薄板微成形工艺的研究现状及发展趋势

2018-03-15刘德振

科技视界 2018年35期

关键词：薄板

刘德振

【摘要】薄板微成形是一种比较重要的制造板料的方法，它在实际中的应用非常广泛，可以形成结构不同和角度不同的各种复杂的零件。现在薄板的微成形在集成电路行业和和电行业的应用特别多，塑料成形有关的领域正在大力支持研究薄板的微成形技术。在薄板微成形方面，主要进行薄板的微拉深、微冲裁和微弯曲等。本文结合前人研究，对薄板微成形工艺的研究现状及发展趋势问题进行探析。

【关键词】薄板；微模压成形；微拉深；微冲裁；微弯曲

中图分类号： TG306 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0116-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.048

Research Status and Development Trend of Sheet Metal Microforming Technology

LIU De-zhen

（WUHAN POLTECHNIC UNIVERSITY， Wuhan Hubei 430023， China）

【Abstract】Sheet metal forming is an important sheet metal forming method， which has been widely used in practical production and can form complex parts with different angles and structures. At present， microforming of thin sheet is widely used in electronics and IC industries. In the micro forming of thin sheet， the micro-drawing， micro-punching and micro-bending of thin sheet are mainly carried out. Based on previous studies， this paper probes into the current research status and development trend of thin sheet micro forming technology.

【Key words】Sheet； Micro moulding； Micro deep drawing； Micro cutting； Micro bending

最近幾年，各种微小零件在市场上所占的比重越来越多，每年市场上需要的零件有数百亿件，同时各种新的技术得到了大力的应用和发展，比如快速成型技术、离子束刻蚀技术、微细放电加工技术、激光加工技术、超精密机械加工技术等，这些技术在攻克部分难题方面的作用比较大，但是微机电系统在产业化后对生产过程的要求必须是环保的、批量化和低成本的，这在很大程度上对微加工相关技术的使用起到了阻碍作用，在这样的情况下，人们开始关注传统的成形方法，因为很多的企业都使用传统的制造工艺。于是在这样的背景下，出现了塑性微成形技术，这个技术是对现代化的微形制造技术和传统的成熟工艺综合在一起，兼具二者优点的具有典型代表的技术。

塑性相关的微成形技术是用塑性加工的到达生产以毫米为单位的零件的技术。这个技术具有工艺简单、成本低廉、生产效率高，形成的产品强度高的优点。在制造微零件的过程中，经常使用到薄板微成形的方法，常用的薄板零件主要是利用微弯曲、微拉深和微冲裁的方式进行生产加工的。

1 薄板微成形工艺的研究现状

1.1 微拉深

在薄板成形中，各种不同形状的腔体、杯体的成形主要利用的是拉深技术。在薄板成形过程中，拉深成形的技术特别复杂，它在拉深的过程中容易因为晶体的尺寸的不同和晶体的摩擦而发生变形，因此很多人都对其进行了不同程度的研究。

成形方法层面，Behrens等学者利用磁控溅线方法制造出了15纳米厚Al-Zr合金，并且使用这种合金制造了纳米级的微杯，具体如下图1所示，温度不同，成形的微杯不同。

图1 不同温度下成形出的微杯

材料方面：深圳大学的学者利用纯度比较高的铜制造出了锥形的圆锥杯和圆柱形杯，傅铭旺等人利用晶体的半径不相同和冲头的半径不相同的纯铜的薄板研究了尺寸对制造工艺的影响。研究的结果是：薄板晶体的尺寸越大，拉深成形过程中的负载越小，但是当板材切面的晶体粒特别少的时候，减小的程度会比较小。零件的尺寸和晶体粒的尺寸的变化会导致不均匀的变形出现，从而导致零件的表面不平滑和零件的形状不规则。luo等人利用304的不锈钢薄板对微拉深进行可以研究，他们建立了有限的模型，并在模型中加入了尺寸的影响，他们在该实验中重点研究了薄板的形状对拉深的功能的影响。他们在描述特殊的区域的时候利用的是在那些凹凸不平的部位设置合理的网格密度。然后经过模拟发现，在微成形的过程中，材料表面的光滑度会对成形零件的质量产生很大的影响。

Chen等人利用热处理的方式对不同厚度的不锈钢薄板进行了研究，得到了薄板的不同比值和晶体的不同尺寸。这个实验也说明在薄板成形的过程中晶粒的尺寸、板的厚度和比值T/D都会对其产生很大的影响。

