮轴，该齿轮的节距圆直径只有100μm，如图1（b）所示。文献采用微挤压工艺，研究了Zn-Al22、2091Al-Li和1420Al-Li合金的超塑微挤压性能，并分析了温度、压力、保压时间以及润滑条件等对超塑性微成形的影响情况，提出微成形性能的评价方法。

图1 (a)前杆后杯微型零件

3 非晶微成形工艺的发展

图2 以Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5块体非晶合金为原材料，利用热塑性成形工艺加工的多尺度空间曲面图案，（a-c）微米和纳米尺度的半球表面图案，（d）一端具有纳米棒的微柱图案。

由于晶态材料存在晶粒、晶界以及位错等特征，在微成形中存在明显的缺陷，而非晶合金作为一种新型材料，刚好克服了上述问题，被认为是一种化最理想的微成形材料之一，因此，近年来，国内外关于非晶微成形技术方面的研究较多：如Saotome和Kawamura等人详细研究了齿轮类微型非晶零件的挤出成形工艺；Chiu以及耶鲁大学的Kumar等人为了探索块体非晶合金在过冷液态区的热塑性微成形机理，进行了一系列的理论和实验研究，并将该技术应用到表面图案成形和三维体成形中。图2是以Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5块体非晶合金为原材料，利用热塑性成形工艺加工的多尺度空间曲面图案，其中(a)–(c)是微米和纳米尺度的半球表面图案，(d)展示了一端具有纳米棒的微柱图案。Wert等人也进行了大量的非晶合金超塑性微成形方面的实验研究，并分别采用正挤、反挤压以及闭式模锻等工艺手段，成形出了一些典型非晶微型零件。

国内方面，张志豪等人研究了块体非晶合金Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5的超塑性成形性能，在此基础上，采用精密模锻方法制备了模数只有0.25mm的直齿非晶齿轮和微型凸轮等微型零件；随后他们利用实验研究的方法，尝试了不对称微型棘轮的超塑性精密模锻成形工艺；郭晓琳利用超塑性闭式模锻的方法研究了锆基非晶微型齿轮微塑性成形工艺，并利用闭式模锻方法成形出分度圆直径为1mm的微型齿轮。另外，文献通过数值模拟和实验手段，系统研究了锆基非晶合金超塑性微反挤压成形过程中的流变机理以及尺寸效应等相关理论问题，并成功挤压出壁厚只有50μm的杯形微型非晶零件和不同壁厚的变截面三维微型非晶零件，如图3所示。

非晶合金微成形技术具有广阔的应用前景，目前已经取得了一些研究成果。但仍有许多需要进一步深入和完善的研究工作有待开展，如复杂微型非晶零件成形的多轴流动机理和流动规律；微塑性成形过程对非晶组织和性能的影响机理；如何有效地降低非晶的粘度，以实现微型非晶零件的低能耗、高效成形，这些都是非晶微塑性成形需要解决的理论和技术难题。

图3 不同壁厚的变截面非晶零件，对应冲头直径分别为：(a)1.1 mm,(b)1.0 mm,(c)0.9 mm,(d)0.8 mm

3 结语

微成形工艺是一项新兴的多学科交叉的工艺技术，经过国内外学者几十年的研究和实验，该技术已得到一定的发展。但工艺研究需要理论支持和指导，目前人们对这一技术的基础理论和工艺方法的认识还不足，存在诸多有待解决的基础理论和技术难题：如微成形材料及其本构理论的研究，开发适合微成形工艺的新型材料，建立微小尺寸下材料的本构关系，并基于这些理论建立起微观尺度下金属成形工艺的理论体系，是这一领域研究的关键基础理论问题；另外，与微成形工艺相关的微成形装备、微型模具、检测技术和检测设备等方面都存在一些急待解决的难题，微成形技术的发展将是一个艰辛的过程，但由于该技术具有广阔的应用前景，引起了各工业国家的高度重视，相信随着研究的不断深入，微成形技术将得到更快的发展。

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