單德彬，徐 杰，王春舉，郭 斌

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001）

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塑性微成形技術(shù)研究進(jìn)展

單德彬，徐 杰，王春舉，郭 斌

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001）

摘 要：隨著微納米科學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)微型零件的需求日益增加。塑性微成形是一種采用塑性變形，成形零件尺寸至少有兩個(gè)方向在亞毫米量級(jí)的微制造方法，具有加工效率高、工藝簡(jiǎn)單以及成形零件性能優(yōu)異和精度高等特點(diǎn)，特別適合于微型零件的低成本批量制造。介紹了塑性微成形技術(shù)的研究背景、應(yīng)用領(lǐng)域及其優(yōu)點(diǎn)，綜述了微成形在尺度效應(yīng)、新設(shè)備以及工藝方法等方面的最新研究進(jìn)展，并論述了微成形技術(shù)在新材料（超細(xì)晶材料及非晶材料）方面的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：微成形；尺度效應(yīng)；微型零件；超細(xì)晶材料；微機(jī)電系統(tǒng)

第一作者：?jiǎn)蔚卤?，男?967年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:shandb@hit.edu.cn

1 前 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展和逐步進(jìn)入實(shí)用化，人們對(duì)微型零件的需求日益增加［1］，尤其是應(yīng)用到微系統(tǒng)的三維微結(jié)構(gòu)零件，例如，微電子元器件、微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微型齒輪類零件、紡織印染領(lǐng)域陣列微噴孔類零件、生物醫(yī)療以及光學(xué)領(lǐng)域微型零件等，其零件尺寸或特征尺寸在亞毫米或微米量級(jí)，屬于介觀尺度范疇。它們的設(shè)計(jì)、制造、裝配以及測(cè)試等諸多方面與傳統(tǒng)制造技術(shù)具有本質(zhì)不同，這些零件往往采用大量的非硅材料（如不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金等金屬材料、塑料和陶瓷材料）進(jìn)行制造，因此，迫切需要發(fā)展新的非硅微細(xì)加工技術(shù)?，F(xiàn)有的非硅微細(xì)加工方法主要有LIGA（光刻、電鑄和注塑的縮寫）、刻蝕、微細(xì)電火花、激光以及微機(jī)械加工等，但這些方法在加工效率、可加工材料的種類等方面存在諸多問題。塑性微成形是一種采用塑性變形方法成形微型構(gòu)件的微制造技術(shù)，所成形構(gòu)件的尺寸或特征尺寸至少在兩個(gè)方向上小于1mm［2］，在航空航天、能源、微電子、生物醫(yī)療和軍工領(lǐng)域的微型零件制造方面具有重要的應(yīng)用前景。該技術(shù)繼承了傳統(tǒng)塑性成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有成形效率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單以及成形零件性能優(yōu)異和精度高等特點(diǎn)，是低成本批量制造各種微結(jié)構(gòu)和微型零件的重要加工方法之一［3-4］。國際著名的塑性加工會(huì)議ICTP和板材成形會(huì)議SHEMET等相繼開辟了專題對(duì)其進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。美國、歐盟和日本先后制定了相關(guān)塑性微成形技術(shù)的研究計(jì)劃，開展了微成形理論、尺寸效應(yīng)、微成形裝備和工藝方法等的系統(tǒng)研究，并取得了重要的研究成果和進(jìn)展。

2 塑性微成形技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 塑性微成形尺度效應(yīng)研究進(jìn)展