德兰黑大学的Aminzahed等学者利用压电型驱动器进行了微拉伸深的实验，通过实验可以发现，随着压边力的增大材料的厚度会明显的变薄，但是和尺寸比较大的材料相比，其减少的程度比较小；压边力越大，冲头承担的负荷越大，这种负荷比大尺寸的材料承担的负荷要小。

日本东京都立大学的学者们在微拉深中采用了一种液压装置，它可以制造复杂的零件，同时保证这些零件的质量。这个装置的原理是在其中设置一定的压力和空隙，这样可以保证成形零件的表面的光滑度。他们利用这个装置制造成功了直径在0.8毫米的微杯。他们在研究了50纳米厚的纯钛微杯、磷青铜、不锈钢之后提出，适当的背压能够对拉深过程中产生的摩擦力和材料表面的皱纹进行很好的消除，可以极大的提高成形的零件的尺寸的精度和其极限。如图2是在冲头圆角半径和比例因子不同的条件下，利用该装置形成的微杯件。

图2 不同冲头圆角半径时拉深成形的微杯

1.2 微冲裁

微冲裁是一种生产尺寸比较小的零件的工艺，在实际生产过程中应用的比较多，尤其是在生产电子产品的过程中，电子元件和集成电路可以通过微孔来固定，但是随着生产电子产品的技术的进步，对微孔的要求也越来越高。所以我们必须找到质量更好，尺寸更小的微孔。所以国内的很多学者都对其进行了研究。

西北工业集团公司的刘汉雄等人对材料的复位的思想在实际中的应用进行了研究，设计出了一种冲裁的模具，它可以在非常薄的青铜带上加工非常小的擒纵型的轮片，这种方法很大的降低了生产成本，提高20%的良品率，可以提高1倍的生产效率。

Chen等学者在电火花的加工中采用了振动的装置，设计了把电火花和振动结合在一起的装置，然后在把这个装置同微冲压的设备结合在一起生产出了直径在200纳米的微孔，这个组合性质的设备还能够很好的提高成形零件的质量和加工的效率。韩国学者通过微细加工的方法研制出了碳化钨冲头，分别在厚度为100纳米、25纳米和50纳米的不锈钢薄板和黄铜薄板上成形出了直径为100纳米、25纳米和50纳米的微孔，并对这些微孔的质量进行了分析，发现这些孔表面的之间都是非常好的，这说明利用机械加工有关的方法生产质量比较高的微孔在以后的实际生产中将会被广泛应用。Mori等人利用陶瓷纤维碳化硅作为沖头，成功的制造出了直径为14纳米的微孔，这种孔的质量也比较高，后来，他们又在厚度为20纳米的不锈钢、50纳米的铝箔、30纳米的铜箔上面分别成功的成形出了相应的微方孔。

傅铭旺等人在研究微冲裁时利用了厚度为0.8毫米和1.5毫米的两种铜薄板。他们发现，当尺寸的因子的数值为1时，材料的厚度基本上不会受晶体粒的大小的影响，和经过了热处理之后的材料的厚度比较，原始的材料更厚。当尺寸的因子为0.53时，落料的厚度和晶粒的大小成反向关的关系，而当板的厚度小于晶粒的尺寸时，其落成的材料的形状将会变得不规则。这种现象发生的主要原因是，在材料向上的方向上，晶体的颗粒特别少，晶体粒的位置的不同使得材料承受的力度不同从而导致其塑性的变形不均匀，进而造成了冲裁之后的零件的形状的不规则性。

1.3 微弯曲

微弯曲也是对零件成形的过程中非常重要的技术，它在实际的生产中应用也比较多，比如弹簧片、挂钩、连接头和线条等零件的生产，但是微弯曲的过程当中，弯曲的零件的尺寸精度会受到很薄的材料的尺寸效应的影响，导致设计的成品的次品率的增加和产品设计的难度的增加，所以想要提高微弯曲的成形质量和效率就要对材料在弯曲的过程中的原理进行研究，找到新的弯曲方法。国内外的很多学者已经在这方面进行了很多的研究。

