微塑性成形技术的现状及研究进展

微塑性成形技术的现状及研究进展

摘要：目前我国伴随科技的发展对微小型化的需求越来越大，这也促进了时代

的进步和人民生活水平的提高。微塑性成形技术占有很重要的地位。文章主要介

绍了微塑性成形技术的背景和意义，并综述了微塑性成形技术的尺度效应和摩擦

尺度效应现象，阐明了其技术的研究领域。

关键词：微塑性成形；尺度效应；摩擦

随着科技的飞速发展及人们对多功能电子产品小型化的需求，微细加工的技

术迅速成为当前的研究和应用热点。微塑性成形（Micro-forming）技术[1]，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几mm以下零件的技术。

这一技术继承了传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、产品力

学性能优秀和误差小的特点，可批量成形各种复杂形状的微小零件。微制造技术

的发展来源于产品微细化的要求，越来越多的用户希望随身用的多功能电子器件

体积小型化、功能集成化[2]，而在医疗器械、传感器及电子器械等医疗、工业控

制等行业也需要制造出更微小的零件[3]，以期得到更高的功能要求。因此，微塑

性成形技术有很强的在短时间内得到快速的发展。

一、微塑性成形的尺度效应

在成形工艺中，描述材料变形行为的主要参数是流动应力和变形曲线（即应

力应变变化关系），因为这些参数直接影响到成形力、工具载荷、局部变形行为

以及充模情况等。根据相似原理将标准样件等比缩小设计，进行的拉伸和镦粗试

验表明：由于尺度效应的影响，随着样件尺度的减小，流动应力也呈现减小的趋势。

晶粒尺度对材料应力应变关系已经在宏观成形工艺中得到充分的研究，为了

研究微细成形中特有的尺度效应现象，在这些试验中，不同尺度样件的晶粒尺度

保持相同的，所以可以肯定实验中观测到的流动应力减小现象与晶粒尺度的变化

无关，主要是由尺度微小化引起的。对于流动应力减小的现象，通常可以用表面

层模型解释对于流动应力减小的现象，通常可以用表面层模型解释，如图1所示。表面层模型认为在小尺度的情况下，材料变形已经不符合各向同性连续体的变化

规律，在小尺度情况下（根据晶粒尺度与制件局部变形尺度的比率判断），表面

晶粒增多，表面层变厚。

图1 表面层模型

Fig.1 Surface model

二、微塑性成形的摩擦尺度效应

摩擦是影响塑性成形工艺的重要因素之一。研究发现摩擦对微塑性成形工艺

的影响远大于其在传统塑性成形中的影响，而且影响规律也发生了变化。与传统

塑性成形中的影响规律相比，微塑性成形中摩擦的影响规律表现出明显的尺寸效应。目前对于摩擦方面尺寸效应的研究已逐渐成为微塑性成形领域的研究热点。

微成形中微小尺度对摩擦变化有显著的影响。圆环压缩试验和双杯挤压试验

表明，随着样件尺度的减小，成形过程中的摩擦增加。圆环压缩试验是在平行压

板间轴向压缩圆环，这是一种测定相对摩擦的方法。如果没有摩擦，则圆环的变

形情况完全相同，此时圆环的内外径均增加，增加量正比于它们至圆环中心的距离；当有了一定的摩擦时，外周界受到较大的约束；若摩擦足够大，则从能量的

观点出发，产生向心径向流动是有利的，故内径将减小。通过设计不同尺度的圆

环试样，即可以考察摩擦与摩擦接触面大小的关系，研究微细尺度下摩擦的尺度

效应。

图2 双杯挤压试验示意图

Fig.2 Double cup extrusion experiment and the FEM simulation

图 2 为双杯试验装置，圆柱状试件放置在模具通腔中，在试件的上表面由动

挤压头施压，下表面放置在与动挤压头同轴且大小和形状相同的静挤压头上，当

动挤头向下运动时，模腔中的材料发生变形流动形成上下两个高度为hu、hd 的

杯腔。在无摩擦理想状态下，两个高度是相等的；摩擦越大，形成的杯高越小，

因此上下杯高之比hu/hd 对摩擦的影响较为敏感，可以作为测定摩擦大小的依据。

三、微塑性成形的研究领域

在材料领域：目前在这一领域要研究的一个关键问题就是如何建立起微小尺

度下能较好地描述材料特性的应力与应变之间的本构关系，并基于这些理论建立

起微观尺度下金属成形工艺的理论体系。由近年来发展的塑性应变梯度理论、跨

尺度理论、介观尺度理论等相关理论已可以较好地描述出这种尺度效应。

在模具领域：目前所采用的那些特殊的加工方法，成本高、效率低，且在加

工复杂型腔、控制表面粗糙度等方面还不能令人满意。因此，在微型模具制造方面，找出适合实际生产，高效、高精度的模具加工方法就成为微成形领域的又一

个关键性的技术问题，还有模具材料的选择也极其重要。

在成形工艺领域：在微观尺度下，坯料和模间、坯料各部分材料之间等各种

约束已经与宏观状态完全不同。在这种情况下，各个工艺参数的确定没有成熟的

理论和公式，当前只能依靠实验或经验数据来估计，参照传统宏观成形工艺，利

用相似性原理来估计出微观条件下的各种工艺参数。

四、结论

综上所述，微细成形技术是一门新兴的研究方向。就目前的研究情况而言，

微塑性成形中的两大问题主要是对尺寸效应及摩擦尺寸效应的研究，围绕微细成

形工艺相关的两大问题开展的研究还不能达到更加深入的要求。如何在材料尺度

效应建模分析、摩擦尺度效应的建模与分析、成形工艺设计与创新和数值仿真建

模方面完善理论基础，在理论基础上实现本构模型的建立是今后的研究热点，由

此推动对于微细成形技术研究的科学进步。

参考文献：

[1]Geiger M，Mebner A，Engel U，et al.Metal forming of microparts for electronics.Production Engineering，1994，2（1），15-18.

[2]M. Geiger， M. Kleiner， R. Eckstein， N. Tiesler， U. Engel. Microforming，

51st General Assembly of CIRP.Nancy，2001，50（2），445-462.

[3]郭斌，龚峰，单德彬.微成形摩擦研究进展[J].塑性工程学报，2009，16（4）：146-151.