浅谈微塑性成形技术研究现状及发展趋势

四川幼儿师范高等专科学校 四川 绵阳 621000

1 引言

随着微电子产业的发展，微型零件的市场需求日益增大，传统的锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等塑性成形技术不能满足微型零件大批量生产需求。上个世纪60年代，微型机械系统(MEMS)和空间三维结构纳米机电系统(NEMS)的出现，基于激光、LIGA等微细加工技术开始广泛应用于微型零件生产[1]，但生产出的微型零件不仅有污染而且成本高。直到上个世纪80年代，纳米技术兴起，科研人员开始探索将传统塑性成形技术应用于大批量微型零件加工，微塑性成形技术才迎来了发展契机。

微成形技术是指以塑性成形的方法加工至少二个维度方向上尺寸在毫米级到微米级的微型零件或结构的工艺技术。微成形技术具有大批量、无污染、生产效率高、材料利用率高等优点，广泛应用在电子、计算机、医疗、航空、微机械制造等领域。

2 微塑性成形理论研究现状

微塑性成形技术是一项新兴的工艺技术，其工艺参数、结构参数、物理参数等并不是传统塑性成形工艺简单地按比例缩小，基于连续介质的传统塑性成形理论、基于离散介质的分子动力学理论、宏观摩擦学中的摩擦理论等不能直接运用于微塑性成形技术中。目前，针对微塑性成形技术理论研究主要集中在尺寸效应，温度效应，摩擦力，样件材料的应力、流动性、各异向性等，其中尺寸效应是微塑性成形技术理论研究最重要的课题。尺寸效应是指在成形零件结构尺寸达到亚毫米或者微米时，零件自身的物理特性和内部结构发生了变化，某些材料性能参数和成形工艺参数不是简单地按照宏观塑性成形特点来变化。

对于尺寸效应的研究，Geiger等[2]通过墩粗实验研究得出随着样件尺寸减小，材料的流动应力降低；Engel等[3]通过环形压缩实验得出样件尺寸减小，样件材料与模具表面的摩擦系数增大；Raulea等使用单轴拉伸实验和弯曲实验得出屈服强度和抗拉强度与板厚和晶粒尺寸之比的关系。近年来，对于尺寸效应的研究成果可以归纳为以下几点：一是样件尺寸减小，样件材料流动应力、各向异性等的变化受尺寸影响明显；二是样件尺寸减小，样件表面积与体积之比增大，样件表面上的晶粒数目与样件内部的晶粒数目的比值增大[4]，样件材料粘结力、表面张力增大，扩大了摩擦力对成形的影响；三是样件尺寸的减小增大了样件表面存储润滑油的难度。

3 微塑性成形工艺研究现状

随着科技的发展，宏观塑性成形技术领域出现了复合塑性成形、超塑成形、内高压成形、可变轮廓模具成形、半固态成形、高速高能成形等新工艺。相比而言，微观塑性成形技术起步较晚，成形工艺的研究和应用仍在探索，目前主要开展了薄板微冲压、微体积成形、半固态微塑性成形、新型复合微塑性成形工艺的研究和应用。

3.1 薄板微冲压工艺 薄板微冲压工艺包括微冲裁、微弯曲、微拉深等。微冲裁通过对薄板进行冲切，得到冲孔件或落料件，成形过程中，凸凹模间隙以及模具之间的磨损直接影响成形零件质量。微弯曲通过滚弯、拉弯、压弯和绕弯等方式加工宽度和厚度在一个数量级上的微型三维立体零件，由于微弯曲成形的零件材料大多处于弹塑性硬化状态，样件材料的各向异性对成形影响表现尤为明显。微拉深用于成形各种杯体、腔体薄壁零件，成形过程中，样件受摩擦力、成形力的影响易出现起皱和拉裂现象，添加润滑剂可以降低微拉深中的摩擦力从而改善成形零件质量。微冲压工艺主要用于批量生产微型插件、微型引线框、微喷阵列孔等。

3.2 微体积成形工艺 微体积成形工艺包括对微型块料、棒料或厚板料进行挤压、墩粗、胀形、锻造等。微体积成形技术具有高效率、高精度、周期短等优点，主要用于批量成形各种复杂形状的微型零件，如微型连接器、顶杆、弹簧、叶片、阀体、齿轮、螺钉等。

3.3 半固态微塑性成形工艺 半固态塑性成形技术是通过对凝固过程中的液态金属进行搅拌，或对经过特殊处理的固态材料加热等而得到的具有非枝晶结构的液相、固相组织混合的半固态材料进行成形加工，成形的零件尺寸精度高、表面光洁、力学性能好。为解决微塑性成形技术中的难题，半固态成形技术开始应用于微观塑性成形技术，KimGY等成功运用半固态成形技术压出17×17个0.8mm×1mm的微圆柱形钉；WuY等提出了半固态粉末微成形技术(SPF)；任庆伟等对Pb Te块体材料进行了半固态粉末微成形加工。

3.4 新型复合微塑性成形技术 新型复合微塑性成形技术是指将超声、振动、脉冲电流、激光、电磁、电液、爆炸等技术应用在微塑性成形工艺中，从而降低微型零件加工过程中所需成形力，提高材料塑性，改善材料微观组织性能，减少缺陷。Yao等[5]研究出在激光的冲击作用下成形零件，材料残余应力及硬度都有较为明显的提升。刘新等[6]研究得出在聚氨酯冲裁工艺中，采用超声振动技术可以优化工艺，改善冲裁件质量。

4 微塑性成形技术发展趋势

现代工业生产中，微型产品市场份额逐渐增大，随着微电子、微制造、测量、材料等学科的不断发展，微塑性成形技术将释放出更大潜能，对于微塑性成形技术理论和工艺研究应用也会不断完善深入。个人认为，微塑性成形技术在未来的发展中会呈现出以下趋势：

深化微塑性成形技术理论研究。材料科学和理论力学的不断进步，一方面有助于深刻认识材料组织性能随尺寸变化的规律，另一方面有助于进一步探索微塑性成形技术中尺寸效应、温度效应、摩擦力的机理。

开展复合微塑性成形技术研究。近年来，宏观塑性成形技术领域中已成功将金属加工方法融合到塑性成形技术中，出现了冲压冷锻技术、铸造锻造技术等，复合塑性成形工艺提高了零件的加工效率和加工精度，微观塑性成形技术领域也应积极探索多种加工方法的融合应用。另外，多能场复合塑性成形技术已广泛应用于宏观塑性成形技术领域，利用声、光、电、磁等能场辅助成形，提高了成形效率及成形零件质量，微观塑性成形技术领域辅助成形方法仍应用较少，应积极探索更多的辅助成形方法。

探索应用于微塑性成形技术的新材料。现用的金属、合金材料、塑料、陶瓷、超塑性合金等的组织性能、流动性、各向异性不能很好满足微塑性成形技术要求，探索新材料用于加工微型零件及改良微塑性成形模具均具有重要意义。

5 结语

微塑性成形技术作为一项新兴的多科学交叉工艺技术，由于起步晚、适用性有局限，所以发展相对缓慢，目前对这一技术的研究和应用仍处于初级阶段。但微塑性成形技术具有批量化、加工效率高、成本低、无污染、材料利用率高等优点，符合现代制造技术环保节能要求。随着工业4.0及5G时代的到来，微电子和计算机相关产业将迎来更大的发展契机，微塑性成形技术将在微型零件制造领域发挥更大作用。