隨著微型零件尺寸的減小，材料的變形行為逐步由多晶體變形轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉w變形，傳統(tǒng)的塑性變形理論已經(jīng)不能解釋微成形中流動(dòng)應(yīng)力突變的現(xiàn)象［5］，微成形尺度效應(yīng)研究成為微成形技術(shù)研究的基礎(chǔ)［6］。2004年，美國Uchic M D等［7-8］發(fā)表在Science上的研究成果報(bào)道了微納米尺度單晶鎳微柱壓縮過程流動(dòng)應(yīng)力“越小越強(qiáng)”的尺度效應(yīng)（圖 1）。美國斯坦福大學(xué) Nix W D等［9-10］針對(duì)Au單晶微壓縮過程多滑移系開動(dòng)問題，提出了微納米尺度單晶體材料變形的“位錯(cuò)匱乏”機(jī)制。西安交通大學(xué)單智偉等［11］利用高分辨原位TEM研究了位錯(cuò)表面湮滅、完美晶體的形成過程，提出了“機(jī)械退火”概念，驗(yàn)證了位錯(cuò)匱乏機(jī)制的正確性。德國紐倫堡大學(xué)Geiger M等［12-13］利用相似性原理發(fā)現(xiàn)了微鐓粗過程“越小越弱”的尺度效應(yīng)，并從材料的多晶體結(jié)構(gòu)角度，建立了表面層模型和介觀尺度模型。比利時(shí)Keller C等［14］系統(tǒng)研究了純鎳微塑性變形行為，考慮晶粒尺寸和試樣尺寸之間的相互作用，建立了材料流動(dòng)應(yīng)力尺度效應(yīng)理論模型。

圖1 微納米尺度微塑性變形尺度效應(yīng)［7］Fig.1 Size effect of micro-forming in micro/nano scale［7］

針對(duì)塑性微成形的成形性能問題，日本的Ike H［15］和Saotome Y［16］等研究了微模壓成形過程，發(fā)現(xiàn)材料充填微小模具型腔的能力與晶粒尺寸和型腔尺寸有關(guān)，存在明顯的尺度效應(yīng)，影響了材料對(duì)微小型腔的填充性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)深入研究了微模壓填充的尺度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒尺寸d與型腔尺寸w之比等于0.5時(shí)，填充筋高寬比達(dá)到最小值，建立了材料微填充過程多晶體模型（如圖2），揭示了微模壓時(shí)微小模具型腔充填尺寸效應(yīng)機(jī)理［17］。香港理工大學(xué)傅銘旺等采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了純銅微成形過程的裂紋萌生和擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在微成形中裂紋更容易形成和擴(kuò)展，影響了材料的微成形性能［18-19］。

圖2 微填充過程多晶體模型Fig.2 Polycrystal model during micro-embossing

與宏觀板材成形相比，金屬薄板微成形的成形極限產(chǎn)生了明顯變化。德國Diehl A等［20］利用液壓和氣壓脹形方法研究了Al箔力學(xué)性能尺度效應(yīng)，并獲得了最小厚度為20μm鋁箔微脹形的成形極限圖。結(jié)果表明，微脹形試驗(yàn)通過引入雙軸應(yīng)力狀態(tài)，能夠更加準(zhǔn)確地描述金屬箔微成形性能。德國Vollertsen F等進(jìn)行了杯形件宏觀拉深和微拉深對(duì)比實(shí)驗(yàn)（如圖3），發(fā)現(xiàn)宏觀拉深件成形質(zhì)量良好，而微拉深件的法蘭有輕微起皺，成形極限降低［21-22］。上海交通大學(xué)來新民研究了試樣幾何尺寸與晶粒尺寸對(duì)純銅薄板微成形過程成形極限影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)厚度方向晶粒數(shù)量越少，其成形極限越低［23-24］。

