3塑性微挤压原理-西北工业大学机电学院

1、实验项目名称塑性微挤压成形实验实验学时3指导教师齐乐华，周计明实验地点航空楼D315实验对象本科四年级第一学期可选人数2-3塑性微挤压成形实验课程实验教学大纲课程名称中文：塑性微挤压成形实验英文：Plastic Micro-extrosion Experiment面对专业机械设计、机械制造及其自动化开课学期第七学期实验学时3学时实验指导书书名：塑性微挤压成形实验指导书 编写：周计明郑善伟审核：齐乐华教授实验室地点航空楼D315|主笔 周计明一、实验的性质、教学目的与要求：本实验课程是针对机械类专业学生开设的重要实践性环节，对于培养和提高本科生独立工作,解决实际问题的能力起着十分重要的作用。通过

2、一系列以设计性为主的实验，让学生 了解塑性微挤压基本原理，加深对尺度效应的理解， 培养学生的动手能力以及合理规划实验的逻辑思维能力。该实验使课程理论与实际有机地联系起来，有利于提高学生基本实验技能，增强学生科学实验的动手能力，巩固一丝不苟，严谨求实的科学研究作风。二、主要仪器设备及其型号1. 压电陶瓷PSt150/20/18VS252. 称重传感器YZ247S3. 压电陶瓷驱动电源HVA 系列4. 仪用放大器INA1185. LVDT位移传感器100MHR6. 数据米集卡研华PCI-17107. 万用表DT9205数字万用表二、考核方式实验考核总体分为三部分实验前复习微挤压基本原理，阅读压电陶

3、瓷驱动电源说明书：20%实验操作：60%(1) 完成实验内容给定的工作，顺利挤出试件：40%(2) 修改不同参数，了解不同参数下的意义：20%实验报告质量：20%四、实验项目与内容提要序 号实验项 目名称实 验 类 型内容提要学 时 分 配每组 人数主要仪器及配 套数授课实验室实 验 者 类 别1常用电 子仪器 的使用 练习技 术 基 础1, 使用压电陶瓷控 制电源测量电压2, 使用称重传感器 测量重力123人1、压电陶瓷PSt150/20/18VS252、称重传感器YZ247S3、DT9205 数字 万用表航空楼D315本 科 生2塑性微 挤压实 验技 术 基 础实验1：室温下，不同 速度下

4、使用4 X 4铅 圆柱体坯料进行微挤 压，观察试件的微挤压 成形过程，记录实验参 数及压力、位移等实验 数据和相关曲线； 实验2：在不同预紧力 下，用4X 4坯料挤 压微型齿轮，观察记录 不同预紧力下挤压力 的大小以及成形齿轮 的轮廓长度； 实验3：用3 X 4铅圆 柱体坯料进行挤压实 验，与4X 4尺寸下 作出比较，记录实验数 据，分析不同尺寸下挤 压力的变化及是否表 现出尺度效应。223人1压电陶瓷PSt150/20/18VS252称重传感器YZ247S3压电陶瓷控 制电源HVA系列4仪用放大器INA1185.LVDT位移传感器100MHR6数据米集卡研华 PCI-17107万用表DT92

5、05数字万用表航空楼D315本 科 生五、有关说明：(主要填写对本课程实验教学建议，如：教材及教学参考书的选用、先修课 程、教学组织方式、教学手段、项目更新、改革等。)1. 本实验课所关联的理论课程建议学生查阅以下参考资料：1 申昱，于沪平，阮雪榆金属微成形技术J. 塑性工程学报 2003(06): 5-8.2 董湘怀，黄树槐,李志刚塑性加工技术的发展趋势J.中国机械工程 2000(09): 1074-10783 谢延敏，于沪平，阮雪榆微成形技术的研究现状J.中国机械工程 2005(10): 935-939 4 雷鹍，张凯锋金属微成形中尺度效应的探讨：第九届全国塑性工程学术年会、第二届全球华人

6、先进塑性加工技术研讨会Z.中国太原：20052. 实验准备：实验前应让学生认真阅读电子器件说明书，了解各电子元器件工作原 理及操作方法。3. 在教学组织上，应该在理论课程完成45周后，开始本实验课程，提高实验教学 效果。4. 充分利用计算机网络的大量信息资源来为实验服务，根据实验内容，可以预先让学 生通过电子网站查阅实验原理中理论部分以及实验电器参数。5. 在保证最顺利完成实验的前提下，可以引导学生对该微塑性挤压装置提出自己的修 改建议，提高学生的设计能力。2010年05月24日修订塑性微挤压成形实验实验指导书编写 周计明 郑善伟审核 齐乐华 教授二 00 九年十一月1 塑性微成形简介 12

