金属薄板微成形技术的研究进展

F ig 1 M icro dr awing cups for electron g uns of T V sets * 教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 基 金 资 助 项 目 ( NCET 04 0322) ; 黑龙江省杰出青年科学基金项目 ( JC 05 11) 。 单德彬 E mail: Shandb@ hit edu cn 作者简介 : 单德彬 , 男 , 1967 年生 , 哈 尔滨工业大学 , 教授 收稿日期 : 2006 07 25; 修订日期 : 2006 09 08
与传统的冲压成形工艺相比 , 虽然成形过程相
同 , 但微成形并不是传统冲压成形的简单几何缩小 , 成形零件的尺寸越小 , 制造就越困难 。 1) 零件尺寸越小 , 表面积与体积之比越大, 这 会影响到温度条件; 2) 零件尺寸越小 , 工模具之间的粘附力和表面 张力的影响越大 ; 3) 晶粒尺度的影响很显著 , 不能再像传统成形 下那样 , 看成是各向同性的均匀连续体 ; 4) 很高的应变速率会影响到材料的塑性性能和 微观组织, 特别是晶粒尺寸与典型的工件尺寸 , 诸 如圆角半径或板厚相当时 ; 5) 零件尺寸越小 , 闭式的润滑坑面积占总润滑 面积的比例越小 , 工件表面存储润滑剂就越困难。 以上这些所谓的 1 1
图 2 拉深系统示意 图[ 10] Fig 2 Schematic diag ram o f micro deep dr awing appar atus 图5 F ig 5 凸模圆角和压边力对拉深质量的影响 [ 11]
由于微拉深件的尺寸很小, 精度直接取决于模 具, 采用传统的加工方法已经不能满足尺寸精度和 表面粗糙度的要求。日本 Seki 公司采用离子磨削的 方法对冲头和凹模圆角进行磨削 , 可以很大程度地 提高模具的表面质量。图 3 是微拉深凹模圆角磨削 前后的对比图。采用此微拉深模具 ( 最小凸模直径 0 654mm, 凸 模 圆 角 半 径 0 1mm , 凹 模 直 径 0 7m m, 凹模圆角半径 0 15mm ) 上 , Seki 公司采 用 0 02mm 厚的铜箔 , 成形出了如图 4 所示的微拉
深杯, 并采用 SUS304 研究了凸凹模圆角和压边力 对拉深成形件质量的影响 , 结果如图 5 所示[ 11] 。
图3
凹模圆角磨削前后对比 [ 11]
Fig 3 T he contr ast o f die and milled die
图 4 Seki 公司成形的微拉深杯 [ 11] Fig 4 M icr o draw ing cups made by Seki co mpany
[ 12]
图 8 不同杯径 表面的最高温度 [ 6] Fig 8 M ax imum temper atur e of different cups
= a + b ! EXP [ ( d - P) / e] + c ! EXP[ ( d - P ) / f ]
为了提高薄板的拉深性能 , R Erhardt 开展了 微拉深的热成形 , 开发出一种用激光进行局部加热 的微拉深成形工艺。如图 9 所示 , 透过蓝宝石或钻 石材料的凹模将激光束照射到拉深 件的法兰区域 , 加热了高应变的法兰区域, 以此提高该区域的变形 能力。通过对 厚为 0 1mm 的 薄板 进行 拉深 实验 , 实验结果表明, 该工艺使拉深力降低了 20% , 延伸 率增加了 10% [ 13] 。 日本学者 M anabe 把坯料和凹模的表面 粗糙度 作为成形精度的影响参数, 采用 L S DYNA 模拟了 坯料厚度为 20 m, 直径为 500 m 的成形杯的两步 拉深成形过程, 研究了凹模和板料的表面粗糙度对 微型拉深杯成形精度的影响。模拟结果显示, 拉深 杯外表面的上部由于坯料的变形而变得光滑, 粗糙
[ 1~ 4]
目前, 在金属薄板的微成形方面, 主要进行薄 板的微拉深、增量成形、微冲裁和微弯曲等微冲压 方法的研究。本文就目前国内外金属薄板微成形技 术的研究状况, 对各种微冲压工艺、设备与模具及 数值模拟等方面的研究成果进行系统的综述, 并简 单介绍作者在薄板的微拉深成形研究中的一些成果。
