面向微细制造的微成形技术

朱子勋　张焕焕

摘要：本文主要集中论述了面向微细制造方向的微成形技术，具体分析了当下微细制造技术工艺及其应用，论述了微成形技术的关键问题和技术，并探讨了其未来的发展方向。

关键词：微细制造；微成形技术

前言

产品微型化已经成为了我国工业发展中的新趋势，不论是在电子制造还是微系统技术或者微机电系统方面，都有广泛的运用，不过，目前，微成形技术也还存在问题，需要进一步研究。

1.微成形工艺系统

和传统的成形工艺一样，微成形工艺系统也由材料、成形过程、工模具、设备（包括工装）四部分构成，见图1。在微成形加工中同样需要考虑工模具的设计、工艺参数的优化、材料的磨损及处理等问题，但其主要特点却是由微小尺寸引起的微观尺度效应决定的。简言之，就是不能把宏观工艺参数、结构参数、物理参数简单地按几何比例缩小应用到微成形过程中，因为微型化的影响波及整个工艺系统的各个方面。材料方面的影响主要表现在成形过程中的流动应力、各向异性、延伸率及成形极限等方面，这些都与材料的微观晶体粒度及产品的微小结构有关；对材料的影响进一步波及到具体的工艺过程，成形力、摩擦、回弹、毛刺以及制品精度等都表现出与宏观工艺不同的特性，甚至在使用有限元程序分析模拟中也必须考虑这些影响；在工模具方面主要是制造问题，即如何制造出小尺寸、高精度、内孔、外凸、复杂内腔的成形部件；对设备和传输装备而言主要是冲裁和传输速度问题，以每分钟300冲次的速度冲制直径不到015mm的小孔，而又必须在012s内将其装夹定位于下一步微米级精度的模具上将是极其困难的，微小零件与工装的粘附作用更增加了操作过程的难度，可喜的是微机械的发展已经开始解决这一问题；此外，产品的微型化也带来精度控制方面的难度，相关的测量手段也必须发展，且加工场地也有特殊要求。

2.微成形的主要研究问题和关键技术

经过各国学者数十年的研究和实验，微成形技术已得到一定的发展，取得了一些瞩目的成果。但要把该技术应用到实际工业生产中，还有一系列问题和技术需要得到解决。

2.1.微成形材料

在微尺寸下，材料的各种性质发生了变化，不能再用宏观下的理论模型来解释微成形过程中材料的变化。因此，需要通过实验来研究微成形过程中材料晶粒、表面晶粒与内部晶粒尺寸，以及材料各向异性等性质的影响，建立微成形中的理论模型。

2.2.微模具的制造

虽然目前已经成功研制出了一些微模具，但是微模具的制造仍是制约微成形技术发展的一个重要因素。因为实在难以创建那么小的加工轮廓线，特别是要求光顺饱满表面质量的挤出模更难制造。另外这还跟加工机器的微型化有紧密的联系。在传统加工中可以忽略的车床零部件之间的间隙和齿轮间的间隙可能会严重影响零件生产的精密性。

2.3.检测装置

微成形技术对检测技术的发展也是一个极大的挑战。现代检测技术都十分复杂，如何高效、准确的检测微成形中的变化量是微成形技术的又一个研究方向。

2.4.工作、存放环境

如此小的尺寸和微米级的公差对零件的加工和存放环境也提出了很高的要求。这又是对微成形技术经济性的一个重大考验。

3.微细电火花加工技术

3.1.概述

微细电火花加工是在绝缘的工作液中，通过工具电极和工件间脉冲放电产生的瞬时、局部高温来熔化和汽化金属的加工技术，电火花加工过程见图2。电极和工件都置于绝缘介质中。当电脉冲加载工件和电极时（图1a），电子和离子分别向阳极和阴极移动，导致电极和工件间的绝缘层击穿目前，微细电火花加工技术根据电极形式，可分为微细线切割、微细成形和微细轮廓加工3种方式。微细线切割采用20 μm或30 μm的钨丝或其合金，从金属薄板上加工切割微细零件。这种方式的优点是以少量的材料去除，直接加工微细零件。缺点是被加工形状的最小半径受细线的直径限制，加工中空形状时，细线穿孔难度大；为保障加工中不产生断裂，对细线的张力和加工状态控制要求很高。微细成形电火花加工是采用微细成形电极在微细电火花加工机床上，通过检测加工状态，调整电极与工件间的间隙，将微细成形电极的形状拷贝在工件上。这种方法的关键点是微细成形电极的制备，通常采用LIGA技术或类似方法制作微细电极。这种方法可一次性加工多个微细性形状。 微细轮廓加工是采用单纯形状电极，如圆形或方形电极，通过控制其加工轨迹，完成微细形状的加工。

3.2.LIGA加工技术

3.2.1.概述

LIGA是德文Lithographie（深度X射线刻蚀）、Galvanformug（电铸成形）、Abformug（塑料铸模）的缩写，即将深度X射线刻蚀、电铸成形和塑料铸模等技术结合起来的微加工技术，它最大的特点是能加工高深宽比的微结构3.2.1.1.利用同步辐射X射线（射线来自同步加速器，波长大约为0.1——1 nm ），通过掩模板对固定于金属基底上的厚度可达几百微米的X射线抗蚀剂层进行曝光；

3.2.1.2.将其显影制成初级模板；

3.2.1.3.将所需金属电铸在初级模板光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶图形的空隙中，直到将光刻胶浮雕完全覆盖；

3.2.1.4.对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，得到金属微观结构；

3.2.1.5.将电铸制成的金属微观结构作为二级模板，将塑性材料注入二级模板的型腔，形成微型塑件，这时作为二级模板的金属微观结构就是一个微型模具的型腔；

3.2.1.6.可用形成的微结构塑件作为模板再进行电铸成形金属部件，也可取出微结构塑件作为得到的最终制品。

4.结束语

综上所述，随着我国科技的进步，以及研究的深入，微成形技术将会取得更大的突破，微成形技术将会朝着更加科学的方向发展，高品质、高效率生产将成为可能。

参考文献：

[1]岳灿甫.金属粉末激光微成形实验的研究[D].北京工业大学，2010.

[2]耿艳青，谭险峰.微塑性成形技术的研究进展[J].热加工工艺，2012，01.