微型H62黄铜圆柱体加热镦粗实验研究

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微型H62黄铜圆柱体加热镦粗实验研究

李凡国，童国权

（南京航空航天大学 机电学院 南京 中国210016）

E-mail：leego113@4da22effc8d376eeaeaa319c

摘 要：微成形是微细加工技术群体中的一项技术。由于尺寸效应的影响，微成形比传统的塑性成形更为复杂。研究表明：零件微型化导致了尺寸效应，使传统的塑性加工工艺不能直接应用于微成形，材料不能再看作是均质的，而提高温度进行加工有可能抵消掉非均质材料特性。本文通过H62黄铜（直径从0.5到4mm)的加热镦粗实验，其结果与冷成形时进行比较，表明温度影响成形结果，加热使得材料流动趋向于均匀,流动应力降低，因此微成形能通过提高加工温度改进成形结果。

关键词：微成形，镦粗，温成形，流动应力，尺寸效应

中图分类号：TG316.1+1 文献标识码：A

引言

随着微型零件的需求量不断增大，20世纪90年代出现了将传统塑性加工工艺应用于大批量微型金属元件制造的微成形技术。微成形是指以塑性加工的方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术[1]。这一技术具有极高的生产效率、最小或零材料损失、最终产品优秀的力学性能等特点，特别适合于近净成形或净成形产品的大批量生产。根据文献[2]的观点，微型化产品包括微零件(Microparts) 、微结构零件(Microstructured Components) 和微精度零件(Microprecision Parts) 三类。微零件可理解为具有低于毫米级的内部特征形状,而外形只有几毫米的微小零件;微结构零件的外形在几毫米到几厘米之间,但在其一个或几个面上嵌有微米级甚至纳米级的微细结构零件;微精度零件一般指高精度零件,其外形及内部特征具有微米级的几何公差,尺寸精度小于1%。微成形技术主要适用于成形微零件和微结构零件。精密微塑性成形技术可以采用各种塑性加工方法，如冲裁、拉深、挤压、锻造、模压和弯曲等，精密成形各种复杂形状的微小零件，零件的尺寸可以达到500nm到500μm范围，特别适于微机电系统（MEMS）器件的制造。由于成形件的强度高、表面质量好、尺寸精度高，而且工艺简单、生产效率高、成本低，微塑性成形技术在微型器件的批量制造方面显示出巨大的潜力[3]。我国在金属微成形技术方面的研究目前还处于起步阶段，主要是结合MEMS技术的研究，但已日益受到重视，近几年这一领域发展较快。

1微成形及其应用

由于尺寸的微小化，金属成形不再是以前简单的金属塑性加工，具有独特的特点。当材料的微观结构的绝对尺寸、工具和坯料的表面粗糙度以及坯料与工具间的润滑状态保持不变，金属工艺按比例缩小到微小尺寸时，金属的成形行为会发生一定的变化，除了工艺参数的影响外，导致这些变化的主要原因在于材料流动规律对坯料尺寸的敏感性（表现出明显的尺寸效应），由于成形件尺寸极其微小，成形件的表面积与体积的比值大幅度增加，引起的“尺寸效应”使得微塑性成形工艺的某些特性与传统塑性成形工艺相比发生了很大变化。研究结果表明尺寸效应对材料的塑性变形行为、流动变形规律和摩擦行为等均有较大的影响，并且几乎在所有的塑性成形工艺中都表现出明显的尺寸效应，但是随着不同加工变形方式而有所变化。它对金属的流动行为及摩擦产生影响。到目前为止,对微成形中的

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尺寸效应还没有一个明确完整的定义, 概括地讲,尺寸效应就是指:在微成形过程中,由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象[4]。

一般认为温成形的变形温度是在室温以上完全再结晶温度以下的温度范围内。由于温成形兼有冷成形表面质量高和应变硬化以及热成形低成形力和大变形的优点[5]，研究材料流动的基本实验主要有拉伸和镦粗实验。由于受到颈缩的限制，拉伸试验不能获得大变形量下的数据，因此，不能精确描述大变形条件下材料流动及流动应力特点，而实际塑性成形工艺中的变形量往往很大，导致拉伸所得数据适用范围有限。镦粗实验能够获得很大变形量下的数据，可以较为精确地描述大变形条件下材料流动及流动应力特点。因此，为了获得较大变形量下的数据，以更好地指导微成形工艺及模具设计，这里采用镦粗实验。

