摘要：随着电子、生物以及微机电系统的发展，轻、薄、短、小与多功能化的各类产品不断涌现，相应的对微细塑性成形工艺的研究得到各国的重视，本文介绍了微细塑性成形工艺的基本概念，并从工艺实现角度详细介绍了该领域的关键问题和最新进展，并对该技术未来的发展方向提出了自己的想法。
微细塑性成形是指成形零件尺寸至少有两维在毫米以下的塑性加工[1]，随着电子、生物、医疗器械以及微机电系统的发展，轻、薄、短、小与多功能化的各类产品不断涌现，相关的金属零部件也不可避免地日益趋向微细化，微锻造、微冲压等金属微细成形技术成为目前塑性成形工艺新的发展方向。
目前对微细塑性成形工艺的研究目前主要是从以下几方面进行的：微细塑性成形工艺的制定，微成形模具设计、制造，微成形装置，微成形模具和零件的测量与检验。当坯料尺寸减小到微细尺度时，坯料的性能包括流动应力、各向异性、塑性和成形极限等与宏观尺度相比发生很大变化;成形工艺本身也会出现尺寸效应：成形力、摩擦力、回弹量的大小都会与坯料尺寸相关;相应的微成形模具和装置的设计要求也与传统塑性成形设备有很大不同。这就给相关研究人员提出了一系列新的研究课题。
1 材料成形性能的尺寸效应
微尺度下的材料的一些力学特征表现出与宏观尺度不同的特点，在宏观尺度下与试样尺寸无关的一些力学参数在微观尺度下是与试样尺寸相关的。
Miyazaki、Kals、Kocanda、Geiger等[2-6]对不同材料进行的单向拉伸实验中发现随着试件尺寸的减小，材料的流动应力也随之减小，这类尺寸效应称为第一类尺度效应。Geiger提出表面层模型来解释这一现象：试样尺寸减小，表面层晶粒所占的体积百分数增加，由于表面层晶粒所受的约束与内层晶粒相比要小，所以材料整体流动应力就会降低。
当试样尺寸减小到与材料内禀尺寸同一个数量级时，材料表现出与第一类尺度效应相反的现象：Fleck[7]等在微扭转实验中发现无量纲扭转硬化率比宏观尺度增大了3倍;Stolken[8]等在薄梁弯曲实验中发现无量纲的弯曲硬化率随着梁的厚度减小而显著增加，这种尺度效应被称为第二类尺度效应。Geiger等人通过视塑性方法对实验现象进行了解释：在多晶体材料中，当试样特征尺寸与晶粒尺寸在同一数量级时，试样横截面内每一个晶粒都会发生塑性变形，而不会因为晶粒自由取向的有利与不利而选择性地发生塑性变形，这样又会导致板料的相对最大弯曲力和屈服应力上升。
除了上述尺寸效应以外，微细成形中晶粒尺寸和晶粒的方向差异还导致了不同晶粒变形的非均匀性和零件尺寸和性能的离散性，从而影响零件质量的稳定性。在加热状态下晶粒有利于变形的方位会增加，可能会改善尺度效应和变形的不均匀性，Engel进行了温成形(20-300℃)实验[9]，发现坯料变形过程中会发生硬化，但不会发生再结晶，可以改善流动应力，使坯料变形后硬度分布均匀，降低成形工艺的离散性。Balendra[10]等人还研究了非晶材料的加热辅助微成形，通过激光局部加热，对坯料进行局部加热，以降低成形力，提高材料成形极限。
利用材料的超塑性也可以改善材料的微细成形性能，超塑性成形温度在材料熔点0.5-0.7倍范围内，在该温度区间，坯料在低应力下可以获得大变形，超塑性微成形与常规材料的微成形相比具有更好的微成形性[11]。目前对于超塑性微成形，还需要进一步研究压力、温度和时间对微成形性能的影响。
开发新材料不断克服尺寸效应对微细塑性成形性能的负面影响，也是目前微细成形工艺研究的一个方向，适合进行微细塑性成形的材料是近年来材料科学研究中比较活跃的一个分支——大块非晶合金，非晶合金是指固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列，由于非晶合金没有晶粒组织，不会有常规微成形的尺寸效应，将其应用于微细塑性成形领域，具有更大的优越性。非晶合金在常温下的强度、硬度、冲击断裂性能及耐腐蚀性方面与晶态合金相比具有明显的优势，在合适的加载温度和加载时间内，具有优异的成形性能。目前对非晶合金微细塑性成形技术的研究主要集中于非晶合金过冷液相区流变行为[12]
图1 非晶合金的过冷液相区
非晶合金与晶体金属在加热过程中物态变化的不同过程，如图1所示。金属晶体在熔点附近由固态转变为液态，而非晶合金在熔化以前还要经历过冷液相和晶化两个阶段，在一定的应变速率下，非晶合金在过冷液相区的塑性变形满足牛顿流动规律。
2 材料摩擦力的尺寸效应