德国的研究学者以退火处理后的黄铜箔为材料进行了研究之后提出，尺寸效应的两种表现形式会受到比例因子和晶粒的尺寸的影响，而且这种影响的程度很大。

江苏大学的王霄等人提到了使用激光冲击的方法对材料进行成形的理论，他们使用这种方法在非常薄的铜板上生产出了三个平均深度在110纳米的U型槽。

上海交通大学的教授建立了一种晶体相关的塑性模型，将其命名为非局部的错密度的晶体的塑性模型，这个模型在建立的过程中考虑到了弯曲过程中材料分子的不均匀性，它在对金属的薄片弯曲之后提出，细晶粒的薄板和粗晶粒的薄板其微观硬度是按照不同的模型分布的，在对厚度不同的单晶体铜箔进行弯曲时，其表现出的结果是越薄的尺寸效应会受到细晶粒微观硬度分布模式的影响，跟粗晶体的微观硬度模式分布没有关系，粗晶粒的微观分布模式主要受到晶粒取向的影响。硬度较小的晶粒，其塑料变形的程度比较大，SSDs比较高。而细晶粒的分布模式主要受到晶粒的取向和晶粒的尺寸双重的影响。对比较粗晶粒的薄板来说，就算它只有一两个厚度比较大的晶粒，粗晶粒的分布模式也只是提高了相关材料的硬度，但是对其中间软通道的形成起到了一定的阻碍作用。对晶粒比较小的铜箔来说，粗晶粒分布的模式只会对材料的硬度进行加强。

2 薄板微成形技术未来发展

综述，很多人都在研究薄板的微成形方法，在微弯曲、微拉深和微冲裁方面也取得了很多的成果，但是不管从微成形的工艺还是微成形的原理来说都不是很成熟，还有一些关键的问题有待解决，为了解决这些问题，薄板微成形技术将需要在以下几个方面取得进一步发展。

2.1 基本理论体系的构建

以前的塑性成形的理论已经发展的非常好，但是微小零件的成形理论还没有形成自己的框架，现在很多的研究都只是研究工艺参数和材料尺度之间的关系，很少有人对尺寸发生变形的原理进行研究，所以我们必须要在微小的尺寸下对材料的力学的本体的构成关系进行建立，研究对微成形润滑、摩擦和破坏的机制，对微成形的基本理论进行完善。

2.2 尺寸效应的影响

因为受到尺寸大小的影响，在尺寸非常小的时候，材料的性能和特点会发生变化，这个时候已经无法用宏观的对材料测量的方法对其进行测量，而且现在还没有形成跟微成形相关的统一的标准实验的体系，包括测量的方法和实验方法，这不利于材料微成形性能库的形成，也不利于学术交流和研究。所以，建立合适的对微尺寸进行实验的体系是非常重要的。

2.3 成形材料的开发

对薄板来说，薄板越薄，其塑性功能和力学的性能下降的越快，以前的材料已经无法满足最新的要求，所以开发新的可以使用微成形技术的材料是必然的，就现在而言，最重要的是开发出塑性特别好的材料。

2.4 相关设施的研究

微成形的工艺是随着设备、相关的设施和模具的发展而发展起来的，用薄板的微成形技术生产的零件数量多，尺寸小，零件的表面光滑度比较高，需要用专门的装置对其进行固定，成形后的材料需要对其位置进行准确的控制，需要的模具要有很好的耐磨性，零件的尺寸要非常小，表面的质量要非常好，但是利用以前对材料进行加工的方法、加工的材料和加工的装置已经无法满足人们对零件的要求。所以我们要研究合适的可以的对薄板进行微成形的设备和设施，开发新的用模具进行加工的方法，对薄板在微成形过程中遇到的问题进行解决，除了对这些问题进行研究以外，还要对测量的技术和模拟的技术进行研究。总之，在研究薄板的微成形技术的过程中我们还要花费很多的精力。

3 结论

虽然现在因为理论和技术的原因，薄板的微成形技术在实际的零件生产中应用的还比较小，但是作为一种生产微小零件的技术，随着相关的技术和理论的不断发展，还有产品微小化的趋势的发展，我们有理由相信薄板的微成形技术一定会得到广泛的应用，创造巨大的经济效应。

【参考文献】

[1]倪大龙.SUS304不锈钢薄板介观尺度成形极限研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[2]欧阳金栋.磷青铜薄板的微塑性成形尺度效应研究[D].南京航空航天大学，2015.

[3]宗小彦.超薄板微束等离子弧焊散热条件的研究[D].上海工程技术大学，2016.

[4]顾晓猛.金属薄板超声微拉伸性能测试[D].深圳大学，2015.

[5]李凯辉.金属薄板超声柔性冲头微冲压成形方法应用与质量评估[D].深圳大学，2015.

[6]王蓓.柔性冲头金属薄板超声微冲压成形工艺研究[D].深圳大学，2016.

[7]杨志.T2紫铜微小杯形件高分子粉末介质软模拉深成形研究[D].深圳大学，2016.

[8]单德彬，徐杰，王春举，郭斌.塑性微成形技术研究进展[J].中国材料进展，2016，3504：251-261.

[9]李河宗，李金亮.304不锈钢薄板微成形行为实验研究[J].科技创新与应用，2016，25：89.