金属微成形技术

黄锡峰

(广州大学松田学院，广州511300)

微成形是通过塑性加工制造至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术［1］。在20世纪90年代出现了将传统塑性加工工艺应用于大批量微型金属元件制造的微成形技术。典型的微成形工艺有微挤压、微钣金、微模锻工艺等。由于这一技术具有极高的生产效率和最小的材料损失，最终产品具备优秀的力学性能和紧公差等特点，特别适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。因而微成形技术的研究已经迅速成为研究领域和业界的热点。

1 微成形技术的特点

在微小尺度下，微成形工艺已经不再是单纯的金属塑性加工工艺，它已经变成了多学科交叉的高新技术。与传统的金属塑性成形工艺相比，微成形技术有其自身的特点。

(1)在微成形过程中，出现了所谓的尺度效应现象即由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象。究其原因，目前的理解是，与宏观成形相比，微成形制品的几何尺寸和相关的工艺参数可以按比例缩小，但仍然有一些参数是保持不变的，如材料微观晶粒度及表面粗糙度等。所以不能将微成形过程简单理解为宏观成形过程的等比微型化，而且在具体的微成形过程中材料的成形性能、变形规律以及摩擦等确实表现出特殊的变化［2］。

(2)材料在塑性成形过程中，随着工件尺寸的减小，表面积与体积的比值增大，从而工件表面上的晶粒数目与工件内部的晶粒数目之比也随着增大，在表面积上的晶粒比体积内的晶粒约束要少，因此，表面积上的晶粒将以较低的流动应力变形。材料的本构关系不再是简单的应力－应变(率)之间的关系，而与被加工物体的尺寸、材料的晶粒尺寸等诸多因素存在着一定的联系。

(3)由于随着试件尺寸的微小化，工件与模具直接接触的面积相对增大，而工件与润滑剂接触的相对面积减小，引起摩擦系数增大。微成形过程中摩擦和润滑条件发生了变化。宏观摩擦学中有关摩擦的理论和控制方法已不再适用。同时，由于微小尺度下表面积和体积之比增大，摩擦力对成形的影响比宏观尺寸下要大得多。

(4)微成形工艺中模具的设计、制造以及模具材料的选择发生了变化。由于微型化效应，传统的模具设计原则上不能完全应用于微型尺度;模具材料从传统的金属材料变为硅等非金属材料。相应地，在模具制造方面，由于尺寸的微小以及模具材料的变化，模具的加工采用微电子行业的腐蚀、光刻等工艺。模具整体的加工精度、表面质量的控制等都较传统方法发生了变化。

(5)微成形时所需工作环境、设备、相关测试仪器和测试方法发生了变化。微成形时被加工材料需要处于真空或在惰性气体保护环境下;加工过程中对成形设备的精度要求远远高于传统。

2 微成形的应用

与宏观金属成形相似，微成形技术的应用可以分为3个方面:微体积成形、微钣金成形和微型材成形［3］。

2.1 微体积成形

微体积成形有着广泛的应用，常用来生产微小的螺栓及销钉类零件，如原材料经过线拉拔得到直径为几十微米的线材，然后经过切割成为微小圆柱体。通过对直径为0.8～1mm线形工件镦粗和轧制等微体积成形工艺，每年可生产上百万只微螺钉。现在采用微成形工艺可以加工出更小更复杂的零件。

2.2 微钣金成形

Kals和Vollertsen利用空弯和激光加热弯曲技术来研究微钣金成形，最薄厚度可达0.1mm。Erhardt等人提出微钣金成形概念工具，在微拉深时用激光对局部加热，可以实现厚度为0.1mm钣金的拉深。

2.3 微型材成形

目前这方面研究还比较少，高温超导是当前高新科学技术的一个重要研究领域，目前最典型的生产工艺是Bi系高温超导带材的粉末套管法(OPIT)。它是一种多复合体多次塑性成形的工艺方法，其特点是采用超导陶瓷粉末与金属基材实现复合，并完成塑性加工。

3 微成形的相关技术问题

微成形技术的主要研究领域4个，即材料、模具、工艺和设备。除了上述几个主要的微成形技术研究领域以外，还有许多相关的技术问题需要解决。

(1)是与微成形技术相关的检测技术。微成形技术对检测技术的发展也是一个极大的挑战。现代检测技术都十分复杂，如何高效、准确的检测微成形中的变化量是微成形技术的又一个研究方向［4］。现有的检测设备复杂，且价格昂贵。如何高效方便地测试微成形过程中的各种物理量，开发出相关专用检测设备等也是微成形技术研究领域的一个技术问题和研究方向。

(2)是如何利用数值模拟(有限元)的方法去对微成形技术进行工艺等方面的模拟。通过在微成形理论基础上建立微观尺度下成形工艺等方面的有限元模拟方法，对微成形工艺进行仿真，从而达到在微观层次上对成形工艺及相关等的计算机辅助设计(CAD)。目前这一研究领域也比较活跃，发展较快。

4 结语

微成形作为一门多学科交叉的新兴技术，会带动相关技术和理论的发展，也相信随着材料、微电子、测量、微制造等学科研究的深入，微成形在21世纪塑性加工中将会扮演越来越重要的角色。

［1］Engel U，Eckstein R.Micro forming－from Basic Research to It s Realization.Journal of Materials Processing Technology，2002，125－126(9):35－44.

［2］Kals T A，Eckstein R.Miniaturization in Sheet Metal Working.Journal of Materials Processing Technology，2000，103:95－101.

［3］FVollert sen，ZHu，H Schulze Niehoff，C Theiler.State of the art in micro forming and investigations into micro deep drawing.Journal of Materials Processing Technology，2004.151，70－79.

［4］赵迎红，雷丽萍等.微塑性成形技术及其力学行为特征.塑性工程学报，2005，12(6):1－7.