成形过程中坯料与模具的摩擦对微细成形工艺有很大影响，Tiesler等[13]第一次对摩擦的尺寸效应的研究是圆环镦粗实验，通过按比例缩小试样，可以得出随着试样的减小，摩擦力增加; Engel【14】通过双杯挤压实验详细研究了微摩擦效应，证实了上述结论，双杯实验，如图2所示。试样直径从4mm到0.5mm，高径比为1，材料的流动应力根据镦粗实验获得，摩擦表面形貌通过表面粗糙度测量仪来获得，在实验中分析与微细成形摩擦相关的关于接触表面的信息，通过对实验过程的分析可知，在液体润滑条件下的摩擦有开放和封闭润滑坑两种状况，如图3所示。在挤压过程中摩擦系数跟工件与工具接触表面之间的封闭润滑坑在整个表面所占比例有关。当坯料尺寸减小时，接触面之间的润滑坑所占比例就会减小，由此导致工件与工具接触面上的摩擦系数增大。
图2 双杯实验 
图3 开放和封闭润滑坑摩擦机理 3 微细塑性成形工艺研究中有待解决的若干问题 微细塑性成形工艺包括微挤压、微拉深、微细超塑性成形等，微细塑性成形工艺的尺寸效应主要体现在成形坯料的大小及晶粒尺寸和方位等对成形力的影响;同时，还必须考虑成形零件的尺寸精度和机械性能的尺寸效应。杆件复合挤压零件成形后杯壁边缘的几何形貌，如图4所示。在微细尺度下，不同晶粒的变形程度各不相同造成零件不同部位的硬化程度的不同，所以零件边缘可能会参差不齐，零件不同部位的机械性能不同，不同零件的机械性能也不同[14]。坯料和零件的装夹和定位也是微细成形工艺中的关键问题之一，在微细尺度下，夹具对坯料和零件的表面吸附力可能大于坯料和零件的重量，这样零件和坯料可能不会从夹持装置中自动掉落;模具在微细成形装置中的装夹和定位精度在几个微米之内，坯料放置的位置误差要求也很高。微细成形模具和零件的微细轮廓的测量也是一个亟待解决的难题。 
图4 杯杆复合挤压零件 4 微细成形装置的设计 中国塑料模具网 在微细塑性成形过程中出现了一些新的规律和特点，成形零件尺寸的微小化导致了很多在传统塑性成形不会发生、也不需要考虑的新的物理现象，在微细塑性成形工艺中成为影响微细零件质量的主要因素。通过对微细塑性成形工艺的研究，获得对塑性成形规律的认识以后，才能设计出有效的微细成形装置。对微细成形装置的研究应该分三步进行：首先要在现有设备的基础上进行微细成形的实验研究，现有设备应用于微细成形工艺的不足通过模具设计来弥补;然后，结合具体的微细成形工艺，设计和开发专用的微细成形装置;最后，随着对微细成形工艺研究的深入和系统化，进一步改进专用的微细成形装置，使其能够应用于工业生产。 微细成形装置的研究已经取得了一些进展。日本学者S.Kurimoto[15]研制的一套用于非晶材料微细成形的反挤压系统，如图5所示。他利用该装置进行了超塑性材料和非晶材料的微挤压工艺的研究;日本学者T.Nakamura[16]研制的一套计算机控制的板料渐进微成形系统，用于成形各种微小壳形件，如图6所示。美国西北大学Jian Cao等[17]设计开发的冷挤压成形装置，如图7所示。Jeong[18]开发了一套激光微成形系统，在真空状态下，通过激光局部加热，使非晶态金属处于过冷液态下，通过弯曲和扭转，实现三维微细零件的无模加工，该工艺加工的零件，如图8所示。国内哈尔滨工业大学开发出了宏观移动和微观移动相结合的精密微细成形系统，在该系统下，进行了多种微细塑性成形工艺的研究[19]。 目前微细成形装置的发展主要是针对具体工艺开发的专用实验设备，远没有达到工业大批量生产的要求。 
5 微细塑性成形模具的设计和制造 中国塑料模具网 随着对微细塑性成形工艺认识的不断深入，微细塑性成形模具的设计技术将逐渐成熟。目前微细模具的制造技术主要有以下几方面的进展：首先是传统机床的微型化，各国的研究者已经开发出了微型加工机床，美国伊利诺斯州大学和西北大学开发的微型车床和微型磨床，如图9所示;其次是激光加工技术的发展，瑞士喜诺发公司开发的微水刀激光装置[20]，，如图10所示。还有MEMS中的微细加工技术的应用，如利用光刻方法加工Si和Pd材料，该方法对模具几何形状和模具材料都有一定限制。 
图9 微加工机床 
图10 微水刀激光加工装置 6 结束语 目前对微细成形的研究已经取得了初步的成果，微细成形的发展方向是开发新的微细成形工艺，开发微细三维轮廓的精确测量测量技术，设计制造微细成形装置，满足随着产品微型化趋势而必然出现的对微细塑性成形零件的需求。 |