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微冲压成形技能的现状与展开

文章出处:daxin989 人气:发表时间:2020-03-11 15:35

微冲床成形技能的现状与展开
 
1、概述
 
近年来,跟着微机电体系 (Micro-electro-mechanical system, MEMS)和IC工业的飞速展开,人们关于微型零件的需求日益添加,尤其是各种薄板微冲压零件,例如,微电子行业中的微型插件和引线框、微型燃料电池中的波纹板件、生化反应和医疗微泵的操控开关、纺织印染和石油化工中的微喷阵列孔等微型零件,其零件标准或特征标准在亚毫米或微米量级,归于介观标准范畴。它们的规划、制作、安装以及测验等许多方面与传统制作技能具有本质不同,这些零件往往选用非硅资料( 如不锈钢、铜合金、铝合金、钛合金等金属资料、塑料和陶瓷资料) 进行制作,迫切需要展开新的非硅微细加工技能。现有的非硅微细加工办法首要有 LIGA( 光刻、电铸和注塑的缩写) 、刻蚀、微细电火花、激光以及微机械加工等,但这些办法在加工功率、可加工资料的种类等方面存在许多问题。塑性微成形技能是一种以塑性变形办法来成形微型零件的工艺办法,一般的定义为成形零件的标准或其特征标准至少在两个方向上小于1mm。它继承了传统塑性加工工艺的优点,特别适于金属微型零件的低成本批量制作。
 
 
微成形技能是塑性加工范畴的重要展开方向之一,在航空航天、能源、电子、生物医疗和军工等范畴具有重要的运用远景,遭到世界各国的广泛重视。美国、欧盟和日本先后拟定各类微成形技能的研讨计划,2010年欧盟成立了专家委员会,体系地研讨了欧盟工业的优势和未来的展开方向,其中由英国Strathclyde大学QinYi教授牵头的欧盟第六框架项目“Integration of ManufacturingSystems for Mass-Manufacture of Miniature / Micro Products”,包含细小型构件的规划剖析与体系、资料立异与检测、成形模具、微成形与体系等8个研讨方向,被认为是欧盟在微加工范畴的一个标志性项目。目前,欧洲约有1500个从事微细加工、微纳加工、微成形和微连接等高端制作的企业,微制作相关技能现已成为欧盟未来在制作范畴的的要点展开方向。2009年3月,美国在国防部制作规划(ManTech)中,将“MEMS先进封装与加工技能”列为要点展开方向,微成形是其重视的关键技能之一。日本将微细加工技能作为一个新的工业方向进行要点支撑,经济工业省、文部科学省和企业界在MEMS范畴投入了大量研讨开发资金,在微成形方向先后启动了超细微粒WC模具资料开发、非晶合金微纳米成形技能、金属资料微冲压成形技能、细小电子机械立异技能等十余项要点项目,承担项目的首要研讨组织有东京大学、东北大学、群马大学、首都大学东京以及东京工业大学等。我国《国家中长期科学技能展开规划纲要》中已将包含微成形技能的微/纳制作列为要点的展开方向,这也体现了微成形技能在国家需求和展开战略中的重要地位。在国家自然科学基金、国家“863”计划和国防基础科研等项目的赞助下,国内多家高等院校和科研院所先后展开了微成形技能相关研讨工作,相关企业也开始重视微成形工艺的运用。
 
 
塑性微成形根据成形办法可以分为体积微成形和薄板微冲压成形两大部分,本文首要介绍薄板微冲压工艺、设备与模具等方面国内外的现状和展开。
 
2、薄板微冲压成形中的标准效应
 
跟着微型零件标准的不断减小,薄板变形行为逐渐由多晶体变形转变为单晶体变形,传统的塑性变形理论现已不能解说微冲压成形中的应力应变联系、成形极限和摩擦等突变现象,微成形标准效应研讨成为微成形技能研讨的基础。
 