°

本文对H62黄铜在室温下和250C的温成形镦粗实验研究，拟通过温成形来改善材料综合机械性能，降低塑性和流动应力。

2 H62黄铜微成形镦粗实验研究

在具体的试验研究中,为了避免各种工况条件的影响,仍然采用基本的材料性能测试试验。判断是否存在尺寸效应的标准是:根据相似性原理[1],所有的样件和工具尺寸都要乘以几何比例因子λ,时间的比例因子是1,工具的速度也按λ比例变化。在理想状态下,如果不存在尺寸效应,同一材料的应力应变状态是相同的,如果应力及载荷的大小或应变的分布与理想状态不同,则被认为是由于尺寸 效应引起的。在成形工艺中,描述材料变形行为的参数是流动应力和变形曲线(即应力应变变化关系) ,因为这些参数直接影响到成形力。其中使用聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为润滑剂，分别在试样的上下端面放一层，厚度S=0.08λ。 2.1 实验方法及设备

在金属塑性成形理论中,较普遍地采用对数应变来表示流动应力—应变曲线,因为对数应变反映了瞬时的变形,比其他应变更能真实地表示试样的变形程度,因此,用对数应变表示的流动应力-应变曲线更具有普遍意义。在本镦粗实验中，使用位移精度为1μm，载荷精度为0.5%的微机控制电子万能拉伸-压缩实验机，每组的下压速率恒定，下压力随着变形量改变，由于设备中有位移传感器及载荷传感器，通过传感器分别测出变形量和下压力，传给计算机，运用下面的公式计算出真实应力及真实应变，做出真实应力-真实应变曲线，即流动应力-应变曲线。

实验时此拉伸-压缩机中应用了一套夹具装置，夹具圆盘上的孔与杆件相配合，把试样放置于夹具中间，通过上杆拉伸带动夹具上移，从而进行镦粗实验。夹具图如下图1。

在图1中，1、2、3、4为相同的圆盘，5、6、7、8为相同的顶杆。杆5、6与圆盘3为过盈配合，与圆盘1为间隙配合；杆7、8与圆盘2为过盈配合，与圆盘4为间隙配合，在杆的端部有螺钉把杆和圆盘紧固。圆盘1和4的中间分别有孔与连杆相连接。镦粗实验中，圆盘4和顶杆7、8是固定不动的，与拉伸压缩机相连的连杆牵引圆盘1并带动3和顶杆5、6向上运动，而试样是放置于圆盘2和3之间，在实验机拉伸过程中，这样就可以进行镦粗实验了。

本实验选取H62黄铜，经过560°C真空退火处理后，已等比加工成样件（直径分别为0.5mm，1mm，2mm和4mm,高径比为1.5:1），此实验的简易示意图如图2：

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λ=1

2

3

8

7

6

5

1

图1夹具图 图2镦粗实验简易示意图

2.2 实验结果

真实应变和真实应力公式：

P

A eε

σ=0

ln

H

H H

ε=?

??

式中Ｈ0———试件的初始高度

Ｈ———瞬时高度

P———变形力

A0——试件的初始面积

在这里，分别取真实应变为-0.2、-0.4、-0.6、-0.8，通过计算，得到了下面图表中的变形量的值，见下表所列的镦粗实验变形量、下压速率及薄膜厚度参数。

表镦粗试验变形量、下压速度及薄膜厚度参数表 直径

D /mm

高度

H /mm

变形量

A/mm

变形量

B/mm

变形量

C/mm

变形量

D/mm

速率V/

mm/min

PTFE薄

膜厚

S/mm

4 6 1.10 1.98 2.7 3.3 1.0 0.08

2 3 0.54 0.99 1.35 1.65 0.5 0.04

1 1.5 0.27 0.50 0.68 0.83 0.25 0.02

0.5 0.75 0.14 0.25 0.34 0.42 0.125 0.01

首先在室温下对所测不同压下量所对应的压下力进行处理,得到流动应力—对数应变曲线，如图3所示：

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图3 室温下变形量为D时四种直径试样的真应力真应变图 图4直径为0.5mm变形量为B时室温和250℃

