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南京航空航天大学研究盘学位论文 燕要 徽细加工是微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 和微 小型器件从设计构想成为现实的核心技术。微成形作为微绷加工技术群体中的 一瑗技术，正在发攥羲越来越萋黉筑箨焉。与传统熬宏蕊蛰惶趣工不同，徽餐鎏 程蔑形不但撅王对象尺寸小，要躐精度高，丽氨在船工过稷中材料挢表现蹬来的 性质与宏观加工相比也有许多不同之处，尺度效应将会发擞。研究表明：零件微 型化黪歉了尺寸效威，使传统的懑性力工王艺不髓壹接应越予微藏形，尺寸效 应霆礴了簸残形静产整纯。本文通过臻竞不羹遇戈获套下h 6 2 黄镊藏擞戚澎激粳 实验，初步验证了潮于尺度效威的影响，随猎样件尺寸的槭小流动成力也呈 现减少的趋势。并对温挤压微成形技术以及摩擦对微成形的影响等进行初步的 探讨。 关键词：微成形，尺寸效应，馓粗，h 6 2 黄铜，温挤压，摩擦 i - 1 6 2 黄铜微镦糨应用基础研究 a 8 s 下r a e t m i c r o - f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fm i c r 。e l e c t r o m e c h a _ n i c a ls y s t e m sa n dm i c r o - p a r t so fa 臻a p p a r a t u sf r o md e s i g ni d e a t o r e a l i t y m i c r o f o r m i n g a so n eo fm a n yt e c h n o l o g i e so fm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i n c o n t r a s tt ot r a d i t i o n a l m a c r o p l a s t i c m a c h i n i n g ，n o to n l ya r em a c h i n i n go b j e c t ss m a l la n dm a c h i n i n ga c c u r a c yh i g h ，b u ta l s oa r et h e r em a n yd i m e n s i o ne f f e c t si nm a c h i n i n gp r o c e s s r e s e a r c hi n d i c a l e s ：t h em i c r o m a t i o no fp a r t sr e s u l t i n gi ns i z ee f f e c t sw h i c hm a k e st h ew a d i t i o n a l p r o c e s s i n gt e c h n i c n o tt ob ed i r e c t l ya p p l i e di n m i c r o - f o r m i n g t h i sp a p e rv e r i f i e dw h e nt h es i z eo ft h ek i n dp i e c ew a s 式m i n i s h e d 。t h ef l o w i n gs t r e s s s h o u l da l s op r e s e n tt h ed e c r e a s i n gt r e n d ，b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c e o ft h es i z ee f f e c t ，i nu p s e t t i n gt e s to fh 6 2b r a s s o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e da l s ot h e a p p l i c a t i o no fw a h t ie x t r u s i o n a n dt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i - o n 洫m i c r o - f o r m i n g k e yw o r d s ：m i c r o - f o r m i n g ，s i z ee f f e c t ，u p s e t t i n g ，h 6 2b r a s s ，w a r me x t r u s i o n f r i c t i o n i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学能论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所敷褥的成果。