精密体积塑性成形技术的现状和发展趋10.doc

精密体积塑性成形技术的现状和发展趋势一、现状随着高新技术的迅猛发展，微机电系统（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）和微系统技术（micro-system technology，MST）等由于具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点，在民用和军用诸多领域备受青睐。这些技术的兴起和广泛应用，增大了对微型零件的需求量，对微型零件的制造成本和效率提出了更高要求。传统的微型零件制造工艺，如IC工艺和LIGA技术等，无法满足实际生产中对加工材料的种类和生产效率的需要，从而促进了微型零件制造新工艺的发展，微塑性成形技术就是其中最重要的加工工艺之一。 微型零件的加工技术在MEMS和微系统等技术中占有重要地位。现有的微细加工技术是在微电子集成电路工艺（IC）的基础上发展起来的，加工微型零件主要使用硅材料。IC工艺适合于微细化和批量生产，工艺已实现了自动化。但是其生产周期长，成本高，可加工的材料种类较少，并且只能加工准平面的微型零件，从而制约了它在微型零件加工方面的发展。随后，出现了多种新的微细加工技术，其中具有代表性的有以下几种： LIGA（Lithograthie Galvanoformung Abformung）技术是X射线深层光刻、微电铸和微塑铸三个工艺的组合。该技术的优点是能够制造出复杂的三维微型零件，成形的零件有较大的深宽比，最大可达100以上，厚度为几百到上千微米，并且沿深度方向的直线性和垂直性非常好，表面质量高。使用该技术可以加工有机高分子材料、各种纯金属和陶瓷等，并且可以利用微复制工艺进行微型零件的大批量生产。德国美茵茨微技术研究所（Institutfr Mikrotechnik Mainz）将LIGA技术和精加工技术相结合，成功制造出齿高80m、总高约为550m的二阶微型齿轮组。该所还使用LIGA技术研制出微型齿轮行星减速器，成功地将微型齿轮用于液体的精确调控。中国科学技术大学国家同步辐射实验室利用LIGA技术成功制造出直径为400m的微型齿轮活动部件。此外，上海交通大学等单位也在LIGA制造技术方面开展了较多的研究工作。然而，由于采用光刻技术使得LIGA技术很难应用于倾斜面、复杂三维曲面的微细三维加工，并且使用的同步辐射X射线源比较昂贵，因而极大地限制了该项技术的应用范围。 为了避免使用昂贵的同步辐射X射线，出现了DEM（Deepetching，Electro-forming，Microreplication）技术。DEM使用深层刻蚀工艺来代替同步辐射X射线深层光刻，然后进行后续的微电铸和微复制工艺。采用该技术可以制造非硅材料高深宽比的微型零件，并且成本低，有望成为一项全新的三维加工技术。一些传统的加工技术通过尺寸缩小可以用来加工微型零件，如电火花加工、激光加工、车削和磨削等加工技术。微细电火花加工技术是利用工件与微电极间脉冲放电产生的瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化，来达到加工的目的，使用该技术可以加工出几十微米甚至更小的微型零件。哈尔滨工业大学赵万生、王振龙教授等人在微型零件的微细电火花加工工艺和加工设备方面开展了大量的研究工作，加工出?4.5m的微细轴和?8m的微细孔，达到了世界先进水平。该技术的不足之处是加工效率较低。激光加工可以加工尺寸很小的型腔，并可以用于易碎和难加工材料的加工，只是加工后的表面需要再处理。在机械加工方面，哈尔滨工业大学精密工程研究所梁迎春教授将微细铣削技术应用到微型零件加工中，孙涛教授等人使用原子力显微镜实现微齿轮的加工，并成功刻画出微齿轮。 此外，化学各向异性刻蚀技术等也可以用于微型零件的加工和制造，但是其应用的范围有限。上述微型零件微细加工技术可以加工出尺寸非常小的零件，但在加工效率、制造成本等方面存在不同程度的不足。因而开展效率高、成本低的微塑性成形技术研究就显得尤为必要。二、发展趋势与传统的塑性成形工艺相比，微塑性成形中微型零件的几何尺寸等可以按比例缩小，而有一些材料参数却保持不变，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性能发生改变，使得传统的成形工艺方法不能通过等比例缩小应用到微塑性成形领域。因而，研究微观尺度下材料的塑性变形规律，揭示微塑性成形机理，成为微塑性成形技术的重要研究方向之一。同时，微塑性成形中塑性变形区的尺寸接近晶粒尺寸，材料微观组织的不均匀性导致微塑性成形的不均匀性更为突出，也成为一项重要的研究。 同时微塑性成形技术不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一个崭新的研究领域。