與普通沖裁相比，微沖裁工藝中，由于板料受工模具（沖頭、凹模以及壓料板等）的限制，變形區(qū)域很小，主要集中在沖裁間隙區(qū)域的微小環(huán)形區(qū)域內(nèi)，與箔材內(nèi)部晶粒尺寸在同一數(shù)量級(jí)，對(duì)微沖裁變形機(jī)理和斷裂機(jī)制產(chǎn)生明顯影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)研究了金屬薄板微沖裁過程材料變形行為，發(fā)現(xiàn)了微沖裁“越小越強(qiáng)”的微型化尺度效應(yīng)，且當(dāng)沖裁間隙c與晶粒尺寸d之比等于1時(shí)，微沖裁過程最大抗剪強(qiáng)度達(dá)到最小值（如圖4），表明沖裁間隙與晶粒尺寸之比是影響微沖裁尺度效應(yīng)的主要因素［25-26］?？傊?，介觀尺度材料變形尺度效應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，已成為影響塑性微成形尺度極限和成形能力的一個(gè)重要因素［27］。

圖3 宏觀拉深件（a）與微拉深件（b）對(duì)比［22］Fig.3 Contrast of macro-drawing cup（a）and micro-drawing cup（b）［22］

圖4 微沖裁最大剪切強(qiáng)度與c/d之間的關(guān)系［25］Fig.4 The relationship between ultimate shear strength and c/d［25］

2.2 塑性微成形設(shè)備研究進(jìn)展

從微成形技術(shù)國內(nèi)外十幾年的研究歷程來看，微成形設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式主要經(jīng)歷了3個(gè)階段:驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密化、微型化和新型化。日本Yamada公司針對(duì)微電子器件低成本批量生產(chǎn)要求，研制了基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的高速精密沖床，最大沖程頻率可達(dá)4 000 SPM（Stroke per Minute，SPM），成為世界上速度最快的微型沖床之一。瑞士Bruderer公司也開發(fā)了類似的精密沖壓機(jī)床。盡管傳統(tǒng)塑性加工設(shè)備通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級(jí)能夠提高其輸出精度，且達(dá)到了微型零件批量生產(chǎn)的基本要求，但由于設(shè)備尺寸大，僅比較適合毫米級(jí)微型零件的批量制造。然而，隨著零件微型化趨勢(shì)的發(fā)展，必然要求微型模具尺寸不斷減小，傳統(tǒng)塑性加工設(shè)備很難滿足亞毫米以及微米級(jí)微型零件的成形，這就促進(jìn)了微成形設(shè)備微型化的發(fā)展，傳統(tǒng)的曲柄機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠經(jīng)微型化后逐步應(yīng)用到微成形設(shè)備中。日本Yang M與SEKI公司聯(lián)合研發(fā)了桌面式微沖壓設(shè)備，如圖5所示。該設(shè)備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用微型伺服電機(jī)+滾珠絲杠，利用精密模架導(dǎo)向，輸出力可達(dá)30 kN，精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜微型零件成形與裝配的一體化制造［28-29］。盡管傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的微型化能夠滿足微成形工藝的基本要求，但其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各連接部件之間存在間隙，很難實(shí)現(xiàn)輸出力和位移的精確控制，導(dǎo)致設(shè)備精度不高，限制了其在塑性微成形領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖5 微沖壓設(shè)備［28］Fig.5 Micro-stamping machine［28］

為了滿足微型零件高精度、柔性化可控制造要求，一些新型的驅(qū)動(dòng)裝置如壓電陶瓷、直線電機(jī)以及音圈電機(jī)等精密驅(qū)動(dòng)方式逐步應(yīng)用到微成形中。20世紀(jì)90年代末，日本Mori等便開始進(jìn)行新型微沖孔設(shè)備的研制，開發(fā)了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微沖壓裝置［30］。日本群馬大學(xué)Saotome［31］研制了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微成形設(shè)備僅有手掌大小，可以與模具一起放入真空加熱系統(tǒng)中進(jìn)行微成形試驗(yàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一臺(tái)宏/微結(jié)合基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微成形設(shè)備（如圖6），最大輸出力可達(dá)3 kN，能夠滿足微型齒輪類零件的成形要求［32-33］。盡管壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米甚至更高的定位精度，但其輸出位移相對(duì)較小，為彌補(bǔ)這一不足，人們利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，研制成功了多種微成形裝置，但是仍然難以滿足微型零件低成本批量制造要求。