爆我所知，除文中已经没嘲引用的内容外，本学位论文的 礤究戒浆不龟含谩秘德人事毒蓉终较戆悫銮。辫本论文爨涉及豹磅变工露徽密 贡献的冀他个入和集体，均己在义中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留邀交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据麾进行检索，可以 采雳影露、缩印或其簸复裁手段缳存论文。 ( 缀密静掌整谂文在解密后邋麓本承诺书) 南京航空航天大学研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着近年来电子工业及精密机械的高速发展，产品的微型化成为一个大的 发展趋势，细微零件的成形加工显得越来越重要。零件的尺寸精度及表面粗糙 度会极大的影响零件的使用性能。拓展一种高精度、低成本的微成形工艺无疑 会对产品的微型化产生极其深远的影响。镦粗作为一种基础的压力加工方式， 可以成为对微成形技术研究的突破口；而温挤压也是满足高精度、低成本要求 的微成形工艺的一种；并且研究摩擦特性，进而延伸至塑性加工领域并采取相 应的润滑措施是很必要的。现在德国和日本在微成形方面做了比较多的工作， 值得我们借鉴与探讨。 1 2 微成形及其应用 随着今年来电子及精密机械的高速发展，细微零件的成形加工显得越来越 重要。第六界i c i p 会议，就细微件的成形加工问题进行了两个单元的专题讨论， 共1 l 篇论文参与交流，为微成形的研究指明了新的方向。未来微型化的趋势， 将对微型工件的需求不断增加，生产高精度、低价格的微零件的成形工艺将是 非常有前途和必要的。目前成形微零件的技术在工业生产中仍受到许多条件的 限制。 一般来说，厘米及毫米级的金属成形，无论从机理还是工艺上，均已比较 成熟。目前人们在精密成形中对微米级及亚微米级的成形加工有极大的兴趣。 而工业中应用比较普遍的则是5 0 0 h m 到5 0 0 9 m 范围内的成形加工。据称，纳米 级及亚纳米级的成形已开始通过计算机仿真技术在原子水平上进行研究。 l e o p o l d 对微成形应用的基本原理作了介绍，并提出了开展微成形研究的 微粘塑性法。由于在微成形加工中变形区很小，与晶粒尺寸相当。在微粘 塑性法中，分格尺寸小于晶粒尺寸。这种方法与有限元法结合起来的混合法 ( h m v f ) 能有效的计算稳态和非稳态的金属成形，包括能量消耗、表面的形成、 工艺力、流动应力及温度等。h m v f 方法在微成形适用于从n m 到哪这样一个范 围，远远优于经典机械学尽适用于表层厚度小于3 n m 的情况。 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 金属成形工艺的各种发展趋势：短期化、灵活及各种工艺的结合、中空结 构技术等，将改变未来工厂的结构和制造技术。有限元法和优化技术越来越成 为开发新工艺和改善工艺和工厂的重要工具0 1 。金属成形工艺已成功地用于制造 微零件4 。采用金属注塑模具法制造微零件，同一批生产拉伸件、弯曲件，重 量偏差不到百分之零点五，密度基本恒定，说明只要注塑参数及其他条件选择 合理，就能达到一定地精度要求8 3 。文献 6 还对手表上的装饰冠装件进行了多 相锻造制造地研究，并将传统的锻造由三步改为四步，采用锥形冲头增加心部 金属应变速率。当人们把注意力集中在板材成形上时，f 1 本学者。1 却采用纵向剪 切棒材的方法制造出微零件，并将纵横剪切结合起来，加上局部锻造，生产出 形状复杂的微零件。金属板成形微零件，几何参数和材料参数对成形的重要性 的理论数值分析也有报道。1 ，实验分析得到的结果，及一些推测对小尺寸零件的 成形过程具有指导意义。微型冲压在传统的冲压工艺上发展起来，也已成为一 种很重要的金属微成形工艺。 由于零件的微型化，与传统成形工艺相比，微成形在另外一种程度上受到 材料参数( 材料流动应力) 和技术( 成形力、各向异性、摩擦) 参数的影响。 微型化对摩擦影响的研究，以双杯挤压为代表，文献 9 对其进行了研究，板厚 及试件尺寸对金属流动应力额影响通过胀形实验得到了证明“1 1 。晶粒与板材厚 度的比例对成形的影响，己通过单向拉伸实验( 晶粒大小不变，厚度改为变) 和弯曲实验( 板厚不变，晶粒大小改变) 进行了探讨1 ：展宽与组织的可控性 是展宽轧制的两个突出优点，展宽轧制是一种降低带平面机械性能各向异性的 有效方法。文献 1 2 采用横展轧制法生产广泛用于半导体铅架的c u f e 合金带， 与传统平轧带相比，展宽轧制加工硬化更大，屈服应力、拉伸强度和硬度稍高 一些，伸长量减小，轧制组织不如平轧明显，机械性能各向异性及罗德常熟均 比平轧小。 微零件的应用主要有以下几个方面： 1 ) 在医疗领域，微起搏器安装在皮肤之下，能连续精确控制药量，微 机械学的发展，使得人们研制出更好更小的内窥镜，通过它不仅可以诊 治疾病，还可以进行更为复杂的检查。 2 )在航空电子学领域，不断的微型化，将给该领域带来更大的收益， 电容性加速器传感器是一种l i g a 产品，已被应用于飞机中，并作为汽 车中气囊激发装置。 