下的真应力—真应变曲线图。

与宏观成形方法相比，微零件无法在模具外面加热,这是因为零件表面积与体积之比较高，易于热散逸，使得微零件在开始加工之前已经冷却。为了使试样获得所需温度，用特殊的加热元件来加热模具，这样微零件本身通过传导就能得到所期望的温度。在该实验中采用

温度PID控制器控制，把试样加热到250C，然后进行镦粗实验，同样可得出下压力和变形量的瞬时值，也得到流动应力—对数应变曲线，图4显示了直径为0.5mm变形量为B时在室温和250°C下的真应力—真应变曲线图。

°

图4中可以看到，随着温度的升高，流动应力呈减小的趋势。其原因是由于温度升高增加了应力退火，退火是其软化机理。

就微细体积成形而言，由于微零件外形尺寸和晶粒尺寸之比远远小于传统成形。微成形的变形区很小，材料塑性流动仅涉及几个甚至一个晶粒，材料的变形行为不再遵循传统的连续介质理论。[9]

3.结束语

微成形作为一项多学科交叉的工艺技术，具有材料利用率高和生产速度高等优点，有利于大规模生产，它的应用范围广泛，可以肯定微成形技术在将来的制造领域中会受到更大的重视。微成形工艺过程不能简单地理解为宏观成形过程的等比微小化，而且在具体的微成形过程中，材料的成形性能、变形规律都表现出了特殊的变化。从目前来看，除了通过实验来认识具体的规律影响外，建立有效的理论分析方法和数值模拟技术将是从根本上保证微成形工艺设计的主要途径。

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参考文献

[1] Engel, U; Eckstein, R.: Microforming - from basic research to its realization.[J] Journal of Materials Processing Technology 125-126(2002), pp. 35~44

[2] Ruprecht R; Getzelt T; Muller K, et al: Injection molding of microstructured components from plastics, metals and ceramics.[J] Microsystem Technology, 2002,8: 351~358

[3] Geiger M，R,Eckstein: Microforming.[C] Proc.of 7th ICTP.2002: 327~338

[4] Geiger M, Engel U: Microforming-a challenge to the plasticity research community----addressed to the 4th anniversary of the JSTP.[J]Journal of the JSTP, 2002,494(43)：171~172

[5] 张凯锋，雷鹍：面向微细制造的微成形技术.[J] 中国机械工程 第15卷第12期 2004年6月下半月

[6] Engel, U; Egerer, E: Basic research on cold and warm forging of microparts.[J] Key Engineering Materials. 233-236(2002),pp. 449-455

[7] N.Tiesler, U. Engel and M. Geiger. Basic research on cold forging of microparts.[C] Proc. of the 7th ICTP. 2002:379~384

[8] Emil Egerer; U Engel: Process characterization and material flow in micro- forming at elevated temperatures. [J]Journal of Manufacturing Processes V ol.5/No.1 2004

[9] N.Tieslaer，U.Engel，M.Gerger. Forming of microparts effects of miniaturization of friction. Advanced Technology of Plasticity ,[C]Vol.II Proceedings of the 6th ICTP.1999:889-894

Research on Upsetting of Cylindrical H62 in Micro-scale at

Elevated Temperature

Li Fanguo，Tong Guoquan

（College of Mechanical and Electrical Engineering ,Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing , 210016 China）

Abstract

Microforming is one of the key technology in microfabrication technology. Due to size effect, microforming is more complicated than conventional metal forming. The investigations show that the know-how of conventional forming cannot be simply transferred to the microscale. In microforming the continuum cannot be regarded as a homogeneous one as it can be done in the case of conventional forming, while warm forming is investigated expecting a homogenizing effect. All the upsetting experimental investigations reported in this paper are done on H62 brass (diameter 0.5 to 4mm), which show that the temperature influences the forming result tending to homogenize the material flow and reduce the flow stress by increasing temperature.

Keywords: Microforming, Upsetting, Warm Forming, Flow Stress, Size Effect

作者简介：李凡国（1978.11-），男（汉），山东德州人，南航在读硕士研究生，研究方向：微塑性成形

通讯地址：南京市御道街29号南京航空航天大学284信箱 邮编:210016

E-mail：leego113@4da22effc8d376eeaeaa319c

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ba1q.html