微塑性成形是在亚毫米或微米量级发生的，塑性变形区的大小接近晶粒尺寸，材料的微观组织结构对材料微塑性成形性能的影响比对宏观塑性变形的影响显著，建立在宏观连续介质力学基础上的塑性变形理论不能对微塑性成形中出现的现象如尺寸效应等给予很好的解释。同时，零件尺寸的微小化给微塑性体积成形装置、模具制造和装配以及成形件的分析和测试等提出了更高要求，传统的塑性成形设备和工艺方法已经不能满足微塑性成形的需要。因而，开展微塑性体积成形装置和成形机理方面的研究就显得尤为迫切。三、复合铸塑技术“原型复制”（Paradigm Shift）一词，曾经有一段时间在文献资料和专业词汇中频繁出现。值得庆幸的是，该词汇使用不长时间便消融在网络世界里，但它却给塑料制品工业指出了一条新路。Paradigm Shift模糊了原型制造和批量生产两者之间的界限，于是出现一个新术语快速原型制造（Prototyping）。 这类新技术及其相应设备在大大加快产品投入市场速度的同时，也降低了塑料原型制造和批量生产的成本，免除了制造注射模具那一套昂贵、费时的工艺。 这种复合铸塑技术运用传统的、廉价的快速制造（RT）模具，能使纤维增强尼龙6的模制过程象将环氧树脂和尿烷浇铸加工成塑料一样简单。到目前为止，这种RT技术仅仅被用于将原型制造成塑料部件或者模型。然而，复合浇铸技术及其相关设备在短短一天内，却可能利用CAD存储的数据进行尼龙6产品的大规模生产。采纳这种新技术对生产厂商的意义在于，它能够大大缩短生产过程，这对尼龙6的应用而言是一个不小的进步。 尼龙6在汽车部件中应用非常广泛，比如进油管、阀门盖、水泵、散热片以及风扇罩等等，它还用于电动工具的手柄、仪表盘和机壳。制造程序通常以CAD资料形式由原型服务中心开始，服务中心又将这种设计资料翻译成STL信息，最后再被译成SLA、SLS、LDM或者FDM中的一种资料形式。 传统注射模具的投资一般会达到6位数字，这个投资无论是对小型或者是中型规模的生产商来说都是天文数字。但这些模具的昂贵是可以理解的，因为它们需要能够承受极高的压力。有了注射模制技术，塑料粒子先被熔融，然后在极高压力的作用下又被压入模具腔体内。一旦固化，这个成型完好的产品即被脱模。在这种工作方式下，产品的质量得到了保证，但是为此却付出了巨大的资金和时间代价。塑料注射设备及其复杂的辅助设备比如热流道（包括喷嘴、加热器、多管热电偶、活塞及阀杆组件）的购置和维修都极为昂贵，而将它们投入道较小规模的生产过程也是得不偿失。 很显然，利用注射成型的新产品推向市场的巨额花费限制了塑料零部件的应用和推广。即使金属RT（直接来自CAD资料）的替代技术到目前为止证明也只适合于少量的注模零件。复合铸塑是一种快速原型制造的专利技术，用于模制纤维增强尼龙6结构及其他热固性树脂。该技术所使用的设备是复合铸塑过程取得成功的必要条件。如果没有合适的分散设备，这个生产过程就无法完成。获取应有的技术许可和设备后，塑料厂商或者快速原型服务中心可直接把CAD资料转化成纤维增强尼龙6的结构零部件。复合铸塑技术的生产周期仅需一天。 这个短暂的工作周期是以CAD资料制造模具开始的，模型的制造（使用SLA、SLS、FDM资料）通常用与浇铸尿烷模型的传统材料完全相同：橡胶、塑料、熟石膏和砂子。 下一个步骤只是简单地将传统负离子聚合方法应用到纤维增强尼龙6的生产中。用一台纤维增强尼龙6分散设备将单体已内酰胺掺混到经过活化剂处理过的尼龙6中。当这种合成淤浆被加热到140150时，再用搅拌器将玻璃纤维增强材料加入进行混合。为了促使聚合作用并使零部件的浇铸一次获得成功，催化剂将由另外一个加热器中注入。催化剂的注入是在已内酰胺进入模具之前以正确的比例自动注射到活化过的纤维增强已内酰胺流里。 因为材料已被分散，所以胶化作用早就开始了，而且混合物渐渐变浓直至稠浆状态。一旦到了这种状态，就不可再将纤维增强材料注到悬浮液中。机器再将温度已达到140150的纤维增强尼龙6材料直接输送到模具内，纤维增强尼龙6在数秒时间内可以成型。 这种技术的灵活性以及可选择的分散设备允许将单件RP的单台分散设备扩充成为大规模的零件生产。 复合铸塑技术也无须注射模制中使用的塑料粒子。就拿增强尼龙6来说，预先的混合步骤将尼龙6加热到玻璃纤维可加入的松软程度。这不但节约了时间，而且也节约了生产成本 。复合铸塑设备的效率很高，批量生产的完成要比注射设备的速度快得多。因为复合铸塑模具所发生的费用很少，在这种技术中使用多模具的操作将会变得更加经济可行。单个转盘上可安装的模具数量达30对之多，而分散设备在每个模具经过它时由其喷嘴将所有模具依次加满。由于拥有每秒一磅的加料量以及可快速加料的多重模具，即使是在批量生产中，也能使其生产速度比注模设备的速度快60之多。 按最保守方法计算，这种加工方法中模具的研制成本只有钢制模具的8090。另外，购买复合铸塑设备的成本最