南京航空航天大学研究生学位论文 3 ) 在计算机领域，铅架可以说是典型的金属微成形产品“，微连接器 的使用将使硅片盒的尺寸大大减小，目前使用的芯片盒，内部有一个连 接器，而使得其体积过分臃肿。用l i g a 方法己开发出微连接器。微成 形得应用，将使磁道间距更小，数据存储更加密集，硬盘在体积减小得 同时可保持大容量。随着现代计算机业得迅猛发展，微机械产品在这一 领域额应用将是相当喜人的。 微电子行业、微机械行业及其他应用领域产品不断微型化，必将导致微零 件需求的增加，也将引起微成形技术的革新以满足产品在精度、质量等方面 的要求。 1 2 1 国内外微成形技术的研究进展 国外有许多公司或实验室致力于微成形技术研究和微零件的设计加工。如 前苏联创立于1 9 8 6 年的f o r s c h u n g s z e n t r u mk a r l s r u h e ( f z k ) l i g a 的一个子公 司。德国提出了一种经济廉价的新技术m i c r o p h o t o l i g h t i n g ( m p l ) ，这种方法 的功能已通过生产薄层而得到证实，这种m p l 方法非常适用于生产厘米尺度的 装置和侧向具有0 0 1 m m 结构。挪威、德国、日本也都有相应的研究机构或公司 在这一领域开展工作。9 0 年代初，日本开始研制超精密微型压力机，于2 0 0 0 年 推出了能进行小批量生产的台式微型工厂，它包括微型车床、微型铣床、传送 装置和微型压力机“”。德国g e i g e r 教授“”等进行了微成形基础理论研究，并复 合挤压出0 5 m m 直径、壁厚为5 0 p m 的黄铜微零件；日本s a o t o m e 等“超塑性挤 压出直径为2 0 0 p m 、模数为2 0 u m 的z n 一2 2 a i 齿轮。在室温下，德国s c h u b e r t 等”压印了( e m b o s s i n g c o i n i n g ) 铝、黄铜和不锈钢，获得了最小为l o i _ u n 的微 结构，其顶部圆角l o o n m 、表面粗糙度r a 2 0 n m 。最近，s a o t o m e 超塑性压印 了最小尺寸为2 0 0 h m 、0 , 2 0 n x 5 0 0 n m 的p d 、p t 非晶模具型腔，预期用于微注塑 下一代d v d 盘片“”1 。 在国内，哈工大张凯锋等。”分析了成形压力、保压时间对1 4 2 0 a i l i 合金 超塑性微成形性的影响。 1 2 2 发展趋势 随着m s t 、m e m s 技术的不断发展和应用领域的逐渐拓宽，大规模大批量生产 微零件和微结构零件的需求同盏紧迫，微成形技术因其优越的工艺特点和大批 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 量生产特点在微细加工领域中备受瞩目，成为m e m s 技术发展和市场化的关键性 环节之一。虽然经过近十年的发展，微成形技术仍处在起步阶段，但己取得的研 究成果和进展表明，微成形技术市场化的进程明显加快，更重要的是，微成形技 术的发展并不是仅仅为研究领域提出了新的使命和挑战，它更孕育着一个庞大 的产业和巨大的商业利润，同时也是国际竞争中又标志性技术产业。 美国、日本、德国等先进国家高度重视基于微细加工的 f e m s 技术，取得了许 多成就。美国早在2 0 世纪6 0 年代就利用硅片腐蚀方法制造了用于医学的脑电 极阵列探针，1 9 8 9 年微机械加工技术被美国国家自然科学基金会和美国国防高 级研究计划署认为美国急需发展的新技术。1 9 9 9 年前后，在美国国防部的支持 下，“m i c r o s t a r b l a c kw i d o w ”等批基于微细加工技术的各种掌上飞行器 应运而生。日本在1 9 9 1 年开始执行一项为期1 0 年的微机械技术大型研发计划， 总经费为2 5 0 亿日元，在此支持下，取得了很多基于m e m s 的微型机器人和微型 传感器。德国也将微机械列为重点项目，提供了4 亿马克的科研经费。我国在微 细加工技术方面也做了大量的研究工作，研制了微电泳芯片、d n a 芯片、微光谱 分析系统、微型机械光开关、压电致动微泵。清华大学1 9 9 7 年底研究成功扭摆 式微加速度计，1 9 9 8 年和1 9 9 9 年又先后研究成功振动轮式微陀螺仪和梳齿式 微加速度计。上海交通大学研制成功的1 咖电磁微电机可连续工作l h 、寿命l a ， 力矩1 5um ，转速2 0 0 0 r m i n 、重1 2 5 9 。上海大学研制了适于8t o m m 管道作 业的微型机器人，清华大学、东南大学、复旦大学、上海大学等正在进行微加速 度计、微陀螺仪、微型惯性测量组台、微型飞行器等的研制工作。 可喜的是，我国在“十五”8 6 3 计划中成立了m e m s 主题，提供大量资金对基 于微细加工的m e m s 技术进行研究工作。