圖6 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微成形設(shè)備［32］Fig.6 Micro-forming apparatus driven by PZT［32］

隨著微型零件需求量的增加，微型零件低成本批量制造技術(shù)成為急需解決的關(guān)鍵問題，因此高速高精度的微成形設(shè)備成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”，并已成功應(yīng)用于機(jī)床進(jìn)給、傳送以及磁懸浮列車等行業(yè)，是一種應(yīng)用前景廣闊的驅(qū)動(dòng)方式。德國Schuler公司研制了一臺(tái)基于雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微沖壓設(shè)備，采用滾珠直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，最大速度可達(dá)13.8 m/s，位移精度達(dá)到5.6μm，目前此種設(shè)備的最新型號(hào)的最大輸出力可達(dá)到 40 kN［22］。德國BIAS研究中心研制了一臺(tái)基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多功能微沖壓設(shè)備。該設(shè)備采用氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，可實(shí)現(xiàn)無摩擦高速運(yùn)動(dòng)，最大沖程次數(shù)可達(dá)1 250 SPM，最大加速度可達(dá)17 g，最大速度為3 m/s，位移精度誤差為3μm，并能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向雙軸工作，滿足了微型零件的柔性化制造要求［34］。英國Qin Y課題組研制了針對(duì)適合微型零件低成本批量制造微成形系統(tǒng)，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)理念和臺(tái)式框架結(jié)構(gòu)，分為成形系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)以及多工步模具裝置，選用空氣冷卻的直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式，最大輸出力達(dá)到3.5 kN，加載方向位置重復(fù)定位精度可到0.1μm，最大沖程次數(shù)為1 000 SPM，定位精度為5μm，特別適合于金屬箔類微型構(gòu)件的多工步微沖壓成形［35］。丹麥科技大學(xué)也研制了類似的基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微成形設(shè)備，最大沖程次數(shù)可達(dá)800 SPM，定位精度為3μm，最大輸出力可達(dá)5.5 kN［36］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了基于雙直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速高精度微成形系統(tǒng)（圖7），最大速度可達(dá)1 m/s，位移精度為0.25μm，沖程次數(shù)可達(dá)1 000 SPM，能夠滿足微型構(gòu)件高效率批量制造要求［37］。

基于MEMS領(lǐng)域微型零件的批量制造技術(shù)，日本機(jī)械工程研究所首次提出了“微型工廠”的概念，整個(gè)系統(tǒng)包括微型車床、微型銑床、微型壓力機(jī)以及微操作傳送與組裝裝置。微型工廠的空間尺寸僅為500mm× 700mm，能夠?qū)崿F(xiàn)微型模具加工、微型構(gòu)件成形以及裝配，顯著節(jié)約了能源和物理空間，成為微成形系統(tǒng)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)［38］。總之，目前微成形設(shè)備正朝著微型化和驅(qū)動(dòng)方式新型化的方向發(fā)展，特別是具有高速高精度、適合低成本批量生產(chǎn)的微成形裝備，已成為微成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。

圖7 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速高精度微沖壓系統(tǒng)Fig.7 Micro-stamping system with high velocity and high accuracy driven by linear motor

2.3 塑性微成形工藝方法研究進(jìn)展

微成形工藝主要包括體積微成形（微鍛造、微擠壓、微壓印等）和薄板微成形（微沖裁、微拉深、微彎曲等）等工藝方法。

2.3.1 體積微成形工藝

塑性體積微成形具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如原材料經(jīng)過微拉拔可得到直徑為幾十微米的線材，采用線切割、冷鐓和輪輾等工藝可制造出螺釘、頂桿等微型連接零件。日本的Saotome Y等采用閉式模鍛成形工藝，成形出了模數(shù)為0.1mm、分度圓直徑分別為1mm和2mm的微型雙齒輪，并組裝出減速比為1/128的微型減速裝置［39］。由于微型零件的尺寸小，在成形過程中的夾持和裝配十分困難，德國Engel U等利用自主開發(fā)的真空吸附自動(dòng)送料裝置，實(shí)現(xiàn)了微型零件高質(zhì)量快速成形［40］。香港理工大學(xué)傅銘旺等人采用金屬板材級(jí)進(jìn)模具實(shí)現(xiàn)了微小體積件高質(zhì)量成形（圖8），并深入研究了成形過程斷裂尺度效應(yīng)機(jī)理［41］。