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薄板微成形技术研究现状
图1 用于电视机电子枪的微拉深杯
[ 2]
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。在国内,
尺寸效应
使得不能把传统
的冲压工艺直接转化为微冲压工艺。 微拉深成形的研究 拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、球形、盒形 和其他不规则形状的薄壁零件。如果与其他冲压成 形工艺配合 , 还可能制造形状更为复杂的零件。因 此 , 在薄板的微成形中, 微拉深工艺较之其他工艺 更为突出, 研究成果也最多。 图 2 是日本的 Saot ome 等研制的专用于极薄板 材或厚度小于 0 05mm 的金属箔的微拉深实验设备
Vollert sen 等认为影响微 拉深工艺的重 要因素 是法兰处和凹模圆角处的摩擦, 并通过实验提出了 摩擦系数的计算公式。为避免法兰处切向压应力对 摩擦的影响 , 用金属带材代替了圆形的坯料, 使坯 料的应力状态得到了简化。分别进行了宏观和微小 带材的拉深实验 , 获得相应的冲头力与冲头冲程曲 线。图 7 为微拉深带的俯视图和截面图。由实验获 得的冲头力与冲头行程曲线进行计算确定了摩擦系 数。由于摩擦系数决定于压力, 通过对摩擦系数的 进一步分析, 提出了摩擦系数的函数形式为 式中 ∀ ∀ ∀ 摩擦系数 P ∀ ∀ ∀ 接触面积处的压力 a~ f ∀ ∀ ∀ 不具有物理意义的系数
冲裁等薄板微成形技术的研究现状 , 并简单介绍了作者的研究成果 , 展望了薄板微成形技术的发展方向和趋势 。 关键词 : 微成形 ; 微拉深 ; 增量成形 ; 微弯曲 ; 微冲裁 中图分类号 : T G306 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 2012 ( 2007) 03 0093 07
图7 Fig 6
微拉深带 [ 12]
M icr o deep draw ing str ip
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应态 和 退 火 态 的 CuZn37 板 材, 在 冲 头 直 径 为 8mm, 4mm , 2mm 和 1m m, 坯料和模具的几 何尺 寸因子为 1, 1/ 2, 1/ 4 和 1/ 8 条件下分别进行微拉 深成形实验。为了方便比较 , 实验将壁厚相对变化 率作为比较参数。结果表明 , 冲头速度对杯形件的 壁厚影响不大, 由于退火造成的晶粒尺寸和显微组 织变化在尺寸因子为 1/ 2, 1/ 4 和 1/ 8 时对杯形件的 壁厚变化的影响比为尺寸因子 1 时大的多, 在尺寸 因子较小时 , 原始态和退火态工件壁厚相对变化率 的最小 值的变 化在 5% ~ 8% , 而在尺 寸因子 为 1 时 , 变化只有 2% 。此外 , 还采用 ABAQUS 对微杯 拉深中成形件的平均温度和最大温 度进行了模拟。 模拟结果表明, 在低传导率和高冲头速度下, 拉深 杯的平均温度的最大值达 到了 100 # , 并且 不随冲 头速度或拉深杯尺寸的变化而改变。但在塑性应变 最大的部位 , 即拉深杯侧壁的上部会出现最高温度 , 杯径为 8mm 时达到 220 # , 而杯径为 1mm 时只有
引 言
随着微机电系统 ( micro elect ro mechanical sys t em, MEM S) 的飞速发展 和逐步进 入实用化 , 对 微型零件的需求量也越来越大。微塑性成形技术以 其工艺简单、高生产效率、低成本、成形件强度高 等优点, 成为微机电系统零件规模化生产的关键技 术之一。微塑性成形技术是指利用塑性变形的方法 生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级零件的 技术。 由于薄板的微成形 件广泛应用于 电子和 IC 产 业, 薄板的微成形技术已经成为塑性成形领域的研 究热点 , 在 近年的 ICT P 和 SH EM ET 等国际会议 上都有单独的专题对之进行报道。许多世界工业发 达国家, 如日本和德国对薄板的微成形技术进行了 很多的理论和应用 研究, 部分 成果已经进入 实用。 图 1 是用于电视机电子枪的微杯形件 薄板微成形技术的研究才刚刚开始。
