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微成形

/microforming/
条目作者单德彬郭斌
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单德彬

郭斌

郭斌

最后更新 2022-12-15
浏览 143
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采用塑性变形方式制造微型构件的工艺方法。微成形构件尺寸或其局部特征尺寸至少在两个方向上小于1毫米。

英文名称
microforming
所属学科
机械工程

微成形继承了传统塑性成形的优点,具有成形效率高、成本低、工艺简单以及成形构件性能优异和精度高等特点,非常适合微型构件的低成本批量制造。与传统的塑性成形工艺相比,微成形中微型构件的几何尺寸可以按比例缩小,而某些本质参数却保持不变,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行为发生了改变,使得传统的成形工艺方法不能依据相似理论(几何等比例缩放)应用到微成形领域。

根据成形对象的不同,微成形可分为体积微成形和薄板微成形。①体积微成形。主要采用微镦粗、微模锻、微模压和微挤压等方法,成形出微连接器、微弹簧、螺钉、顶杆、阀体、微泵和微型齿轮等微型零件。②薄板微成形。主要采用微冲裁、微弯曲、微拉深、微胀形和增量成形等方法,成形出一系列微杯形件、微型传感器外壳、纺织印染阵列、微喷部件等高质量微型薄板类零件。

在塑性微成形过程中,当试样的特征尺寸达到介观尺度(亚毫米或微米)时,试样自身的物理特性和内部结构发生变化,某些材料性能参数和成形工艺参数不符合相似理论等比例增加或减小,这种与试样几何尺寸相关的现象称为尺度效应。正是由于尺度效应的存在,基于宏观连续介质力学的塑性加工理论超出了微成形技术的适用范围。尺度效应成为微成形最基本的科学问题,同时也是限制微成形技术发展的关键因素。微成形材料选择方面必须考虑微成形中材料流动应力、非均匀变形、延展性、成形极限以及流动规律等多种因素的耦合作用。

微成形模具是实现微成形工艺的关键。随着微型构件微型化的加剧,对模具尺寸加工精度和表面质量提出更高的要求,传统的塑性成形模具设计规范已不再适用。微成形模具的材料需要满足高硬度、高耐磨性和优异的韧性要求,具有超细晶粒的碳化钨硬质合金、金刚石模具等被应用到微成形中。微成形模具加工方法主要包括微切削、微研磨、微细电火花、激光、刻蚀等方法,可以实现亚微米精度微成形模具制造。同时,为了提高微成形模具表面质量,基于离子束表面抛光、表面镀膜改性等方法逐步应用到微成形模具制造技术中,能够提高微成形模具表面质量和使用寿命。

微成形设备包括微成形用的微成形机以及成形过程中所需的夹持送料装置。对于某些塑性微成形工艺而言,其成形载荷低至几十牛到几牛、变形量低至几十微米到几微米时,具有高精度位移、载荷精确控制的微成形设备是实现塑性微成形的必要条件。除了依靠传统机械驱动机构精密化和微型化外,一些新型的驱动方式,比如压电陶瓷、直线电机等,也逐步应用到微成形设备中。另外,微成形过程送料、试样夹持以及在线检测也是实现微型零件批量化智能制造的关键。

利用微成形成形的各种微型构件已经成功应用于微型发动机、传感器和飞行器等微机电系统中。微成形技术在航空航天、能源、电子、生物医疗和军工等领域具有重要的应用前景。

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