圖8 體積微成形件［41］Fig.8 Micro-bulk forming parts［41］

體積微成形時(shí)模具型腔的特征尺寸非常微小，有的甚至只有幾十微米。例如，對(duì)于節(jié)圓直徑1.0mm，模數(shù)0.1的微型齒輪，齒頂部分模具型腔尺寸約為20μm，這給坯料的充填帶來很大困難。一是型腔的表面積與體積之比較大，模具對(duì)坯料的摩擦阻力較宏觀成形顯著增加；二是模具幾何尺寸較小，能夠承受的載荷有限，施加的載荷難以有效地作用于坯料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國際上首次提出了一種微型浮動(dòng)凹模的微成形方法和模具結(jié)構(gòu)，如圖9所示［32］。其中，由彈簧支撐的微型凹模能夠沿加載方向隨著凸模一起運(yùn)動(dòng)，改變了成形中模具對(duì)坯料的摩擦力方向，將阻礙坯料充填的摩擦阻力變?yōu)槔诔尚蔚姆e極摩擦力，有效地提高了材料的充填能力，并降低了成形載荷。此外，該裝置還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即將帶有齒形型腔的凸、凹模預(yù)先裝配在一起，并將下凸模固定在模具裝置的下部，這樣既解決了微小凸、凹模以及坯料定位和導(dǎo)向的難題，又可以將載荷通過下凸模全部施加在坯料表面，實(shí)現(xiàn)了微成形載荷的精確施加和控制問題。

圖9 浮動(dòng)式成形原理Fig.9 Principle of micro-forming with floating die

分別采用浮動(dòng)凹模和傳統(tǒng)固定凹模兩種模具進(jìn)行微型齒輪微成形工藝試驗(yàn)。在等溫成形條件下，當(dāng)成形載荷達(dá)到500 N時(shí)，采用固定凹模僅僅成形出微型齒輪的初步輪廓，此時(shí)再增加載荷也很難提高成形質(zhì)量；而采用浮動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)在相同條件下成形的微型齒輪，不僅齒輪各部分充填飽滿，表面質(zhì)量良好，而且使所需要的成形載荷也大幅度降低，僅為250 N左右。另外，浮動(dòng)式微成形方法成功應(yīng)用到微型雙齒輪和微型葉輪高質(zhì)量成形中［42-43］（圖10）。

圖10 微型齒輪件:（a）固定凹模，（b）浮動(dòng)凹模Fig.10 Micro-gears:（a）fixed female die and（b）floating female die

