金屬微零件熱擠壓成形要素研究

魏煒　黃華

摘要:本文通過對金屬微零件熱擠壓成形時材料選擇、潤滑劑、擠壓成形壓力與時間、擠壓溫度、入模角、模具設計制造、實驗設備的選用探討對其加工制造的影響。

關鍵詞: 金屬微零件；材料選擇；潤滑劑；成形壓力與時間；擠壓溫度；入模角；模具設計制造、實驗設備

1引言

在20世紀末期，微電子的發展引起科學界高度的關注，進入了一個快速發展突破時期，其小型化推動科技發展進入納米時代，也是科技發展的新時代[1]，這對整個世界，特別是發展中的中國，是個千載難逢的好機遇，中國人均資源較少，自然轉化很慢，提高資源利用率顯得很重要，產品精密化和微型化生產成為現代工業發展趨勢之一。微型零件體積比較小、材料利用率高陪受生產者的厚愛，應用也越來越廣泛，現在在微機電系統、醫學領域、微傳動系統、機器人以及微型探測技術設備等裝置上已大量成功地運用了微型零件。作為機械傳動主要零件齒輪，相對應的微型齒輪已經好多產品被研制出來，2013年2月上海交通大學陳少東利用熱擠壓成形出齒頂圓直徑為1.41mm的微型齒輪[2]。

2金屬微零件熱擠壓成形關鍵要素

2.1熱擠壓材料選擇

微零件作為微型設備主要組成部分，在設備工作中承擔重要用途，它必須具有一定承受載荷能力和良好的使用性能，所以我們用來熱擠壓成形的材料首先要求它在高溫下有較好地流動性，變形阻力小或者極低，而其在常溫狀態下又要有較好強度，其次微型金屬零件擠壓加工，金屬產生大的變形量，材料流動可能不再是均勻地流動，甚至可能發生單個晶粒在變形流動，單個晶粒的特性可能起到決定材料的塑性變形情況，很可能影響微型擠壓成形零件的質量品質，這就要求材料最好具有良好的超塑性，材料自身晶粒組織細小且分布均勻。晶粒尺寸越小，擠壓過程中顯示超塑性效應的應變速率范圍就越大，這樣我們就有可能獲得大得驚人的百分之幾千伸長率，利用材料微細粒自身具有的超塑性，保證微型金屬零件順利進行擠壓成形出來，總之，用來做微成形的材料要具有設計的尺寸[3]，穩定的晶型、晶粒晶徑相差不大、較穩定的化學成分和晶粒在材料中分布均勻的良好微觀結構，這些物理性能對微成形成敗具有重要的影響。

2.2潤滑劑的選用

在金屬擠壓成形中，往往在模具型腔內添加合適的潤滑劑，用來降低金屬坯料與模具之間的摩擦力，改善金屬擠壓流動狀況，減少變形抗力和降低變形功的作用，保障模具溫度不會升得太快等，從而起到提高產品質量和延長模具使用壽命。特別是微型金屬零件熱擠壓成形，由于產品小、金屬坯料在成形中變形量大，又在高溫及高壓下變形，此時金屬坯料流動產生的新生表面更替更加迅速，使得金屬微零件在熱擠壓過程中的摩擦條件變得更為復雜，降低微金屬零件在熱擠壓成形中的摩擦條件顯得更為重要。

潤滑劑的選用，首先我們要選擇的潤滑劑要具備活性好、粘度合適、摩擦系數低、潤滑性能好的特點，能使它在熱擠壓過程中形成膜性，能均勻、牢固地分布在模具型腔和金屬坯料表面，起到良好的保護作用，提高模具使用壽命；其次潤滑劑要求有較高的熱穩定性、無公害、無殘留二次污染，保證在高溫、高壓、高速下不易氧化、分解，對擠壓成形模具及成形零件無腐蝕作用；最后潤滑劑要求性價比高、貨源充足、使用簡潔方便、可控性強，最好能實現機械化、自動化操作，從而提高工作效率、降低勞力成本。隨著科技的發展以及人們對環保意識的加強，21世紀以來，美國、德國等國家已研制并正推廣使用DF型等非石墨型復合材料合成的熱擠壓潤滑劑。此潤滑劑性能優、無任何毒性、難燃燒、安全無煙塵，能很好的取代

常規普通潤滑劑，目前在我國山東、湖北等地已能生產此類環保綠色潤滑劑，該產品使用性能佳，保質期長、易流動、不易凝結堵塞，操作方便、成形后自動揮發不留殘渣，很好保證模具型腔、零件產品表面質量和光潔度。

2.3入模角的選用

在當今金屬擠壓成形中，入模角倍受模具設計工程師的青睞，成為模具組件中重要的一部分。有它的存在可以較好地預防入模口部金屬在成形過程中形成的難變形“死區”，降低金屬加工的作用力，對擠壓零件的缺陷有較好的預防和改善作用。金屬微成形熱加工，金屬變形量巨大，為了讓金屬有較好地成形效果，引進入模角結構顯得更為迫切。實際上，金屬在加工過程中的入模角可以分為可行入模角和最佳入模角，選擇最佳入模角，可以很好合理的調整擠壓過程中摩擦功率 、剪切功率、擠壓總功率、單位擠壓力的變化之間的關系，得到合格產品。最佳入模角的選取可以先通過數值模擬軟件分析，通過實驗驗證，最后修改完善確定。一般情況下，最佳入模角會隨著金屬變形程度的增大、坯料的摩擦系數增加而增加，金屬坯料原始厚徑比關系對其影響不明顯。