7、塑性微成形的理论基础 22.1 尺度效应 22.2 塑性微成形的变形不均匀性 43 塑性微挤压实验原理 53.1 动力驱动原理 53.2 实验装置 63.3 模具 73.4 实验材料 73.5 计算机集成控制系统 83.6 总体实验装置 94 实验目的及要求 95 实验内容 106 实验步骤 107 实验考核要求 108 实验注意事项 119 参考资料 11实验报告 I1塑性微成形简介微塑性成形(Microforming )技术是指利用材料的塑性变形来生产至少在两 维方向上尺寸处于1毫米以下零件的技术。微机电系统(Micro electro mechanics systems, MEMS)和微

8、电子技术的迅速发展和应用， 给微塑性成形技术的发展带 来了契机。典微塑性成形区别于锻造、冲压等传统的塑性成形工艺，并不是传统 塑性成形工艺简单的微小化，由于微小化带来的“尺寸效应”引起了一系列新问 题，成为一个崭新的研究领域。典型的微塑性成形工艺包括微挤压、微钣金、微模锻等工艺，这一技术有着 传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优秀和误 差的优点。利用这一技术生产的微小尺度的元件大量应用于微机械、 微电子等行业当中，已成为微型机械制造领域内的发展趋势之一。国外学者采用微塑性成形工艺已制备出多种微型零件，部分零件已得到实际应用，如微型杯杆件、微型双 齿轮件、微型拉深杯和

9、微型齿轮件等，如图1所示。图1典型微型零件成形件尺寸的微小化对成形设备和模具提出了新的要求，将微小型模具安装 在通用的塑性加工设备上很难满足微成形的需要， 微塑性成形系统是开展微成形 研究的基础。一些新型的驱动装置如线性伺服电机、 电磁致动器和压电陶瓷等应 用到塑性微成形装置中，并借助于计算机和微型传感器对成形过程进行控制和数 据采集。国内外学者已采用这两种驱动方式开发了塑性微成形设备，如图2所示图2微成形设备(a)美国西北大学 (b)哈工大由于塑性微成形装置方面的研究涉及了多个学科，研制的难度较大，目前大部分系统都是针对某一种成形工艺而研制的，本创新实验即是针对微挤压实验而 研发，因而应用的

10、范围较窄，这方面的研究仍待进一步深入。微型模具是进行微塑性成形的必备工装，其加工质量的优劣成为影响塑性微 成形零件的重要因素。目前常用的有代表性的微型模具加工方法包括微细电火花 加工、激光加工和磨削等微细加工技术。除此之外，硅刻蚀技术也用于微型模具 的加工中。目前已能加工出二维或准三维的高精度微型模具，但在复杂形状的三维模具型腔加工方面仍存在较大困难。2塑性微成形的理论基础2.1尺度效应所谓的尺度效应(Size effects)是指工件尺寸在微小化过程中，一些在传统 塑性加工中与尺寸大小无关的材料流动规律以及工艺参数等，都表现出对零件尺寸具有一定的敏感性和依赖性。当材料长度在微米或微米以下量级

11、发生塑性变形 时就会表现出强烈的尺度效应，同时，在不同的加工方法中的表现也不同。尺度效应主要表现为：坯料尺寸对材料流动应力的影响； 材料的各向异性表现突 出，晶粒的大小对材料成形性的影响明显；对成形过程中摩擦的影响；成形过程中的温度效应。GODlog strain £maberiaiCuZn 15gi«uin eiz£».L= 79(wr*ch viocliv： 1 IdbncationPTFE-toila ai?*wup«ut1ing twCa" 1图3流动应力随尺度的减小而减小图3所示为不同尺度下材料的流动应力曲线，可以看出，随着

12、尺度的减小，流动应力相应地减小。其原因可用图4所示的表面层模型解释。晶体内部的位错在材料变形中会在晶界处出现堆积，尺寸减小后表面晶粒所占份额会相应减少， 而自由表面是不会形成位错堆积的，因此材料硬化的硬化效果降低，从而导致流 动应力的减小。传统的表面层模型认为，小尺度情况下，材料的表面晶粒已经不 符合各向同性连续体的变化规律， 在小尺度下，材料的表面晶粒增多，表面层变 厚，如图4所示。与材料内部晶粒相比，表层晶粒所受约束限制较小，在较低的 流动应力下就能变形，这样变形体的整体流动应力将会降低。 当晶粒尺寸基本不 变时，随着试样几何尺寸的减小，表面积与体积的比值增大，工件表层的晶粒数 目与内部的