2.3.2 薄板微成形工藝

微沖孔成形工藝 在微沖孔工藝方面，針對(duì)在微電子、紡織印染、生物醫(yī)療以及航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的微孔類零件，各國學(xué)者開展了多方面的研究工作，取得了一系列重要成果。日本名古屋大學(xué)Mori T等采用SiC纖維微沖頭研究了微沖孔工藝，成功在厚度15μm的鋁、鈹銅合金以及不銹鋼箔上沖出直徑為14μm高質(zhì)量微孔［44］；并利用鎢合金陣列微沖孔模具分別在厚度為50μm的鋁箔、30μm的銅箔和20μm的不銹鋼箔上，沖出最小直徑為50μm的陣列微孔零件［45］。日本Aoki I等針對(duì)IC印刷電路板中陣列微孔類零件，在Y方向同時(shí)布置了10個(gè)沖頭，進(jìn)行了陣列微沖孔工藝試驗(yàn)，成功沖出直徑為 100μm的陣列微孔類電子插腳［46］。韓國Joo B Y等研究了金屬箔的微沖孔工藝，制造出深徑比為1，直徑分別為100，50和25μm微孔件［47］。結(jié)果表明，微沖孔技術(shù)能夠加工出微米量級(jí)的微孔。然而，在不銹鋼箔材上進(jìn)行直徑為15μm的微沖孔工藝時(shí)，沖頭發(fā)生折斷。分析表明，由于WEDG技術(shù)加工的微沖頭邊緣銳度較差，導(dǎo)致光學(xué)視覺定位裝置的極限偏心誤差為1μm，難以滿足微米級(jí)沖孔模具的同軸度要求，需要對(duì)微模具裝配技術(shù)開展進(jìn)一步研究。臺(tái)灣Chern G L將Vibration-EDM與WEDG技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到微沖孔工藝中，制造出高精度的微型多邊形陣列分布的微型沖頭，實(shí)現(xiàn)了金屬箔異型微孔的高質(zhì)量加工［48-49］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)研究了金屬薄板微沖孔工藝，提出了基于等離子濺射微沖壓模具表面拋光方法，利用Micro-EDM方法原位制造微沖孔模具和凹模，實(shí)現(xiàn)了最小直徑為50μm微孔制造，如圖11所示［50-51］。

圖11 微孔類零件:（a）300μm，（b）150μm，（c）100μm，（d）5μmFig.11 Micro-holes:（a）300μm，（b）150μm，（c）100μm，and（d）50μm

另外，為了提高微沖孔質(zhì)量，各國學(xué)者紛紛提出了微沖孔工藝的改進(jìn)方法。日本Takemasu T等采用超聲振動(dòng)微沖裁方法沖出直徑為130μm的微孔，與常規(guī)微沖裁工藝相比，微孔斷裂帶明顯減小甚至消失，斷面質(zhì)量顯著提高［52］。韓國Rhim S H等利用格林橡膠沖壓方法開發(fā)了一套柔性微沖孔工藝。該工藝中采用離子刻蝕加工的硅模具，分別在厚度為3μm的銅箔和1.5μm的鈦箔上沖出最小直徑為2μm的微孔，并實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的陣列微細(xì)孔加工，如圖12所示［53］。山東大學(xué)研究了激光沖擊微沖孔方法［54］。江蘇大學(xué)劉會(huì)霞采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合方法研究了激光驅(qū)動(dòng)飛片微沖孔工藝方法，成為一種重要的微沖孔方法［55-56］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用基于顯微視覺輔助定位的自動(dòng)送料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行間距為1.2mm，列間距為0.8mm，微孔直徑為0.4mm的4×60的陣列微孔類高質(zhì)量批量制造［37］。