 
薄板冲压成形应力应变联系标准效应,首要选用拉伸、曲折和胀形试验来研讨。Kals等对CuNi18Zn20薄板进行了单向拉伸。试验结果标明,当试样厚度从1mm减小到0.1mm时,活动应力下降了约50MPa,如图1所示。Raulea等通过对Al 2S薄板拉伸的结果标明,当板厚从2.0mm减小到0.17mm时,活动应力下降了约30%。Gau等对Al 1100和Brass 26000薄板进行了单向拉伸,试验结果标明,当板料厚度T与晶粒标准D之比T/D>1时,屈从强度和抗拉强度跟着T/D的下降而下降;当T/D<1时,屈从强度和抗拉强度跟着T/D的下降反而升高;在不考虑资料厚度的情况下,延伸率跟着T/D的下降而下降。Raulea等研讨了Al 2S薄板的三点曲折,当晶粒标准小于板厚时,跟着试样厚度的减小,屈从强度和抗拉强度均下降。当晶粒标准大于板厚时,跟着晶粒标准的增大,屈从强度和抗拉强度反倒升高,如图2所示。Gau等通过Al 1100和Brass 26000薄板的三点曲折试验,也得到了相似Raulea的定论,并将T/D作为表征回弹的一个参数。Michel等通过对CuZn36进行液压胀形发现,当薄板厚度从0.5mm减小到0.1mm时,屈从应力下降了近40%,在此基础上,建立了根据应变梯度理论的标准效应模型。Yeh等研建立了一个可行的考虑标准效应的模型,并将其运用到数值模仿傍边,结果标明,计算值与试验值十分符合。
 
 
图1不同标准试样拉伸应力应变曲线
 
 
 
图2 曲折和拉伸屈从强度随T/D改变
 
 
 
关于活动应力标准效应现象首要选用外表层模型进行解说,如图3所示。因为外表层晶粒所遭到的束缚跟内部晶粒比较要少,且位错无法在试样外表塞积,资料的加工硬化才能下降,然后导致资料的活动应力下降。因此,表层晶粒的屈从应力较内层晶粒要小。当试件标准减小到一定程度时,表层晶粒所占的份额和内部晶粒相当,对金属屈从应力的影响就会显着添加并表现出来,这时屈从应力不再是标准无关的,而是表层晶粒所占份额的函数,活动应力随表层晶粒所占份额的添加而下降。
 
与微观板材成形比较,金属薄板微成形的成形极限产生了显着改变。德国 Diehl A 等运用液压和气压胀形办法研讨了 Al 箔力学功能标准效应,并获得了最小厚度为 20 μm 铝箔微胀形的成形极限图。结果标明,微胀形试验通过引进双轴应力状态,可以更加准确地描绘金属箔微成形功能。德国 Vollertsen F 等进行了杯形件微观拉深和微拉深比照试验,发现微观拉深件成形质量杰出,而微拉深件的法兰有轻微起皱,成形极限下降。上海交通大学来新民研讨了试样几许标准与晶粒标准对纯铜薄板微成形进程成形极限影响规则,发现厚度方向晶粒数量越少,其成形极限越低。
 
 
 
图3 外表层模型
 
 
与一般冲裁比较,微冲裁工艺中,因为板料受工模具(冲头、凹模以及压料板等)的约束,变形区域很小,首要会集在冲裁空隙区域的细小环形区域内,与箔材内部晶粒标准在同一数量级,对微冲裁变形机理和断裂机制产生显着影响。哈尔滨工业大学体系研讨了金属薄板微冲裁进程资料变形行为,发现了微冲裁“越小越强”的微型化标准效应,且当冲裁空隙c与晶粒标准d之比等于1时,微冲裁进程最大抗剪强度到达最小值(如图4) ,标明冲裁空隙与晶粒标准之比是影响微冲裁标准效应的首要因素。总归,介观标准资料变形标准效应是一个十分杂乱的问题,已成为影响塑性微成形标准极限和成形才能的一个重要因素。
 
 
图4 微冲裁最大剪切强度与c/d之间的联系
 
 
 
3、薄板微冲压设备和模具的现状和展开
 
与传统的板料冲压工艺比较,不只所冲压成形的微型零件标准小、厚度薄,并且微冲压时设备位移小、精度高,一般为几毫米甚至微米量级,这要求微冲压设备不只具有高的方位分辨率和定位精度,并且可以完成输出力、方位以及速度的高速准确操控。一起,微冲压工艺对微型模具的标准精度和外表质量提出了更高的要求。为了完成微型零件的批量制作,微冲压配备还需要处理薄板坯料在线转移、自动上料与卸料以及微型零件操作等难题。
 
