金属微零件热挤压成形要素研究

魏炜　黄华

摘要:本文通过对金属微零件热挤压成形时材料选择、润滑剂、挤压成形压力与时间、挤压温度、入模角、模具设计制造、实验设备的选用探讨对其加工制造的影响。

关键词: 金属微零件；材料选择；润滑剂；成形压力与时间；挤压温度；入模角；模具设计制造、实验设备

1引言

在20世纪末期，微电子的发展引起科学界高度的关注，进入了一个快速发展突破时期，其小型化推动科技发展进入纳米时代，也是科技发展的新时代[1]，这对整个世界，特别是发展中的中国，是个千载难逢的好机遇，中国人均资源较少，自然转化很慢，提高资源利用率显得很重要，产品精密化和微型化生产成为现代工业发展趋势之一。微型零件体积比较小、材料利用率高陪受生产者的厚爱，应用也越来越广泛，现在在微机电系统、医学领域、微传动系统、机器人以及微型探测技术设备等装置上已大量成功地运用了微型零件。作为机械传动主要零件齿轮，相对应的微型齿轮已经好多产品被研制出来，2013年2月上海交通大学陈少东利用热挤压成形出齿顶圆直径为1.41mm的微型齿轮[2]。

2金属微零件热挤压成形关键要素

2.1热挤压材料选择

微零件作为微型设备主要组成部分，在设备工作中承担重要用途，它必须具有一定承受载荷能力和良好的使用性能，所以我们用来热挤压成形的材料首先要求它在高温下有较好地流动性，变形阻力小或者极低，而其在常温状态下又要有较好强度，其次微型金属零件挤压加工，金属产生大的变形量，材料流动可能不再是均匀地流动，甚至可能发生单个晶粒在变形流动，单个晶粒的特性可能起到决定材料的塑性变形情况，很可能影响微型挤压成形零件的质量品质，这就要求材料最好具有良好的超塑性，材料自身晶粒组织细小且分布均匀。晶粒尺寸越小，挤压过程中显示超塑性效应的应变速率范围就越大，这样我们就有可能获得大得惊人的百分之几千伸长率，利用材料微细粒自身具有的超塑性，保证微型金属零件顺利进行挤压成形出来，总之，用来做微成形的材料要具有设计的尺寸[3]，稳定的晶型、晶粒晶径相差不大、较稳定的化学成分和晶粒在材料中分布均匀的良好微观结构，这些物理性能对微成形成败具有重要的影响。

2.2润滑剂的选用

在金属挤压成形中，往往在模具型腔内添加合适的润滑剂，用来降低金属坯料与模具之间的摩擦力，改善金属挤压流动状况，减少变形抗力和降低变形功的作用，保障模具温度不会升得太快等，从而起到提高产品质量和延长模具使用寿命。特别是微型金属零件热挤压成形，由于产品小、金属坯料在成形中变形量大，又在高温及高压下变形，此时金属坯料流动产生的新生表面更替更加迅速，使得金属微零件在热挤压过程中的摩擦条件变得更为复杂，降低微金属零件在热挤压成形中的摩擦条件显得更为重要。

润滑剂的选用，首先我们要选择的润滑剂要具备活性好、粘度合适、摩擦系数低、润滑性能好的特点，能使它在热挤压过程中形成膜性，能均匀、牢固地分布在模具型腔和金属坯料表面，起到良好的保护作用，提高模具使用寿命；其次润滑剂要求有较高的热稳定性、无公害、无残留二次污染，保证在高温、高压、高速下不易氧化、分解，对挤压成形模具及成形零件无腐蚀作用；最后润滑剂要求性价比高、货源充足、使用简洁方便、可控性强，最好能实现机械化、自动化操作，从而提高工作效率、降低劳力成本。随着科技的发展以及人们对环保意识的加强，21世纪以来，美国、德国等国家已研制并正推广使用DF型等非石墨型复合材料合成的热挤压润滑剂。此润滑剂性能优、无任何毒性、难燃烧、安全无烟尘，能很好的取代

常规普通润滑剂，目前在我国山东、湖北等地已能生产此类环保绿色润滑剂，该产品使用性能佳，保质期长、易流动、不易凝结堵塞，操作方便、成形后自动挥发不留残渣，很好保证模具型腔、零件产品表面质量和光洁度。

2.3入模角的选用

在当今金属挤压成形中，入模角倍受模具设计工程师的青睐，成为模具组件中重要的一部分。有它的存在可以较好地预防入模口部金属在成形过程中形成的难变形“死区”，降低金属加工的作用力，对挤压零件的缺陷有较好的预防和改善作用。金属微成形热加工，金属变形量巨大，为了让金属有较好地成形效果，引进入模角结构显得更为迫切。实际上，金属在加工过程中的入模角可以分为可行入模角和最佳入模角，选择最佳入模角，可以很好合理的调整挤压过程中摩擦功率 、剪切功率、挤压总功率、单位挤压力的变化之间的关系，得到合格产品。最佳入模角的选取可以先通过数值模拟软件分析，通过实验验证，最后修改完善确定。一般情况下，最佳入模角会随着金属变形程度的增大、坯料的摩擦系数增加而增加，金属坯料原始厚径比关系对其影响不明显。