圖12 陣列微孔［53］Fig.12 Micro-array holes［53］

微拉深成形工藝 微拉深是一種重要的薄板微成形工藝方法，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Hirt G等開展了黃銅箔微杯形件的微沖裁和拉深復(fù)合工藝研究，成形出質(zhì)量良好的微杯形件［57］。德國Vollertsen F系統(tǒng)研究了微拉深過程摩擦尺度效應(yīng)，為微拉深工藝優(yōu)化提供重要理論支撐［58］。為了減小摩擦力的影響，消除微拉深起皺，日本Manabe K研制了一套可提供液體背壓的微拉深實(shí)驗(yàn)設(shè)備，成功成形出直徑為0.8mm的微拉深杯［59］。臺(tái)灣Lin B T采用帶有微脊沖頭進(jìn)行微拉深工藝，發(fā)現(xiàn)帶有微脊沖頭表面能夠分散微拉深力，延緩金屬薄板材料破裂，使杯形件微拉深高度提高1倍［60］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了基于DLC膜表面改性微拉深成形方法。結(jié)果表明，DLC膜能夠明顯降低微拉深力，降低摩擦力的影響，實(shí)現(xiàn)了微拉深杯和錐形件高質(zhì)量成形（圖13）［61-62］。另外，國際知名公司如飛利浦、索尼以及西門子等研制出一系列微型零件，并已在MEMS領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微型構(gòu)件的高效率低成本批量化制造，哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了集自動(dòng)送料、輔助定位、落料、微沖孔以及微拉深于一體的高效、復(fù)雜、高精度封裝板級(jí)進(jìn)模具裝置（圖14a），開展了微沖壓工藝規(guī)律研究。結(jié)果表明，采用該復(fù)雜一體化級(jí)進(jìn)式微沖壓成形模具裝置，制造出了質(zhì)量良好的不銹鋼封裝板件（圖14b），成形效率超過1 100件/h［63］。

圖13 陣杯形件［62］Fig.13 Micro-cups［62］

圖14 不銹鋼封裝版件微沖壓工藝:（a）工藝路線，（b）不銹鋼封裝板件［63］Fig.14 Micro-stamping process of stainless steel package substrate:（a）　processing route and（b）　stainless steel package substrate［63］

3 塑性微成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，塑性微成形技術(shù)在基礎(chǔ)理論、設(shè)備、模具以及工藝方法取得了突破性進(jìn)展。然而，常規(guī)金屬材料的晶粒尺寸一般在10μm以上，與微型零件的特征尺寸在同一數(shù)量級(jí)，甚至在微型零件內(nèi)部僅有幾個(gè)晶粒，材料尺度效應(yīng)問題極大地影響了微型零件的成形性能和精度［64-65］，微成形技術(shù)在材料選擇方面帶來了新的挑戰(zhàn)。

3.1 超細(xì)晶材料微成形技術(shù)

與常規(guī)粗晶（Coarse-Grained，CG）材料相比，超細(xì)晶（Ultrafine-Grained，UFG）材料不僅具有更高的室溫機(jī)械性能，同時(shí)，在一定溫度下具有優(yōu)異的超塑性能［66-67］，特別適合于塑性微成形技術(shù)。UFG材料塑性微成形技術(shù)成為微制造領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

德國Engel U等［68］研究了UFG純銅微反擠壓工藝。結(jié)果表明，與原始CG材料微成形相比，UFG材料能夠改善成形件的形狀不均勻性和工藝分散性，有助于塑性微成形技術(shù)在微制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。韓國Kim W J等［69］采用ECAP方法制備出UFG鎂合金，利用微擠壓方法，成形出質(zhì)量良好的微型齒輪件。結(jié)果表明，成形的微型齒輪件齒形好，機(jī)械性能優(yōu)異，且成形件內(nèi)部組織仍然保留原有坯料的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。英國南安普頓大學(xué)的Qiao X G［70-71］分別利用 ECAP和 HPT方法獲得的UFG鋁合金，實(shí)現(xiàn)了微型換熱器零件的微壓印成形。結(jié)果表明，與原始材料試驗(yàn)結(jié)果相比，UFG材料能夠有效提高微小模具型腔的填充質(zhì)量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用ECAP和HPT方法制備了多種超細(xì)晶材料，系統(tǒng)研究了超細(xì)晶材料的微塑性變形行為，論證了超細(xì)晶材料在微成形技術(shù)中的潛在應(yīng)用［72-74］。在此基礎(chǔ)上，開展了超細(xì)晶純鋁微成形實(shí)驗(yàn)研究，在室溫條件下成形出了表面質(zhì)量優(yōu)異、機(jī)械性能均勻、形狀輪廓清晰的超細(xì)晶純鋁微型渦輪件，如圖15所示［75］。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了集自適應(yīng)調(diào)平、真空吸附以及脫模于一體的微壓印成形模具，解決了硅模具脫模難度大、使用壽命低等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了尺寸為5μm的陣列微通道高質(zhì)量可控成形［76］?？傊?，超細(xì)晶材料能夠明顯改善材料微填充質(zhì)量，提高成形件尺寸精度和穩(wěn)定性，特別適合應(yīng)用到塑性微成形技術(shù)中。