总之，面向m 脒s 微细加工技术作为一种高 新技术在世界范围内得到了高度重视，它与纳米技术结合在一起，将对未来科技 的发展带来革命性的影响“。 1 3 选题意义 微细加工是微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 和微 小型器件从设计构想成为现实的核心技术。微细加工是当今制造业最活跃的研 究方向之一，在生物科学、医疗器械、信息科学、航空航天等领域有着重要和 4 南京航空航天大学研究生学位论文 广阔的应用前景。 微成形是微细加工技术群体中的一项技术。通常，微成形是指金属成形件 至少有两方向的尺寸小于l 哪，是一种近净成形技术( n e a rn e ts h a p e t e c h n i q u e ) ，具有优质高效、高精度、低成本、无公害等优点。但是，由于尺 寸效应的影响，微成形比传统的塑性成形更为复杂。与其它微细加工技术一微 细电铸、微细电火花加工、准分子激光加工、微细铣削和微注塑成型等相比， 微成形的研究与应用尚处于起步阶段。为促进微成形技术实际运用，必须掌握 尺寸效应对微成形影响的规律。 通过和其它微细加工技术组合与集成，微成形可以制造微型飞行器的推进、 动力、执行等单元系统的微型齿轮、传动轴、减速器、平面线圈等：微成形还 可以制造m e n s 中的微金属零部件，从而达到提高性能或者获得特定性能的目的。 本课题的研究可以深化微成形基础理论，更好地了解材料的微成形行为，丰 富微细加工技术，并为微成形在m e n s 器件和系统中的应用奠定技术基础。 1 4 本文主要研究内容 本文对不同退火温度的h 6 2 黄铜进行镦粗实验，对成形件进行分析和测量。 研究零件微型化后的尺寸效应的影响以及晶粒分散性对材料性能的影响。并对 温挤压微成形及微成形中的摩擦和微结构力学模型进行研究探讨。 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 2 1 引言 第二章h 6 2 黄铜微成形镦粗实验 产品微型化已成为工业界不可阻挡的趋势，特别表现在通讯、电子、微系统 技术( m s t ) 、微机电系统( m e m s ) 等领域。这些产业的兴起极大地推动了微细加 工技术( m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 的发展，先后出现了超精密机械加工、 深反应离子蚀刻、l i g a 及准l i g a 技术、分子装配等技术。 但是微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低 成本、无污染、净成形等固有特点制约了上述微细加工技术的广泛应用。人们 不得不把视线转向传统的成形工艺( 冲裁、弯曲、拉延、拉深、超塑性挤压、起 伏、压印等) ，因为在宏观制造领域，成形工艺恰恰具备这些产业优点。因此面 向微细制造的微成形技术( m i c r o f o r m i n gt e c h n o l o g y ) 在短短十年内得到了 迅速发展。除了市场推动因素外，其深厚的技术背景是微成形技术在短时剐内得 以较快发展的关键原因。因为，虽然微成形工艺与传统成形工艺在成形机理上存 在较大差异，其相关技术如模具、设备等的要求进一步提高甚至达到苛刻的程度 但是已有百年历史的传统成形工艺所积累的成熟的工艺数据和试验方法、成形 力学的不断突破以及各种模拟手段的出现都为微成形技术的研究奠定了厚实的 基础：加之各种微细加工技术的发展使得微成形相关装备( 模具、设备、传输机 构等的实现也成为可能。因此，面向微细制造的微成形技术研究势在必行，且已 成为研究领域和业界的新热点。 根据文献 2 2 的观点，微型化产品包括微零件( m i c r o p a r t ) 、微结构零件 ( m i c r o s t r u c t u r e dc o m p 0 2 n e n t s ) 和微精度零件( m i c r o p r e o i s i o np a r t s ) 三 类。微零件可理解为具有低于毫米级的内部特征形状，而外形只有几毫米的微小 零件：微结构零件的外形在几毫米到几厘米之间，但在其一个或几个面上嵌有微 米级甚至纳米级的微细结构零件：微精度零件一般指高精度零件，其外形及内部 特征具有微米级的几何公差，尺寸精度小于1 。微成形技术主要适用于成形微 零件和微结构零件。 通常，微成形是指金属成形件至少有两方向的尺寸小于l r r c n ，是一种近净成 形技术( n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ) ，具有优质高效、高精度、低成本、无公 害等优点。但是，由于尺寸效应的影响，微成形比传统的塑性成形更为复杂。 南京航空航天大学研究生学位论文 与其它微细加工技术一微细电铸、微细电火花加工、准分子激光加工、微细 铣削和微注塑成型等相比，微成形的研究与应用尚处于起步阶段。为促进微成 形技术实际运用，必须掌握尺寸效应对微成形影响的规律。 和传统的成形工艺一样，微成形工艺系统也由材料、成形过程、工模具、设 备( 包括工装) 四部分构成。