2.4 熱擠壓成形壓力與時間的選擇

金屬微零件熱擠壓成形過程也包括金屬填充擠壓、開始擠壓、穩定擠壓、擠壓終了四個階段，這四個階段金屬所受的應力應變、摩擦力不盡相同，所需擠壓力也改變。特別是金屬擠壓比大，擠壓桿單位面積所受擠壓力比常規擠壓大很多，金屬形變量更加顯著，為了得到合格的零件產品，要求我們選擇合適的成形壓力與時間。成形壓力與時間是兩個互為關聯的可變工藝參數[4]，在金屬微零件擠壓過程中，我們最好對擠壓壓力進行及時的動態可變控制，可以選擇最佳壓力—時間曲線法，根據擠壓金屬微產品結構及尺寸大小等情況，我們可以采用使金屬應變速率保持在最佳值法或者采用按折線以分段加載的方式來控制。當然我們可以先借助有限元數值模擬軟件模擬分析指導，然后根據分析結果進行試驗指導驗證，找出最佳實驗成形條件。

2.5 熱擠壓溫度的選擇

熱擠壓溫度在成形中其實包括兩種溫度，一是金屬材料擠壓時實際溫度，二是擠壓溫控制系統的溫度。擠壓溫控制系統的溫度，由于金屬微零件熱擠壓系統體積較小，我們加熱時一般采用對擠壓坯料間接加熱，也有對坯料采用直接加熱法。由于擠壓裝置體積較小，為了加熱操作方便，一般采用對擠壓裝置系統整體加熱的方式，這樣擠壓溫度測量方便，較容易保證擠壓溫度的穩定性；也有采用對坯料直接加熱的擠壓方式，這種對坯料溫度測量難度會大一些?？傊?，試驗者可以根據自己的試驗設備條件和能力水平選擇可行的方式，保障試驗準確順利進行。endprint

2.6熱擠壓模具設計制造

金屬微零件外形小，它的尺寸精度要求會更高，為了得到合格產品，要求我們模具零件設計精度、加工精度、模具各部分零件配合精度與常規模具零件要求就有所不同，要求更為苛刻、精準。有時模具零件一些精度要求對于我們現在加工方法就是一種極限挑戰。金屬微零件的模具設計至關重要，它是擠壓成形加工的重要一環，一部分人在微成形擠壓模具設計過程中仍然采用傳統設計理念，結果用這種模具來成形零件，有時根本做不出產品，有時即使能得到合格的零件產品，但在模具加工制造上花費大筆費用，在試驗中要做大量的工作，甚至事倍功半，我覺得微型零件模具設計要有自己的特點，既然微型零件有別于常規零件，那就要求我們設計時要有創新，我們在設計中可以借鑒常規零件的模具設計方法，但在微型模具擠壓成形型腔、型芯、產品零件頂出系統、導向定位系統、加熱系統等幾大系統設計中要根據微型金屬零件自身獨特的特點對模具結構的幾大系統中的一種、兩種或者多種進行有的放矢的創新設計，這樣，在你設計“特別”模具下實驗，才可能得到效果較好的產品。

2.7加工實驗設備的選用

隨著微型金屬零件有大量的應用需求，市場已有一些適合用于微金屬熱擠壓成形設備，我們應該選用自動化程度高，使用性能好，更換升級空間大、綠色環保型設備，能夠滿足現在以及未來金屬微零件發展趨勢的需要，這種設備價格一般比較昂貴；也可以根據情況，設計一些小噸位、簡易性、針對性強的微金屬零件成形設備，降低企業成本資金。

3結束語

金屬微零件熱擠壓成形研究是一個重要的課題，我們雖然取得一定的成果，但與產業界結合還有很大提升空間，成果轉化比較緩慢[5]，金屬微零件熱擠壓成形可以促進材料的先進制備、成形加工技術的提升、實驗設備的研制改造，可以預見金屬微零件熱擠壓成形研究在今后一段時間內，金屬微零件性能設計與工藝設計的一體化及在材料設計、制備、成形與加工處理的全過程中對材料的組織性能和形狀尺寸進行精控制[6]是它的主要方向。

參考文獻:

[1]王琛,楊延蓮等.納米科技創新方法研究[M].北京:科學出版社,2012:16-18.

[2]陳少東.ZL101半固態微成形本構模型與微齒輪擠壓關鍵技術研究[D].上海交通大學,2013(02):24-47.

[3]Guozhong Cao ,Ying Wang 納米結構和納米材料合成、性能及應用[M].北京:高等教育出版社,2012:8-9.

[4]夏巨諶.金屬材料[M].北京:國防工業出版社,2007:205-207.

[5]國家自然科學基金委員會.中國科學院.未來10年中國科學發展戰略[M].北京:科學出版社,2012:14-30.

[6]白培康,王建宏.材料成形新技術[M].北京:國防工業出版社,2007:1-4.endprint