3.1、薄板微冲压设备  二手冲床回收
 
日本Yamada公司针对微电子器件低成本批量出产要求,研发了根据曲柄滑块组织的高速精细冲床,最大冲程频率可达4000SPM (Stroke per minute, SPM),成为世界上速度最快的微型冲床之一。瑞士Bruderer公司也开发了相似的精细冲压机床。虽然传统塑性加工设备通过结构优化与升级可以进步其输出精度,且到达了微型零件批量出产的基本要求。但是,跟着零件微型化趋势的展开,必定要求微型模具标准不断减小,传统塑性加工设备很难满意亚毫米以及微米级微型零件的成形,这就促进了冲压设备微型化的展开,传统的曲柄组织和滚珠丝杠经微型化后逐渐运用到微成形设备中。日本M. Yang教授与SEKI公司联合研发了桌面式微冲压设备,如图5所示。该设备驱动组织选用微型伺服电机+滚珠丝杠,运用精细模架导向,输出力可达30KN,精度较高,可以完成杂乱微型零件成形与安装的一体化制作。虽然传统驱动办法的微型化可以满意微成形工艺的基本要求,但其驱动组织各连接部件之间存在空隙,很难完成输出力和位移的准确操控,导致设备精度不高,约束了其在塑性微成形范畴中的运用。
 
 
 
 图5 微冲压设备
 
 
 
为了满意微型零件高精度、批量化和可操控造的要求,微冲压设备的驱动组织开始向精细化、微型化和新型化方向展开,一些新型的驱动设备如压电陶瓷、直线电机以及音圈电机等精细驱动办法逐渐运用到微成形中。20世纪90年代末,日本Mori等人便开始进行新型微冲孔设备的研发,开发了根据压电陶瓷驱动的微冲压设备。日本群马大学Saotome教授研发了根据压电陶瓷驱动的微成形设备,仅有手掌巨细,可以与模具一起放入真空加热体系中进行微成形试验。虽然压电陶瓷驱动可以完成亚微米甚至更高的定位精度,但其输出位移相对较小、速度较慢,很难满意薄板微冲压工艺的要求。
 
 
 
目前,高速高精度的微成形设备成为当今的研讨热门。直线电机驱动办法可以将电能直接转化为直线运动,不需要任何中间转化组织,完成了“零传动”。德国Schuler公司研发了根据双直线电机驱动的微冲压设备,选用滚珠直线导轨进行导向,最大速度可达13.8m/s,位移精度到达5.6μm,目前最新型号的最大输出力可到达40kN。德国BIAS研讨所研发了一台根据直线电机驱动的多功能微冲压设备。该设备选用气浮导轨进行导向,可完成无摩擦高速运动,最大冲程次数可达1250SPM,最大加速度可达17g,最大速度为3m/s,位移精度差错为3μm,并可以完成笔直方向双轴工作,满意了微型零件的柔性化制作要求。英国Strathclyde大学Qin Yi教授研发了合适微型零件低成本批量制作的微成形体系,该设备选用模块化规划理念和台式框架结构,分为成形体系、送料体系、传送体系以及多工步模具设备,选用空气冷却的直线电机作为驱动办法,最大输出力到达3.5KN,加载方向方位重复定位精度可到0.1μm,最大冲程次数为1000SPM,定位精度为5μm,特别合适于金属箔类微型构件的多工步微冲压成形。丹麦科技大学也研发了相似的根据直线电机驱动的微成形设备,最大冲程次数可达800SPM,定位精度为3μm,最大输出力可达5.5KN。哈尔滨工业大学研发了根据双直线电机驱动的高速高精度微成形体系(如图6所示),最大速度可达1m/s,位移精度为0.25μm,冲程次数可达1000SPM,可以满意微型构件高功率批量制作要求。
 
图6 直线电机驱动的高速高精度微冲压体系
 
 
3.2、薄板微冲压模具
 
跟着微型冲压件的需求不断添加,微型模具的规划和制作技能成为人们重视的热门。目前,关于微型模具尚没有统一的定义,其规划也没有通用的标准,人们更习惯于在标准和制作精度上来进行限定,模具特征标准一般小于1mm,外表粗糙度可以操控在0.1μm以下,制作精度从1μm到0.1μm,传统的机械加工办法现已不能满意微型模具的要求。微型模具制作的难点在于细小型腔或细小三维结构的加工,而模具其他结构零件的制作与一般模具基本一致。依照加工办法的不同,微型模具制作可以分为两种类型:
 
①根据IC加工的光制作技能,如 LIGA技能、X射线光刻、电子束光刻、激光加工技能和蚀刻技能等。这些加工技能首要源于硅资料的加工,其工艺进程杂乱、加工精度高,适于单件小批量的出产,无法满意微型零件大批量、高效、低成本和无污染的制作要求。所以,人们开始将这些技能运用到微型模具的制作方面。这些加工技能可加工的模具型腔标准小,可以完成纳米级标准细小结构的加工,并且加工精度,到达纳米量级,被认为是最有展开前途的微型模具加工办法。
 
