精密微成形技术的研究现状

　　0 引言

　　随着微机电系统 MEMS (Micro Electro MechanicalSystems)在航空航天 、精密仪器 、电信电子 、国防 、生物医疗等领域越来越广泛的应用， 微成形技术已成为人们的研究热点[1]。 近年来 ，以微/纳米技术为基础 ，结合精密塑性加工方法的微塑性精密成形技术得到了很大发展，这样，大大拓展了微成型技术的应用范围[2]。 但是，微塑性精密成形技术对成形材料选择、微模具的设计及制造、成形设备以及检测等提出了新要求。 本文仅对微成形机理、成形材料和成形工艺等方面最新的研究作一些介绍。

　　1 微塑性精密成形机理的基本特征

　　传统成形工艺按比例微缩到微观领域时， 大部分参数均已不再适用， 但材料的晶粒大小、表面粗糙度、 应力、 应变、 应变率等参数是不依工件尺寸大小改变而变化的， 一些基础研究表明， 这些因素对材料的摩擦力及流动应力等方面的作用方式都产生了影响， 这即所谓的“尺度效应 ”，它普遍存在于金属微成形领域中 ; 另外 ，由于尺寸的微小化， 材料表现出明显的各向异性， 材料与工件模具之间的摩擦与润滑机理也发生了变化。 而且， 由于微成形件的尺寸相对于宏观的工件来说过于微小， 但相对于材料的分子大小来说又过于庞大， 因此，基于经典的连续介质塑性理论和基于离散介质的分子动力学理论都无法应用到微塑性成形工艺中。 关于微塑性成形机理及其工艺的理论分析方法仍在探索之中。 对该技术的研究涉及物理、 化学、材料科学、 制造技术等研究领域， 微塑性成形已经变成了多种学科交叉的边缘技术， 具有独特的特点。

　　微成形过程中的摩擦和润滑条件也发生了变化， 宏观摩擦学中有关摩擦的理论已不再适用。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明显增大， 因此润滑成为微成形工艺中一个十分重要的因素。 那么微成形时润滑的机理是怎样的? 用何种理论进行解释? Engel 等人[3]首先通过环形压缩实验研究了成形过程中的微接触摩擦问题。他认为，随着工件尺寸的降低， 材料与模具表面的摩擦系数增大。为了扩展 Engel 的研究成果并证明其在挤压中的有效性，Geiger 等人对 4 个形状相似， 直径分别为 0.5mm、1mm、2mm 和 4mm 的圆柱试样开展了双杯挤压实验[4]。 结果表明， 当工件微缩化时， 摩擦力会大幅增加。 当压力增加时， 封闭润滑包里的润滑油的压强增大， 能很好的支持和传递成形载荷， 从而使摩擦减小了。 位于模具与工件边缘的开放式润滑池会与交接面以外的区域连通， 从而润滑剂可以从润滑池中流出， 这样模具与工件就会直接接触， 见图 1。 随着工件尺寸的微小化， 开口润滑包的面积减少的相对较小， 而封闭润滑包的面积减少的相对较多， 这使得工件与模具直接的接触面积相对增大， 而工件与润滑剂的接触面积相对减少， 因此， 微成形时工件与模具之间的摩擦系数比宏观成形时的大。 但采用固体润滑剂时由于不存在润滑剂溢出问题， 对摩擦系数的影响不明显。