13、晶粒数目的比值也相应增大，表层晶粒在厚度方向上所占的比例就会 增加，从而导致材料整体流动应力的降低。尺寸微心化尺寸效应并不一定导致流动应力的绝对减小，对于无自由表面的成形工艺，如挤压或冲裁，有可能会因摩擦等因素而造成流动应力的增大。一般来说，尺寸减小后，材料的力学行为的离散性会增大。摩擦问题是微成形工艺中的关键问题之一，它对模具的寿命、金属的流动及 工件最终的加工精度有很大的影响，其影响的程度和规律都不同于传统塑性加 工，也表现出明显的尺寸效应。环形压缩实验（如图5-图6）表明，随着试件尺寸 减小，试件和模具之间的摩擦系数增加。Engel提出了一种“开放和封闭润滑坑” 模型，如图5所示。在挤压

14、过程中存在润滑的情况下，摩擦系数跟工件与模具接 触表面之间的封闭润滑坑所占比例有关。 当零件的尺寸减小时，接触面之间的封 闭润滑坑所占比例随之减小，如图6所示，当零件尺寸减小到某一值时，封闭润 滑坑完全消失而只有开润滑，因此导致工件与模具接触面上的摩擦系数增大。而 且进一步实验表明，当挤压过程中不存在润滑时，上面所提出的模型就会失效， 摩擦系数不会随着尺寸的减小而增大，这也充分证明了这种模型的合理性。微挤压相比同尺寸的墩粗与拉伸，在流动应力尺度效应上有着截然相反的应 力表现，究其主要原因是在三向应力作用下， 微挤压自由表面少，摩擦力占据了 主要地位，挤压过程中近2/3的挤压力用于克服摩擦力。d

15、osed pockete图5开放和封闭润滑坑示意图图6微型化过程中开放与封闭润滑坑分布图2.2塑性微成形的变形不均匀性当塑性微成形件的尺寸接近晶粒尺寸时，材料微观组织性能的不均匀性对坯 料的塑性变形产生了显著影响。图 7所示为晶粒尺寸分别为10um和70um板厚 均为0.5mm勺CuZnl5板进行弯曲实验时测得的坯料内部的应变分布情况。从图 中可以看出，细晶粒坯料的变形较为均匀。这是因为粗晶试样在成形时，单个晶粒的性能对试样的塑性变形起到了决定作用， 而单个晶粒的性能是随机的，因此 导致塑性应变分布的随机性。 这也是塑性微成形件的再现性差， 尺寸、性能不均 匀的主要原因。enginehng s

16、train 兔 F %majdinrujnn: 11 6%iniMirndiiit -12.3%CuZnl5r hard stateengineering strain j % i? 5%GuZnlS. cdarssly grained图7细晶和粗晶薄板弯曲变形时应变分布图3 塑性微挤压实验原理3.1动力驱动原理压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic)是具有压电效应的一种功能陶瓷，是压电材料的一种。压电效应是由应力诱导出极化或电场， 或由电场诱导出应力或应 变的现象。本创新实验采用压电陶瓷驱动器作为加载机构， 当对压电陶瓷驱动器 输入电压时，由于压电效应使压电陶瓷沿长度方向发生磁

17、致伸缩， 输入的电能转 换为机械能，推动凸模使其在凹模中作垂直进给运动， 具有位移小，输出力大的 特点。不同电压下的伸长量特性曲线如图 8所示，从图中可以看出，压电陶瓷驱 动器伸长量随电压的变化接近线性， 输出速度均匀，可实现低速、恒速的精确控 制，避免了加载速度不稳定给微型零件带来显著的误差， 从而保证微型零件的加 工精度和质量。16图8压电陶瓷驱动器电压一伸长量特性曲线3.2实验装置微挤压装置结构示意图如图 9所示:图9微挤压装置结构示意图由于压电陶瓷驱动器每次通电后输出位移量有限而成形所需的位移量较大， 因此采用了压簧.楔块机构作为进给机构，实现了宏微运动的有机结合。当压电 陶瓷驱动器达

18、到输出位移极限后，停止通电，伸长消失，产生间隙，压缩弹簧自 动顶紧楔块，使其与压电陶瓷驱动器紧密接触，消除此前产生的间隙，完成进给 运动，当压电陶瓷驱动器磁致伸长时， 楔块自锁，压电陶瓷推动凸模使其在凹模 中作进给运动，挤压坯料，本成形系统正是按照这样的原理， 通过压电陶瓷驱动 器的多次通、断电与压簧一楔块机构的自动补偿相配合完成整个微挤压成形过程。该装置采用楔块与压缩弹簧配合实现挤压过程中的宏动，微动部分由压电陶瓷制动器来实现。开始挤压前，拧紧旋钮使得压缩弹簧被压紧，从而顶紧楔块2使其与压力传感器紧密接触，消除了间隙。当压电陶瓷制动器通电伸长时，楔块 自锁，坯料产生挤压变形。当压电陶瓷制动器