2.4 热挤压成形压力与时间的选择

金属微零件热挤压成形过程也包括金属填充挤压、开始挤压、稳定挤压、挤压终了四个阶段，这四个阶段金属所受的应力应变、摩擦力不尽相同，所需挤压力也改变。特别是金属挤压比大，挤压杆单位面积所受挤压力比常规挤压大很多，金属形变量更加显著，为了得到合格的零件产品，要求我们选择合适的成形压力与时间。成形压力与时间是两个互为关联的可变工艺参数[4]，在金属微零件挤压过程中，我们最好对挤压压力进行及时的动态可变控制，可以选择最佳压力—时间曲线法，根据挤压金属微产品结构及尺寸大小等情况，我们可以采用使金属应变速率保持在最佳值法或者采用按折线以分段加载的方式来控制。当然我们可以先借助有限元数值模拟软件模拟分析指导，然后根据分析结果进行试验指导验证，找出最佳实验成形条件。

2.5 热挤压温度的选择

热挤压温度在成形中其实包括两种温度，一是金属材料挤压时实际温度，二是挤压温控制系统的温度。挤压温控制系统的温度，由于金属微零件热挤压系统体积较小，我们加热时一般采用对挤压坯料间接加热，也有对坯料采用直接加热法。由于挤压装置体积较小，为了加热操作方便，一般采用对挤压装置系统整体加热的方式，这样挤压温度测量方便，较容易保证挤压温度的稳定性；也有采用对坯料直接加热的挤压方式，这种对坯料温度测量难度会大一些。总之，试验者可以根据自己的试验设备条件和能力水平选择可行的方式，保障试验准确顺利进行。endprint

2.6热挤压模具设计制造

金属微零件外形小，它的尺寸精度要求会更高，为了得到合格产品，要求我们模具零件设计精度、加工精度、模具各部分零件配合精度与常规模具零件要求就有所不同，要求更为苛刻、精准。有时模具零件一些精度要求对于我们现在加工方法就是一种极限挑战。金属微零件的模具设计至关重要，它是挤压成形加工的重要一环，一部分人在微成形挤压模具设计过程中仍然采用传统设计理念，结果用这种模具来成形零件，有时根本做不出产品，有时即使能得到合格的零件产品，但在模具加工制造上花费大笔费用，在试验中要做大量的工作，甚至事倍功半，我觉得微型零件模具设计要有自己的特点，既然微型零件有别于常规零件，那就要求我们设计时要有创新，我们在设计中可以借鉴常规零件的模具设计方法，但在微型模具挤压成形型腔、型芯、产品零件顶出系统、导向定位系统、加热系统等几大系统设计中要根据微型金属零件自身独特的特点对模具结构的几大系统中的一种、两种或者多种进行有的放矢的创新设计，这样，在你设计“特别”模具下实验，才可能得到效果较好的产品。

2.7加工实验设备的选用

随着微型金属零件有大量的应用需求，市场已有一些适合用于微金属热挤压成形设备，我们应该选用自动化程度高，使用性能好，更换升级空间大、绿色环保型设备，能够满足现在以及未来金属微零件发展趋势的需要，这种设备价格一般比较昂贵；也可以根据情况，设计一些小吨位、简易性、针对性强的微金属零件成形设备，降低企业成本资金。

3结束语

金属微零件热挤压成形研究是一个重要的课题，我们虽然取得一定的成果，但与产业界结合还有很大提升空间，成果转化比较缓慢[5]，金属微零件热挤压成形可以促进材料的先进制备、成形加工技术的提升、实验设备的研制改造，可以预见金属微零件热挤压成形研究在今后一段时间内，金属微零件性能设计与工艺设计的一体化及在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精控制[6]是它的主要方向。

参考文献:

[1]王琛,杨延莲等.纳米科技创新方法研究[M].北京:科学出版社,2012:16-18.

[2]陈少东.ZL101半固态微成形本构模型与微齿轮挤压关键技术研究[D].上海交通大学,2013(02):24-47.

[3]Guozhong Cao ,Ying Wang 纳米结构和纳米材料合成、性能及应用[M].北京:高等教育出版社,2012:8-9.

[4]夏巨谌.金属材料[M].北京:国防工业出版社,2007:205-207.

[5]国家自然科学基金委员会.中国科学院.未来10年中国科学发展战略[M].北京:科学出版社,2012:14-30.

[6]白培康,王建宏.材料成形新技术[M].北京:国防工业出版社,2007:1-4.endprint