在微成形加工中同样需要考虑工模具的设计、工艺 参数的优化、材料的磨损及处理等问题，但其主要特点却是由微小尺寸引起的微 观尺度效应决定的。简言之，就是不能把宏观工艺参数、结构参数、物理参数简 单地按几何比例缩小应用到微成形过程中，因为微型化的影响波及整个工艺系 统的各个方面。到目前为止，对微成形中的尺度效应还没有一个明确完整的定义 概括地讲，尺度效应就是指：在微成形过程中，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 。 h 6 2 黄铜具有良好的塑性，变形抗力小，是一种生产实际中常用的金属材料。 本章通过对依据相似原理准备的h 6 2 黄铜实验样件进行有润滑状况下的镦粗实 验，从而研究微小尺寸引起的尺度效应的影晌。 2 2 镦粗的变形特点 镦粗是指压力使坯料高度减少而直径( 或横向尺寸) 增大的工序。这是塑 性成形加工中最基本的变形方式。例如拔长冲孔、模锻、挤压以及轧制等工序， 都包含有镦粗的作用在内因而研究镦粗工序更有其普遍意义“。 2 2 1 圆柱体镦粗的变形特点 ( 一) 圆柱体镦粗时的不均匀变形 镦粗时毛坯外形要发生畸变，一般的h 0 d 。 o 5 时则情况较复杂， 一般先出现双鼓形，随着镦粗的继续进行，再由双鼓形变成单鼓形。 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 显然，镦粗时毛坯外形的畸变是与内部变形的不均匀性相对应的。 为研究圆柱体镦粗时内部的变形情况，曾有人用铅做成一个中间剖开的圆 柱试样，在中间剖面划上网格，见图2 1 。粘住后作镦粗，再将其熔开，就会发 现网格发生了程度不等的变形，见图2 1 b 。不同压缩程度下出现的网格的变形 程度也是不同的，所以称镦粗是非稳定的塑性流动过程。 剀2 1 圆柱体镦粗时的不均匀变形 图2 2 圆柱体镦粗时的虑变分布 a ) 径向b ) 轴向 将剖面分为三个变形区，区域i 称为难变形区，这是和上下压头相接触的 区域。由于表层受到很大的摩擦阻力，这个区域的单元体都处在三向压力状态。 所以这个区域的变形很小。同时由于摩擦力的影响是随离接触表面的距离而减 弱的，所以区域i 大体上是一个圆锥体。区域i i 是大变形区，单元体主要在轴 向力作用下产生很大的要所变形，径向由较大的扩展，以及难变形锥体的压挤 作用，这些变形的综合，外形就出现了鼓形。区域i 是外测的简形部分，称小 变形区。它的外表面是自由面，端面的摩擦影响又小，因而应力状态克看似单 向压缩，且网格的变形不大。 根据以上分析，圆柱体镦粗时的应变分布如图2 2 。 镦粗变形的不均匀性液反应在毛坯的端面变化上。试样的边部区域，金属 质点与压头表面又相对径向滑动，称滑动区：而心部，没有相对滑动，称为粘 着区。滑动区和粘着区的相对大小取决于摩擦系数u 和毛坯相对高度。两者越 大，则粘着区也越大。 ( 二) 镦粗时的附加应力 镦粗变形的不均匀，会在金属个部分之间产生一种相互平衡的内力，称为 附加应力。由于出现附加应力，材料的塑性将会降低，所需的变形功也会增加。 豳审 霞命 南京航空航天大学研究生学位论文 此外，酣加发力疆是平缀鼹一对内力，因此在岁 力除去后并不消失，亦即崧变 形后盛舞残余应力傈窝穰王俘孛。 2 2 2 圆柱体镦粗时的变湃蓼力 ( 一) 接歉瑟上麴戏力分毒巍簿 轴对称变形的横向流渤时( 镦糨氆) ，见图2 3 。设f = 一7s ，对墓元椴块 列平衡方程式得： 萨，。蠡r d o + 2 0 e m r s i 珏罢兰一2 虿d o d r 一 2 ( 图2 4 a ) 时有均匀压缩应力区存在，变形体呈双鼓形；h d = 2 时( 图2 4 b ) ，区消失，d 与d 重合，假如镦粗变形产生双鼓形后再继续 镦粗，由于中间直径急剧增加，双鼓形则成为具有最大直径的单鼓形。h d 2 时( 图2 4 c ) ，i i i 区缩小，h d = 1 时，刚性区圆锥的两个顶点b 与b 重合，中 心拉应力消失。 ( 二) 静水应力力学模型的切应力理论 当高径比h d 1 的毛坯镦粗变形时，由于端部摩擦所形成的难变形区，可 以认为是静水应力区，即该区内的三向压应力近似相等。这样，静水应力区区 域内的变形是纯剪切变形。如图2 5 为h d l 毛坯馓粗时的静水应力区的力学 模型。静水应力区的圆锥体a b e 和a b c 都是该瞬间时状态新形成的难变形区， 旋转体6 加p 是上下两个难变形区的公共区域，于是再旋转体y b e 母体上都作用 着切应力，产生纯剪切变形。这相当于在以o f ( 变化的) 为半径的圆面上作用 着从圆中心向外方向的横向拉应力，称该横向拉应力为附加横向拉应力，它引 器一 乱乱乱 蓐一 矗堪鼯营 蘑一 南京航空航天大学研究生学位论文 起救甥应力力场鹃方向与端鬻摩擦力在静承应力区内g 起的切应力场的方寇摆 同。在静东应力嚣，作用在戳o f 为半径静阙瑟上静剪秘变形速率燕激大静；嚣 在e f 为直径的脚平面上下附近，剪切变形强烈。随着变形体高径比h o 的进一 步降低，上述现象更加加剧，甚至可以使翦切变形时的切应力超过材料的临界 撬赘疆度 f 。