②根据传统精细加工的微细加工技能,如微细电火花加工、微车削、磨削和铣削加工等。这些微细加工技能特别是微细电火花加工技能在微型模具制作中的运用广泛,不只工艺简单、加工成本低、适用规模广,并且还可以完成难切削资料和杂乱型面三维细小模具型腔的加工。但与光制作技能比较,其加工模具型腔的标准和精度有较大差距,微细电火花加工技能所加工的微型模具外表质量较差,微型冲头刃口的尖利程度也需要进一步改善。
 
4、薄板微冲压工艺
 
薄板微冲压首要包含薄板微冲裁、微拉深、微胀形、微曲折和微翻边等微冲压办法,本文首要介绍薄板微冲裁和微拉深的现状和展开。
 
4.1、微冲裁
 
针对在微电子、纺织印染、生物医疗以及航空航天等范畴广泛运用的微孔类零件,各国学者展开了大量微冲裁工艺的研讨工作,取得了一系列重要成果。日本名古屋大学T. Mori教授等人选用SiC纤维微冲头研讨了微冲孔工艺,成功在厚度15μm的铝、铍铜合金以及不锈钢箔上冲出直径为14μm高质量微孔;并运用钨合金阵列微冲孔模具分别在厚度为50μm的铝箔、30μm的铜箔和20μm的不锈钢箔冲出最小直径为50μm的阵列微孔零件。日本I. Aoki等人针对IC印刷电路板中阵列微孔类零件,在Y方向一起安置了10个冲头,进行了阵列微冲孔工艺试验,成功冲出直径为100μm的阵列微孔类电子插脚。韩国B. Y. Joo等人研讨了金属箔的微冲孔工艺,制作出深径比为1,直径分别为100μm、50μm和25μm微孔件。结果标明,微冲孔技能可以加工出微米量级的微孔。但是,在不锈钢箔材上进行直径为15μm的微冲孔工艺时,冲头易发生折断。剖析标明,因为WEDG技能加工的微冲头边际锐度较差,导致光学视觉定位设备的极限偏心差错为1μm,难以满意微米级冲孔模具的同轴度要求,需要对微模具安装技能展开进一步研讨。台湾G. L. Chern教授将Vibration-EDM与WEDG技能相结合运用到微冲孔工艺中,制作出高精度的微型多边形阵列散布的微型冲头,完成了金属箔异型微孔的高质量加工。哈尔滨工业大学体系研讨了金属薄板微冲孔工艺,提出了根据等离子溅射微冲压模具外表抛光办法,运用Micro-EDM办法原位制作微冲孔模具和凹模,完成了最小直径为50mm微孔制作,如图7所示。
 
 (a)300μm,(b) 150μm,(c) 100μm,(d) 50μm,
 
图7 微孔类零件
 
为了进步微冲孔质量,各国学者纷繁提出了微冲孔工艺的改善办法。日本T. Takemasu等学者选用超声振荡微冲裁办法冲出直径为130μm的微孔,与惯例微冲裁工艺比较,微孔断裂带显着减小甚至消失,断面质量显着进步。韩国S. H. Rhim等人运用格林橡胶冲压办法开发了一套柔性微冲孔工艺。该工艺中选用离子刻蚀加工的硅模具,分别在厚度为3μm的铜箔和1.5μm的钛箔上冲出最小直径为2μm的微孔,并完成了高质量的阵列微细孔加工,如图8所示。山东大学研讨了激光冲击微冲孔办法。江苏大学刘会霞教授选用数值模仿和试验相结合办法研讨了激光驱动飞片微冲孔工艺办法。哈尔滨工业大学选用根据显微视觉辅佐定位的自动送料体系,完成了行间距为1.2mm,列间距为0.8mm,微孔直径为0.4mm的4×60的阵列微孔类高质量批量制作。
 
 
图8 阵列微孔
 
 
4.2、微拉深
 
微拉深是一种重要的薄板微成形工艺办法。如图9所示,与传统的拉深工艺比较,微拉深表现出显着更小的工艺窗口和更低的极限拉深比。例如,运用直径50mm的冲头,可以在微观拉深条件下获得大于1.8的极限拉深比。而在将标准小型化后,用直径1mm的冲头仅可获得1.5的极限拉深比。德国BIAS研讨所的Hu和Vollertsen也做了相似的研讨。当运用相同的资料时,冲头直径从5mm减小到1mm时,会导致极限拉深比从2.0下降到1.8。
 