19、断电后，伸长消失，压簧将自动 推进楔块，补偿压电陶瓷断电时各部件之间产生的间隙。 通过压电陶瓷的多次通、 断电与压簧一楔块组合的自动补偿相配合，最终完成坯料的正挤 3.3模具微成形模具包括凸模与凹模，设计时借鉴了传统模具的设计方法并结合微成 形装置的尺寸、结构特点，在保证微成形模具具有足够强度的前提下， 选择适合 装置的模具尺寸。凹模与装置本体采用内六角螺栓固定，为了便于挤压件的退出， 凹模采用横向分割式，即将凹模分为上半块凹模与下半块凹模， 为避免挤压时材 料流入两半凹模配合表面间的间隙， 两配合表面进行磨光处理。通过改变凸模与 凹模的结构还可以成形其他不同三维结构的微型零件，从而扩大成形系

20、统的应用 范围。图10微挤压成形模具3.4实验材料实验时采用'4X 4、' 3X 4毫米的纯铅圆柱体作为坯料， 通过微挤压成形出 齿顶圆直径为1mm的齿轮轴。3.5计算机集成控制系统基于微挤压实验平台，开展不同实验水平下的微挤压实验，采集实验过程中 的温度、位移、压力等检测数据，并上传至计算机中。实验开展前还须对坯料进 行预处理，包括坯料的清洗和润滑。基于VC+编程软件，为控制系统的操作和数据的采集与保存提供了便捷的 方法。通过对过程参数的初始化设置，进行编译连接运行操作来对微挤压过程中 的数据实时采集、显示和保存。为随后实验数据的处理和挤压工艺过程参数的优 化和进一步的理论研

21、究打下基础。可视化实验平台原理如图11所示：图11可视化实验平台原理图基于VC编程语言开发了压电陶瓷驱动电源控制软件， 该软件操作界面简单， 可以实时显示装置压力大小，可实现成形速度、成形时间、位移量的精确控制； 成形过程中的挤压力、位移量等参数可实时采集。并能通过改变输入电压的大小 来改变压电陶瓷的伸长量，改变输入电压的频率来改变伸长速度。其主界面及参 数输入界面如下图所示：科 ure ifjMicroforming Syst&mMenuCanfigure |jR.LIF1IDataExportofcirmiin-g Systertii 1.01 -0. Ouwkwj Zhangb*

22、n图12软件主界面Microformirig System 1.0 omopm 旳忑图13参数输入界面3.6总体实验装置图14所示为总体实验装置情况，主要包括成形装置、计算机控制系统、模具、压电陶瓷驱动电源等。控机图14总体实验装置用电陶说控制器微挤压成 应形奈统一一控制柜4实验目的及要求通过微挤压实验使学生了解塑性微成形工艺的基本原理，加深对尺度效应的 理解，培养学生的动手能力以及合理规划实验的逻辑思维能力。 通过对实验装置 结构原理的讲解，开拓学生的创新思维，能够提出一些对本装置的改进方案。 具 体实验要求包括：(1) 了解金属塑性微成形的概念及相关的理论基础，掌握本实验装置的基本原理及使

23、用方法；(2) 阅读压电陶瓷驱动电源说明书，掌握设备的操作方法;(3) 熟悉控制软件的界面，了解各个参数的实际意义；(4) 展开实验，提交实验报告；5实验内容实验1、室温下，不同速度下使用'4X4铅圆柱体坯料进行微挤压，观察试 件的微挤压成形过程，记录实验参数及压力、位移等实验数据和相关曲线；实验2、在不同预紧力下，用-4X4坯料挤压微型齿轮，观察记录不同预紧 力下挤压力的大小以及成形齿轮的轮廓长度；实验3、用-3X4铅圆柱体坯料进行挤压实验，与-4X 4尺寸下作出比较, 记录实验数据，分析不同尺寸下挤压力的变化及是否表现出尺度效应。6实验步骤1. 将压电陶瓷与驱动电源连线，压力传感器

24、电源连线，数据采集卡与电脑连线；2. 把坯料放入模具，凹模固定，压电陶瓷、压力传感器等各部件安装固定；3. 打开电脑，运行控制软件，旋动压缩弹簧开始预紧，同时观察软件界面显 示的压力数据，达到预定值时停止预紧；4. 输入设定的电压等各个参数，点击 Run按钮开始挤压；5. 记录实验数据；6. 挤压完毕，卸下模具，取出试样，观察试样轮廓外形，测量挤出长度。7实验考核要求实验考核总体分为三部分实验前复习微挤压基本原理，阅读压电陶瓷驱动电源说明书：20%实验操作：60%(1)完成实验内容给定的工作，顺利挤出试件：40%(2)修改不同参数，了解不同参数下的意义： 20实验报告质量： 20%8 实验注意事项1、应根据微挤压实验设备使用范围，按规定合理选用不同的载荷和速度， 超过使用范围将对设备造成损坏。2