，2 ) ，窭褒赘跷襞绞。大鍪l 饼类锻终牵，玉寒现裘纹绞黧( 棼叁点) 的解剖试验证实了静水应力隧力学模型的切应力理论。以此理论为依据可以制 定出避免剪切裂纹萌生与扩展的工艺措施。 ：，t 一一 4 f 堪 一 酗2 5h d 变形金瀵毒搂蕊乏翘京在蔫露濠力，弓漉；蠹努鬃衾属漉穑不稳麓，放 嚣产生辩麓威力。 ( 2 ) 部分金属流动阻力不一致，日i 起金属流动不均匀，从而产生附加应力。 3 ) 燹影金属豹缀缓终稳不均驾，骏嚣弓| 蘧不臻匀交澎，馨鼗辩麓液力熬 产生。 ( 4 ) 模矮工作部分的形状与尺寸不合理，在挤难件内部产生帽互举制的附 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 加应力。 附加应力可分为三种：在变形体中，为了平衡几个大的部分之间由于不均 匀变形而产生的附加应力，称为第一种附加应力：为了平衡两个或几个晶粒之 间由于变形不均匀分布而产生的附加应力，称为第二种附加应力；为了平衡一 个晶粒内部由于各部分之间的不均匀变形而产生的附加应力，称为的三种附加 j 立力。 ( 二) 残余应力引起塑性体变形的作用力取消后，随之消失的仅是基本 应力。附加应力不是由外力引起的，而是为了自身得到平衡引起的。因此，当 外力取消以后，附加应力并消失而残留在变形体内部成为残余应力。与附加应 力相同，残余应力也是相互平衡的。与三种附加应力相对应，残余应力也可分 为三种。 一般来说，附加应力和残余应力是有害的。它往往会引起如下后果：( 1 ) 缩短挤压件的使用寿命：( 2 ) 引起挤压件尺寸及形状的变化；( 3 ) 降低金属的 耐腐蚀性。挤压加工时，防止或减轻产生残余应力的措施，主要是从消除或减 少产生不均匀变形的根源入手。主要措施有：( 1 ) 采用良好的润滑剂；( 2 ) 合 理设计模具工作部分的结构、形状和尺寸，以保证挤压件的变形与应力分别较 为均匀：( 3 ) 尽可能采用组织均匀的金属变形：( 4 ) 挤压后采用有效的热处理 方法以消除残余应力。 四、挤压时的外摩擦 挤压变形时，模具表面与毛坯直接接触，它们之间存在着滑动摩擦，其主 要特点是：( i ) 模具与毛坯的接触表面产生局部粘结。：( 2 ) 接触表面的机械咬 合；( 3 ) 中间物质的剪切。 在挤压加工中，为了减少摩擦力，应加润滑剂。根据润滑剂隔离层的厚度 和存在情况。可将挤压时的摩擦分为三种基本类型： ( 1 ) 液体润滑摩擦。在模具与变形金属的接触表面之间存在较厚的润滑层， 当其厚度大于分子距离的1 0 0 0 1 0 0 0 0 时。可产生液体润滑摩擦。 ( 2 ) 吸附润滑摩擦( 边界摩擦) 。在模具与变形金属的接触表面之间，仅 存在润滑剂吸附层的润滑摩擦，称为吸附润滑摩擦或边界摩擦。 ( 3 ) 干摩擦。接触表面之间没有润滑剂薄膜和任何杂质存在，摩擦表面处 于直接接触状态的摩擦，称为干摩擦。 模具与变形金属接触表面之间的摩擦力对挤压变形过程有以下几个方面的 南京航空航天大学研究生学位论文 不利影响： 由于外摩擦的作用， 余应力，降低产品质量。 由于外摩擦的作用， 能量消耗提高。 引起应力和变形不均匀，使工件内产生附加应力和残 增加了克服摩擦力的附加变形功，是的工作应力增加 由于外摩擦的作用，使变形力增加，因而加重模具的负荷，此外摩擦力会 引起模具磨损，降低模具寿命。 综上所述，在大多数情况下，挤压时的摩擦力是一个不利的因素。在挤压 时应尽量减小摩擦力的数值。温挤压时影响摩擦力的主要因素是模具工作表面 状态和润滑。因此在生产前都将模具工作部分加工成很光洁的表面，一般表面 粗糙度在r 。= 0 1 0 4 m 以下。合理的润滑可以有以下效果：( 1 ) 显著降低模 具与变形金属之间的摩擦系数；( 2 ) 降低变形力；( 3 ) 减少模具磨损、防止模 具损坏和提高模具寿命：( 4 ) 防止由于附加应力而引起的各种挤压废品。 3 3 2 温挤压温度的选择 由于产品对象不同，零件的变形程度不同，设备条件不同，对产品的性能、 尺寸精度要求、表面粗糙度要求不同，所选择的温挤温度也有所不同。一般来 说，温度高时的挤压力比温度低时的挤压力有所降低，但产品的尺寸精度、表 面光洁度及机械性能指标不及温度低的挤压件好。通过实践与分析，合理的挤 压温度应该是：选择在金属的变形抗力有显著下降的温度范围；选择在金属开 始有强烈氧化之前( 这样可避免金属氧化造成的缺陷) ：选择在变形金属与它相 对应的润滑剂之间具有最小摩擦系数的温度范围。见表3 1 。 材料温挤温度 碳钢、低合金钢、工具钢等6 0 0 8 0 0 奥氏体不锈钢i c r l 8 n i 9 t i2 5 0 3 5 0 或5 0 0 8 0 0 马氏体不锈钢2 c r l 3 、4 c r l 3 、 6 0 0 8 0 0 c r l 7 n i 2 高温合金钢g h l 4 0 3 0 0 4 0 0 纯铝2 5 0 3 5 0 铝合金l y l 2 和l c 43 0 0 4 2 5 h 6 2 黄铜微镦粮庶用基础研究 l 铜和锅合众 。 3 0 0 3 5 。 