图9 微观拉深件与微拉深件比照
 
在微拉深进程中压边力一般很小,所以在微拉深进程中丈量和操控压边力是一个十分杂乱的问题。为了防止这种费事以及由此产生的成本,许多工艺并不选用可以操控压边力的压边板,而是将压边板安装在固定方位,并在压边板和板料之间留有一定的空隙,运用空隙操控薄板起皱。为了准确操控压边力,德国BIAS研讨所开发了一种双轴微成形压力机,由直线电机驱动的高精度的力和行程丈量体系以及两个独立轴构成,即便在细小标准规模内也可以十分准确地操控压边力。为了减小摩擦力的影响,消除微拉深起皱,日本K. Manabe教授研发了一套可提供液体背压的微拉深试验设备,成功成形出直径为0.8mm的微拉深杯。德国亚琛工业大学的G. Hirt教授等人展开了黄铜箔微杯形件的微冲裁和拉深复合工艺研讨,成形出质量杰出的微杯形件。台湾B.T. Lin选用带有微脊冲头进行微拉深工艺,发现带有微脊冲头外表可以涣散微拉深力,延缓金属薄板资料破裂,使杯形件微拉深高度进步1倍。哈尔滨工业大学提出了根据DLC膜外表改性微拉深成形办法。结果标明,DLC膜可以显着下降微拉深力,有用消除摩擦力的影响,完成了微拉深杯和锥形件高质量成形(图10)。另外,国际闻名公司如飞利浦、索尼以及西门子等研发出一系列微型零件,并已在MEMS范畴得到实践运用。
 
为了完成杂乱微型构件的高功率低成本批量化制作,哈尔滨工业大学规划了集自动送料、辅佐定位、落料、微冲孔以及微拉深于一体的高效、杂乱、高精度封装板级进模具设备,展开了微冲压工艺规则研讨。结果标明,选用该杂乱一体化级进式微冲压成形模具设备,制作出质量杰出的不锈钢封装板件,成形功率超过1100件/小时。
 
 
图10 微杯形件
 
5、薄板微冲压工艺的展开趋势
 
通过近二十年展开,薄板微冲压技能在基础理论、设备、模具以及工艺办法取得了突破性进展。但是,跟着薄板微冲压技能的加工标准规模不断延伸以及加工资料不断拓展,特别是跟着标准更小的新型微/纳机电体系的不断涌现,微结构和微零件的标准将从微米标准延伸到纳米标准,使得薄板微冲压技能遭到了严峻挑战。一起,在资料、工艺、配备和质量等四个方面带来新的展开机遇。
 
(1)适于薄板微冲压资料的规划和制备
薄板微冲压的资料包含所成形零件的资料和模具资料两部分。因为微冲压时成形件的标准介于介观标准,资料执役行为和加工特性发生很大改变,开发适于微冲压的薄板资料和模具资料是急需处理的一个关键问题。
 
 
(2)薄板微冲压新工艺的研讨
跟着微冲压技能逐渐向纳米标准推进,资料微成形功能和标准极限下降,微冲压件标准精度及一致性变差,单纯依靠模具施加载荷的微冲压技能难以进行。在微冲压成形进程中对坯料施加电场、电磁场以及超声波等特种能场效果,开发特种能场微冲压新工艺是薄板微冲压的一个重要展开方向。
 
(3)高速高精度微冲压智能配备的开发
微冲压配备首要包含微冲压机、微成形模具、自动送料以及质量检测体系,不只要求微冲压体系具有高的方位分辨率和定位精度,并且可以完成输出力、方位以及速度的高速准确操控。一起,微成形工艺对微型模具精度、自动送料以及在线检测提出了更高的要求。为了完成微型零件的高质量批量制作,高速高精度微冲压智能配备成为薄板微冲压的一个重要展开方向。
 
(4)薄板微成形功能和微冲压件质量的表征
在微观范畴可以选用各种试验办法和参量对薄板成形功能和微冲压件的质量进行表征,但是当微冲压件的特征标准十分细小时,传统的检测办法和仪器设备已无法适用,怎么对薄板资料和微冲压件功能和质量进行表征和检测涉及到丈量学、机械学、力学和物理学等学科,是微成形技能运用中急需处理的关键技能之一。
 

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