面向微細制造的微成形技術

朱子勛　張煥煥

摘要：本文主要集中論述了面向微細制造方向的微成形技術，具體分析了當下微細制造技術工藝及其應用，論述了微成形技術的關鍵問題和技術，并探討了其未來的發展方向。

關鍵詞：微細制造；微成形技術

前言

產品微型化已經成為了我國工業發展中的新趨勢，不論是在電子制造還是微系統技術或者微機電系統方面，都有廣泛的運用，不過，目前，微成形技術也還存在問題，需要進一步研究。

1.微成形工藝系統

和傳統的成形工藝一樣，微成形工藝系統也由材料、成形過程、工模具、設備（包括工裝）四部分構成，見圖1。在微成形加工中同樣需要考慮工模具的設計、工藝參數的優化、材料的磨損及處理等問題，但其主要特點卻是由微小尺寸引起的微觀尺度效應決定的。簡言之，就是不能把宏觀工藝參數、結構參數、物理參數簡單地按幾何比例縮小應用到微成形過程中，因為微型化的影響波及整個工藝系統的各個方面。材料方面的影響主要表現在成形過程中的流動應力、各向異性、延伸率及成形極限等方面，這些都與材料的微觀晶體粒度及產品的微小結構有關；對材料的影響進一步波及到具體的工藝過程，成形力、摩擦、回彈、毛刺以及制品精度等都表現出與宏觀工藝不同的特性，甚至在使用有限元程序分析模擬中也必須考慮這些影響；在工模具方面主要是制造問題，即如何制造出小尺寸、高精度、內孔、外凸、復雜內腔的成形部件；對設備和傳輸裝備而言主要是沖裁和傳輸速度問題，以每分鐘300沖次的速度沖制直徑不到015mm的小孔，而又必須在012s內將其裝夾定位于下一步微米級精度的模具上將是極其困難的，微小零件與工裝的粘附作用更增加了操作過程的難度，可喜的是微機械的發展已經開始解決這一問題；此外，產品的微型化也帶來精度控制方面的難度，相關的測量手段也必須發展，且加工場地也有特殊要求。

2.微成形的主要研究問題和關鍵技術

經過各國學者數十年的研究和實驗，微成形技術已得到一定的發展，取得了一些矚目的成果。但要把該技術應用到實際工業生產中，還有一系列問題和技術需要得到解決。

2.1.微成形材料

在微尺寸下，材料的各種性質發生了變化，不能再用宏觀下的理論模型來解釋微成形過程中材料的變化。因此，需要通過實驗來研究微成形過程中材料晶粒、表面晶粒與內部晶粒尺寸，以及材料各向異性等性質的影響，建立微成形中的理論模型。

2.2.微模具的制造

雖然目前已經成功研制出了一些微模具，但是微模具的制造仍是制約微成形技術發展的一個重要因素。因為實在難以創建那么小的加工輪廓線，特別是要求光順飽滿表面質量的擠出模更難制造。另外這還跟加工機器的微型化有緊密的聯系。在傳統加工中可以忽略的車床零部件之間的間隙和齒輪間的間隙可能會嚴重影響零件生產的精密性。

2.3.檢測裝置

微成形技術對檢測技術的發展也是一個極大的挑戰。現代檢測技術都十分復雜，如何高效、準確的檢測微成形中的變化量是微成形技術的又一個研究方向。

2.4.工作、存放環境

如此小的尺寸和微米級的公差對零件的加工和存放環境也提出了很高的要求。這又是對微成形技術經濟性的一個重大考驗。

3.微細電火花加工技術

3.1.概述

微細電火花加工是在絕緣的工作液中，通過工具電極和工件間脈沖放電產生的瞬時、局部高溫來熔化和汽化金屬的加工技術，電火花加工過程見圖2。電極和工件都置于絕緣介質中。當電脈沖加載工件和電極時（圖1a），電子和離子分別向陽極和陰極移動，導致電極和工件間的絕緣層擊穿目前，微細電火花加工技術根據電極形式，可分為微細線切割、微細成形和微細輪廓加工3種方式。微細線切割采用20 μm或30 μm的鎢絲或其合金，從金屬薄板上加工切割微細零件。這種方式的優點是以少量的材料去除，直接加工微細零件。缺點是被加工形狀的最小半徑受細線的直徑限制，加工中空形狀時，細線穿孔難度大；為保障加工中不產生斷裂，對細線的張力和加工狀態控制要求很高。微細成形電火花加工是采用微細成形電極在微細電火花加工機床上，通過檢測加工狀態，調整電極與工件間的間隙，將微細成形電極的形狀拷貝在工件上。這種方法的關鍵點是微細成形電極的制備，通常采用LIGA技術或類似方法制作微細電極。這種方法可一次性加工多個微細性形狀。 微細輪廓加工是采用單純形狀電極，如圓形或方形電極，通過控制其加工軌跡，完成微細形狀的加工。

3.2.LIGA加工技術

3.2.1.概述

LIGA是德文Lithographie（深度X射線刻蝕）、Galvanformug（電鑄成形）、Abformug（塑料鑄模）的縮寫，即將深度X射線刻蝕、電鑄成形和塑料鑄模等技術結合起來的微加工技術，它最大的特點是能加工高深寬比的微結構3.2.1.1.利用同步輻射X射線（射線來自同步加速器，波長大約為0.1——1 nm ），通過掩模板對固定于金屬基底上的厚度可達幾百微米的X射線抗蝕劑層進行曝光；

3.2.1.2.將其顯影制成初級模板；

3.2.1.3.將所需金屬電鑄在初級模板光刻膠圖形的空隙里，直至金屬填滿整個光刻膠圖形的空隙中，直到將光刻膠浮雕完全覆蓋；

3.2.1.4.對抗蝕劑形成的初級模板進行腐蝕剝離，得到金屬微觀結構；

3.2.1.5.將電鑄制成的金屬微觀結構作為二級模板，將塑性材料注入二級模板的型腔，形成微型塑件，這時作為二級模板的金屬微觀結構就是一個微型模具的型腔；

3.2.1.6.可用形成的微結構塑件作為模板再進行電鑄成形金屬部件，也可取出微結構塑件作為得到的最終制品。

4.結束語

綜上所述，隨著我國科技的進步，以及研究的深入，微成形技術將會取得更大的突破，微成形技術將會朝著更加科學的方向發展，高品質、高效率生產將成為可能。

參考文獻：

[1]岳燦甫.金屬粉末激光微成形實驗的研究[D].北京工業大學，2010.

[2]耿艷青，譚險峰.微塑性成形技術的研究進展[J].熱加工工藝，2012，01.