微塑性成形機理及精密微塑性體積成形裝置研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)和微系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，對微型零件的制造技術(shù)提出了更高要求，這給精密微塑性成形技術(shù)的發(fā)展帶來契機。該成形技術(shù)是以塑性變形方式制造微型零件的工藝方法，非常適合于微型零件的低成本批量制造，但由于成形件尺寸或特征尺寸為亞毫米級或微米量級，出現(xiàn)了明顯的尺寸效應(yīng)，與傳統(tǒng)的塑性加工工藝不同，其成形機理和材料變形流動規(guī)律發(fā)生了改變，微塑性成形技術(shù)是一個嶄新的研究領(lǐng)域。
　　本文建立了基于晶體塑性學(xué)理論的多晶體模型，揭示了材料微塑性成形

2、機理，使用壓電陶瓷微驅(qū)動器研制了精密微塑性體積成形專用設(shè)備，開展了微塑性成形尺寸效應(yīng)的實驗研究，并以微型齒輪作為典型零件系統(tǒng)地研究了微型零件的微塑性成形工藝，解決了制約微塑性成形工藝的關(guān)鍵技術(shù)。
　　從材料的多晶體結(jié)構(gòu)角度，基于晶體塑性變形理論建立了多晶體模型。根據(jù)位錯塞積程度和晶粒變形受約束程度的差異將變形體分作兩部分：位于自由表面的單晶體區(qū)和變形體內(nèi)部的多晶體區(qū)。位于變形體自由表面的晶粒變形采用晶體塑性學(xué)理論來分析，而內(nèi)部材料

3、采用宏觀塑性變形理論分析。使用建立的多晶體模型對微型圓柱試樣的鐓粗變形過程進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了試樣尺寸、晶粒初始取向分布等對試樣流動應(yīng)力和表面形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明，試樣的流動應(yīng)力隨試樣尺寸的減小而減小，出現(xiàn)了明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象；試樣的變形不均勻性是由試樣晶粒的各向異性引起的，導(dǎo)致了變形試樣表面凹凸不平。
　　采用壓電陶瓷作為微驅(qū)動器，研制了串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的精密微塑性體積成形裝置。設(shè)計了位置調(diào)節(jié)機構(gòu)用于壓電陶瓷位置調(diào)節(jié)，同時還可以

4、滿足某些成形工藝中對較大位移量的需要。使用基于PID控制的壓電陶瓷電源，針對微塑性成形設(shè)計了成形工藝控制器。對研制的精密微塑性體積成形裝置進(jìn)行了測試和分析，結(jié)果表明該裝置能夠滿足微塑性體積成形研究的需要。
　　使用微鐓粗實驗方法進(jìn)行實驗研究，分析試樣尺寸、晶粒尺寸、變形程度和變形溫度等參數(shù)對材料流動應(yīng)力的影響規(guī)律，并從材料的多晶體結(jié)構(gòu)角度對流動應(yīng)力尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的機理進(jìn)行了分析。采用金相方法，分析晶粒尺寸和變形程度對塑性變形不均勻性

5、的影響規(guī)律，并從晶粒的各向異性角度研究其產(chǎn)生的機理。
　　模具型腔的尺度也會對微成形工藝帶來尺寸效應(yīng)。本文采用模壓成形工藝，研究了模具型腔尺寸（b）、晶粒尺寸（L）以及它們的比值 L/b對充填性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，比值L/b是影響材料微充填性能的主要因素。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上，開展了微型齒輪的微塑性成形工藝研究。使用研制的浮動式模具裝置，研究了微型齒輪的微塑性成形過程，分析了沖頭速度、載荷和溫度等工藝參數(shù)對微塑性成形