第3期
单德彬 等 : 金属薄板微成形技术的研究进展
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以看出 , 宏观拉深件成形质量很好 , 而微拉深件的 法兰有轻微起皱。实验结果表明, 与宏观拉深相比, 微拉深中的摩擦力受成形力影响更大 ; 不合适的压 边力会导致法兰处起皱和底部的破裂 ; 随着润滑剂 用量的增加 , 微拉深中的摩擦力下降更快; 微拉深 中的绝对摩擦系数远大于宏观 拉深中的摩擦 系数。 此外, 在使用薄钢板进行拉深实验时发现, 在宏观 拉深中影响很小的磁力在微拉深中的影响不能忽略 不计。实验中 , 直径为 1mm 的拉深件消磁 后的极 限拉深比为 1 7, 而消磁前的极限拉深比为 1 6, 这 表明磁力对微拉深有不利影响
。
图6 Fig 6
宏观与微拉深件对比 [ 5]
Comparison o f micro and macro deep draw ing cups
140 # 。图 8 是不同杯径的最高温度分布曲线。分析 认为, 这种现象是由于成形件几何尺寸的减小 , 使 表面积与体积之比增大, 零件的总表面散逸能降低 , 而且到表面的散热距离也要短而造成的[ 6] 。
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第 14 卷
的示意图。在该设备中, 冲头由一台直流伺服电动 机和直线式滚珠丝 杠驱动, 冲 头行程由微机 控制, 冲头的顶端可用 CCD 摄像机通过模具孔观察 ; 模具 放在精确定位的平台上, 冲头与模具的同轴度可以 通过图象观测, 移动 X Y 平台来调整; 试样与模具 的同轴度通过一架 CCD 摄像机来调整; 压边力是由 一个直流伺服电动机和驱动的杆状机构施加的, 力 的大小用载荷元件检测; 冲裁力和行程则由微机控 制。采用此微拉深系统 , Sao to me 通过拉深实验研 究了厚度小于 0 2mm 的薄钢 板的微拉深工艺。实 验将冲头相 对直 径 ( 冲头直 径 D P 与板 厚 t 之 比, D P / t ) 作为重要的工艺参数, 采用厚度为 0 05mm, 0 1m m, 0 2m m 和 1 0m m 低碳钢板进行微拉深成 形, 并将试验结果与厚板拉深成形进行比较。实验 结果表明, 拉 深极 限与 冲头 相对直 径 D P / t 有 关, 相似原理可以适用于冲头相对直径 D P / t > 40 的情 况, 而 D P / t < 20 时的拉深机理与 > 40 时的拉深机 理明显不同。当 D P / t > 40 时, 极限拉深比随 D P / t 的增加而减小 , 压边力影响明 显, 并随 D P / t 的增 加而增加 ; 而 D P / t < 20 时 , 主要 发生 弯 曲变 形, 压边力对拉深性能的影响很小, 甚至在拉深过程的 后期对试样基本没有什么影响。因此 , 极薄板的微 拉深成形规律类似于厚板的宏观拉深成形[ 10] 。
第 14 卷 第 3 期 2007 年 6 月
塑性工程学报
JOURNAL OF PL AST ICIT Y ENGINEERING
Vol 14 Jun
No 3 2007
金属薄板微成形技术的研究进展*
( 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨
摘
150001)
单德彬
郭
斌
周Βιβλιοθήκη Baidu
健
要 : 文章阐述了金属薄板微成形的基本概念和金属微成形中的尺寸效应 , 综述了微拉深、增量成形、微弯曲和
Influences o f R p and BH F o n micr o draw ing cups
为了研究零件尺寸对微拉深成形的影响, 德国 的 V ollert sen 等进行了杯形件宏观和微拉深对比实 验 , 并研究了微拉深的极限拉深比。实验用材料均 为 A 199 5, 微拉深件的尺寸为壁厚 0 02mm, 凸模 直径 1 0mm , 深度 0 5mm; 宏观拉深 件的尺寸 为 壁厚 1 0m m, 凸模直径 50mm, 深 度 25m m 。图 6 为宏观和微观两种拉深件的对比照片。从图 6 中可