l 镁和谈舍众 1 7 5 3 9 0 l 钛和钛合众2 6 0 6 5 0 表3 。i 套转金震浸挤压滋菠表 3 0 3 温挤压力 ( - - ) 影响温挤成形时变形力的因素 彰魂涅耪裁影嚣变形力瓣嚣素臻多，蠢： ( 1 ) 材料的种类、状态和性能。被挤压材料的机械性能对荦位挤压力的 影响很大，是决定单位挤压力的基本因索。强度极限o 。和屈服极限o 、高的材 糨，其单位挤撩力较大。见裘3 。2 。 榜瓣o 。( 鹾p 8 )o 、( m p a )5 ( )h b 紫铜2 0 0 9 2 3 0 黄铜3 4 0 3 6 08 32 04 8 5 2 8 9 9 l4 32 5 i1 0 镶3 2 0 3 4 02 0 02 9 1 5 钢3 6 0 3 8 02 2 02 6 2 0 钢5 8 03 4 01 8 i c r l 8 n i 9 t i8 9 0 02 0 04 02 0 0 裘3 2 部分盒麟材料机械性能袭 ( 2 ) 变形方式和变形穰度。在进行j 实心件正挤压、空心件正挤压与反挤压 三耱不霜交影方式熬耪垂爨，盔羹暴变形稳度耀司，裂爱象压甏需攀位爨压力蕞 离，而两种正挤压的单位挤雁力比较接j 琏。复合挤压时的总挤压力比单纯反挤 戚正挤时所需的总挤压力要小或相等。这是因为复合挤压时金属流幼所受的约 束甏少靛缘故。 ( 3 ) 模其几何形状。会灌静几何形敬便于金属流溯，可敬改善摩擦情况， 减少金属流动隰力，因而在很大程度上将使变形抗力减小。 ( 4 ) 加热温度。一般情况下，与冷挤压相比，低濑温挤压可减少变形抗力 1 5 ，孛渥瀑蘩搓及较高滠滠辚垂夔交形拣宠胃减少黧滋对魏1 4 1 2 。可冕 濑挤压的变形抗力比冷挤压时有显著下降，对冷作硬化敏感的材料聪为显著。 3 2 南京航空航天大学研究生学位论文 3 3 4 温挤压润滑剂 由于温挤这种成形方式的特点，对润滑剂有下列要求：( 1 ) 可耐2 0 0 0 m p a 以上的高压；( 2 ) 能覆盖温挤时形成的大片新生表面；( 3 ) 量保持低的摩擦系 数：( 4 ) 适合大约8 0 0 以下的加热范围，要求在温度范围内性能不产生变化， 就是说保持稳定性；( 5 ) 在加热温度范围内，有足够的粘度和附着性能；( 6 ) 在温挤时能防止金属质点粘附到模具上。 3 3 5 温挤模具 对温挤用的模具工作部分材料的选择有下列要求：( 1 ) 模具升温以后，材 料的屈服极限应高于温挤时在模具工作部分上的单位压力：( 2 ) 材料应具有足 够的耐磨性，特别时高温耐磨性；( 3 ) 材料应具有足够的韧性，一边防止裂纹 产生。此外希望热膨胀率要小，导热率大，比热大。目前完全适合温挤的模具 材料还没有，但可以根据条件在冷锻模具钢和热锻模具钢中选取。见表3 3 。 模具材料淬火温度( )同火温度( )使用埂度( h r c ) c r l 2 m o vi 0 0 0 i 0 5 0 ( 空冷)4 5 0 5 5 05 5 5 8 w 1 8 c r 4 v1 2 0 0 1 2 4 0 ( 油冷)5 5 0 7 0 05 0 6 3 w 6 m 0 5 c r 4 v 21 1 6 0 1 2 7 0 ( 油冷)5 5 0 6 8 05 0 6 3 3 c r 2 w 8 v1 1 3 0 1 1 5 0 ( 油冷)5 5 0 6 0 04 6 5 0 5 c r n i m o8 3 0 8 7 0 ( 油冷)4 5 0 5 7 04 5 5 0 表3 3 部分模具材料的性能表 又由于连续加工时，模具温度会上升，需要喷上冷却液或润滑液，而温挤 模具不像热锻模那样剧冷剧热，热裂纹很少产生，所以一般可以采用高速钢作 为温挤模具材料。 温挤压模具结构的设计，基本上是沿用冷济压模具的设计原则。但是随着 温挤压温度的升高，对温挤压的模具材料则有不同的要求。为了避免温挤压模 具因温度升高、硬度降低而加速磨损，应把模具的冷却方式作为一项重要因素 加以考虑。必须采用模具的冷却方式如下： 在小批量生产时，可以在每次温挤压以后，用压缩空气冷却凸、凹模等工 作部分，并增加每次温挤压之间的间隔时间。 在大批量生产时，必须采用专门措旌来冷却模具。 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 1 、在压力机连续生产时，不要每一次行程都进料，隔一次行程送一个毛坯， 这样就可以有充分的时间使模具冷却。 2 、在模具内开孔加强模内冷却。用泵将压力为0 1 2 o 1 4 m p a 的润滑剂打 进模具内的孔道进行流放以冷却凸模，面向凹模则吹进压力为0 4 0 5 m p a 的压 缩空气以冷却凹模和顶件器。 3 、对模具进行喷雾冷却。由于温挤压过程中，凸模温度升高，如仅利用模 具内的开孔流放冷却润滑剂，则因水分蒸发很快，润滑剂流不到凸模的下端， 因此当压力机滑块回到上死点附近时，还要用喷嘴对凸凹模进行喷雾冷却。这 三种方法经常要联合使用。 3 3 6 温挤产品的尺寸精度、组织和性能 ( ) 温挤产品的尺寸精度 影响温挤产品尺寸精度的因素主要是模具的叹息变形、设备的弹性变形以 及模具的磨损。