圖15 超細(xì)晶純鋁微型渦輪件［75］Fig.15 Micro-turbine of ultrafine-grained pure Al［75］

3.2 非晶合金微成形技術(shù)

塊體非晶合金是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新材料，除了具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能外，更重要的是在過冷液相區(qū)塊體非晶合金具有極好的塑性成形能力，在微成形技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。日本Saotome Y等率先將擁有“金屬玻璃”之稱的非晶合金材料應(yīng)用到微成形領(lǐng)域，成形出最小節(jié)圓直徑為50μm的微型齒輪［77］。美國耶魯大學(xué)Schroers J采用硅模具，利用熱壓印成形和剪切工藝制造出質(zhì)量優(yōu)異的Pt-BMG微型零件，如圖16所示［78］。大塊非晶合金材料在過冷液相區(qū)具有優(yōu)異的微模具填充能力，特別適合于微/納米成形技術(shù)。華中科技大學(xué)［79］、中科院沈陽金屬研究所［80］以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)［81］等研究機(jī)構(gòu)也相繼開展了非晶合金微成形技術(shù)研究，取得了一系列研究成果。但是，我國在BMG微成形技術(shù)方面的研究仍處于起步階段，在BMG微成形工藝方法、基礎(chǔ)理論以及質(zhì)量控制等研究方面還不夠成熟，這些理論和關(guān)鍵技術(shù)的突破對(duì)于拓展微成形尺度極限和實(shí)現(xiàn)納米成形具有重要意義。

圖16 微型非晶合金零件［76］Fig.16 Microparts of bulk amorphous alloy［76］

4 結(jié) 語

隨著世界各國學(xué)者研究的不斷深入，塑性微成形技術(shù)在設(shè)備、工藝以及基礎(chǔ)理論方面得到了快速發(fā)展。然而，隨著微成形技術(shù)的加工尺度范圍不斷延伸，特別是隨著尺度更小的新型微/納機(jī)電系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)和微零件的尺寸將從微米尺度延伸到納米尺度，使得建立在介觀尺度范圍的塑性微成形技術(shù)受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，一些新型材料，例如超細(xì)晶、納米晶材料、非晶合金等，逐步應(yīng)用到微成形技術(shù)中，成為目前塑性微成形技術(shù)發(fā)展的研究趨勢(shì)。

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（編輯 蓋少飛）

The State of the Art in Plastic Micro-forming

SHAN Debin，XU Jie，WANG Chunju，GUO Bin
（Key Laboratory of Micro-Systems and Micro-Structures Manufacturing of Ministry of Education，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract:With the rapid development of micro/nano science and micro-electro-mechanical systems（MEMS）technology，the requirements for micro-parts are quietly increased.Micro-forming is a manufacturing method using plastic deformation for the production of parts having at least two dimensions in the sub-millimeter range.Micro-forming becomes an attractive option in the manufacturing of micro products with high efficiency，simple process，excellent properties and high accuracy because of its advantageous characteristics for mass production with low cost.The background，application and advantages of the micro-forming are presented.The state of the art in micro-forming is summarized from the viewpoint of size effect，novel micro-forming machine，forming processes and methods.Finally，the development trends of micro-forming technology with new materials，such as ultrafine-grained materials and bulk amorphous alloys，are discussed.

Key words:micro-forming；size effect；micro-parts；ultrafine-grained materials；MEMS

中圖分類號(hào)：TG306

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962（2016）04-0251-10

收稿日期：2016-01-08

基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2012CB4102）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375111）

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.04.02