精密体积塑性成形技术的现状和发展趋10

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1、精密体积塑性成形技术的现状和发展趋势一、现状随着高新技术的迅猛发展，微机电系统（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）和微系统技术（micro-systemtechnology，MST）等由于具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点，在民用和军用诸多领域备受青睐。这些技术的兴起和广泛应用，增大了对微型零件的需求量，对微型零件的制造成本和效率提出了更高要求。传统的微型零件制造工艺，如IC工艺和LIGA技术等，无法满足实际生产中对加工材料的种类和生产效率的需要，从而

2、促进了微型零件制造新工艺的发展，微塑性成形技术就是其中最重要的加工工艺之一。微型零件的加工技术在MEMS和微系统等技术中占有重要地位。现有的微细加工技术是在微电子集成电路工艺（IC）的基础上发展起来的，加工微型零件主要使用硅材料。IC工艺适合于微细化和批量生产，工艺已实现了自动化。但是其生产周期长，成本高，可加工的材料种类较少，并且只能加工准平面的微型零件，从而制约了它在微型零件加工方面的发展。随后，出现了多种新的微细加工技术，其中具有代表性的有以下几种：LIGA（LithograthieGalvanof

3、ormungAbformung）技术是X射线深层光刻、微电铸和微塑铸三个工艺的组合。该技术的优点是能够制造出复杂的三维微型零件，成形的零件有较大的深宽比，最大可达100以上，厚度为几百到上千微米，并且沿深度方向的直线性和垂直性非常好，表面质量高。使用该技术可以加工有机高分子材料、各种纯金属和陶瓷等，并且可以利用微复制工艺进行微型零件的大批量生产。德国美茵茨微技术研究所（InstitutfürMikrotechnikMainz）将LIGA技术和精加工技术相结合，成功制造出齿高80μm、总高约为550μm的二

4、阶微型齿轮组。该所还使用LIGA技术研制出微型齿轮行星减速器，成功地将微型齿轮用于液体的精确调控。中国科学技术大学国家同步辐射实验室利用LIGA技术成功制造出直径为400μm的微型齿轮活动部件。此外，上海交通大学等单位也在LIGA制造技术方面开展了较多的研究工作。然而，由于采用光刻技术使得LIGA技术很难应用于倾斜面、复杂三维曲面的微细三维加工，并且使用的同步辐射X射线源比较昂贵，因而极大地限制了该项技术的应用范围。为了避免使用昂贵的同步辐射X射线，出现了DEM（Deepetching，Electro-f

5、orming，Microreplication）技术。DEM使用深层刻蚀工艺来代替同步辐射X射线深层光刻，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。采用该技术可以制造非硅材料高深宽比的微型零件，并且成本低，有望成为一项全新的三维加工技术。一些传统的加工技术通过尺寸缩小可以用来加工微型零件，如电火花加工、激光加工、车削和磨削等加工技术。微细电火花加工技术是利用工件与微电极间脉冲放电产生的瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化，来达到加工的目的，使用该技术可以加工出几十微米甚至更小的微型零件。哈尔滨工业大学赵万生、王振龙教

6、授等人在微型零件的微细电火花加工工艺和加工设备方面开展了大量的研究工作，加工出?4.5μm的微细轴和?8μm的微细孔，达到了世界先进水平。该技术的不足之处是加工效率较低。激光加工可以加工尺寸很小的型腔，并可以用于易碎和难加工材料的加工，只是加工后的表面需要再处理。在机械加工方面，哈尔滨工业大学精密工程研究所梁迎春教授将微细铣削技术应用到微型零件加工中，孙涛教授等人使用原子力显微镜实现微齿轮的加工，并成功刻画出微齿轮。此外，化学各向异性刻蚀技术等也可以用于微型零件的加工和制造，但是其应用的范围有限。上述微型

7、零件微细加工技术可以加工出尺寸非常小的零件，但在加工效率、制造成本等方面存在不同程度的不足。因而开展效率高、成本低的微塑性成形技术研究就显得尤为必要。二、发展趋势与传统的塑性成形工艺相比，微塑性成形中微型零件的几何尺寸等可以按比例缩小，而有一些材料参数却保持不变，如材料的微观晶粒度和表面粗糙度等，从而导致材料的塑性变形性能发生改变，使得传统的成形工艺方法不能通过等比例缩小应用到微塑性成形领域。因而，研究微观尺度下材料的塑性变形规律，揭示微塑性成形机理，成为微塑性成形技术的重要研究方向之一。同时，微塑性成形

8、中塑性变形区的尺寸接近晶粒尺寸，材料微观组织的不均匀性导致微塑性成形的不均匀性更为突出，也成为一项重要的研究。同时微塑性成形技术不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一个崭新的研究领域。微塑性成形是在亚毫米或微米量级发生的，塑性变形区的大小接近晶粒尺寸，材料的微观组织结构对材料微塑性成形性能的影响比对宏观塑性变形的影响显著，建立在宏观连续介质力学基础上的塑性变形理论不能对微塑性成形中出现的现象如尺寸效应等给予很好的解释。同