其次还有冷却后的收缩和氧化膜的存在。 产品尺寸一般与上述这些因素之间存在下列关系： 反挤压时： 产品外径= 经预热的凹模内径+ 出于挤压力产生的凹模内径的增大量一冷 却时产品外径的收缩量： 产品内径= 凸模直径+ 由于挤压力产生的凸模直径的增加量一冷却时产品 直径的收缩量。 正挤压时： 产品直径= 经预热的凹模内径= 由于挤压力产生的凹模内径的增加量一冷 却时产品直径的收缩量。 如要进一步提高精度，需要在温挤后附加冷整形工序。 ( 二) 温挤产品的显微组织变化 温挤产品再结晶可能出现在较低的温挤温度。在挤出的产品上，沿长度方 向材料的平均温度会有所不同。此外，沿产品断面上，变形不均匀，变形温度 也不均匀。因而可能引起沿产品长度和产品断面上，再结晶的程度明显不同。 ( 三) 温挤产品的机械性能 很多研究表明，温挤温度增加，产品的韧性和塑性一般会增加而强度下降。 在一定的温挤温度下，随着挤压变形程度增加，产品的强度增加而塑性下降。 南京航空航天大学研究生学位论文 一般挤压的应变都较大，在回复的显微组织内会明显的出现织构。最严重的纤 维织构会明显影响韧性。 3 4 温挤压微成形实验的研究 挤压是微成形中较为典型的工艺。文献”矧介绍了按照相似性原理进行的前 挤压试验，在试验中，采用挤出口直径为0 5 4 m m 及不同的挤压速度、微结构、 表面粗糙度和润滑剂。结果表明，随着制件尺寸的微小化，挤出压力明显增大( 挤 出压力与挤压成形率有关) ，如上所述，这主要是由于挤压微小制件摩擦增大的 结果。有限元模拟也得出同样的结论。为了研究复杂制件的微挤压成形工艺，专 门设计了前杆后杯的复合挤压试验，结果显示，对于细晶粒( 晶粒平均直径4u1 1 1 ) 样件，杯高与杆长的比率随着制件尺寸的微小化而增大。原因与双杯挤压类似： 随着制件尺寸的微小化引起摩擦的增加，从而导致材料更多地向挤压头运动的 反方向上流动，杯高增大。在同一试验中，采用热处理粗化晶粒( 晶粒直径1 2 0 “ m ) 后的样件，结果表明，在挤出直径为2 4 m m 时，粗晶粒样件与细晶粒样件的杯 高与杆长比率的变化趋势相同，但当挤出直径为0 5 m m 时粗晶粒样件的杯高不再 变化。这主要是由于粗晶粒直径大于杯壁的厚度，降低了材料的延展性，导致材 料更多地向挤压头运动方向上流动。其机理与微弯曲类似。这一研究结果表明， 材料微观结构在微成形中具有重要的影响。文献心”进一步研究了晶粒度与耳值、 加工硬化的影响，结果与宏观挤压差异较大。 就微细体积成形而言，由于微零件外形尺寸和晶粒尺寸之比值远远小于传 统成形。一方面，微成形的变形区很小材料塑性流动仅涉及几个甚至一个晶 粒，材料的变形行为不再遵循传统的连续介质理论。因此，必须引入材料细观 结构，建立细观塑性模型，进行微成形有限元分析，深化对微成形塑性流动行 为的了解，并指导微挤压工艺设计和微挤压成形。另一方面，当该比值达到临 界值后，表现为变形严重不均匀，导致微成形件尺寸精度差、个体性能差别大。 在再结晶温度以下，进行温成形，有更多的滑移系参与塑性变形，可以改善变 形不均匀现象，达到提高微成形质量的目的。温挤压具有冷挤压的优点，如精 度高、成形件机械性能良好和效率高等，而且可以降低成形力和提高成形性。 s a o t o m e 等“成功地超塑性挤压制备了直径为2 0 0 i _ u n 的z n 一2 2 a 1 微齿轮。应指出： 超塑性变形的主要机理是晶界行为一晶界滑移，而温冷成形的机制是晶内位 h 6 2 黄铜微镦粗应用基础研究 错运秘。 微型挤出模具是赢接影响产晶形状、尺寸和精度的重要部件，其制造技术 是整个挤出设备制造的燕键。根据成形方式的不问，挤出成形分为前挤出和后 揍窭嚣秘，露鋈3 。l 敷示。辍鍪接爨生产单元蘩瓣3 + 2 爱忝，熬个装甏都王掺在 真空或者氖气环境下，阻止了材料的氧化。材料在料简内被力饵热至工作温度， 在压电致动器的作用下被挤出。这套装置的一个难要特点是体积较小。微型挤 出模具、微型挤出装爨、控制系统怒整个微型揍蹴成形系统黪主要组成部分， 其关键按零粥下： ( 1 ) 研究微型模具流道内超塑性成形材料的微流体力学，包括压力和温度的 分布、流动性能、成形性能等。 ( 2 辚窭摸其翻造铰零戆硬究，雹摇毫精霞、蹇员量模鬃靛澍逢方法、季芎辩 选择，撤据微型模具的具本情况选择合适的微细加工技术，并优化工艺参数字。 ( 3 ) 研究适合于微挤出成形且满足产品要求的新材料，如低熔点、良好的延 展性、一定驰强度秘溪发等。 ( 4 ) 按壅工艺参数的选取壹接彩确着按出产赫翦形状精度移表西质量，霸此 必须要对工艺参数进行优化，包括濑度、压力、挤出速度和成形质量之间的关 系。 压力_ 。噼耕f i l 产 一 髟一据出讨_ j ：卜卜井出产蕊 隧差产扛 挤琳辩蕞共 ( b ) 爵瓣毗 徽辩嚣琵坯 疆3 1 蘩塞裁影示意国强3 2 檄壁捺塞生产攀元 南京航空航大大学研究生学位论文 3 5 小结 温挤压具有冷挤压的优点，如精度高、成形件机械性能良好和效率高等， 而且可以降低成形力和提高成形性。就微细体积成形而言，由于微零件外形尺 寸和晶粒尺寸之比值