塑性微擠壓試驗原理

1、實驗項目名稱塑性微擠壓成形實驗實驗學(xué)時3指導(dǎo)教師齊樂華，周計明實驗地點航空樓D315實驗對象本科四年級第一學(xué)期可選人數(shù)2-3塑性微擠壓成形實驗課程實驗教學(xué)大綱中文：塑性微擠壓成形實驗 英文：Plastic Micro-extrosi on Exp erime nt課程名稱7.面對專業(yè)機械設(shè)計、機械制造及其自動化開課學(xué)期第七學(xué)期實驗學(xué)時3學(xué)時實驗指導(dǎo)書書名：塑性微擠壓成形實驗指導(dǎo)書 編寫：周計明鄭善偉審核：齊樂華教授實驗室地點航空樓D315主筆周計明、實驗的性質(zhì)、教學(xué)目的與要求:本實驗課程是針對機械類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的重要實踐性環(huán)節(jié),對于培養(yǎng)和提高本科生獨立工作,解決實際問題的能力起著十分重要的作用

2、。通過一系列以設(shè)計性為主的實驗，讓學(xué)生了解塑性微擠壓基本原理， 加深對尺度效應(yīng)的理解， 培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及合理規(guī)劃實驗的邏輯思維能力。該實驗使課程理論與實際有機地聯(lián)系起來，有利于提高學(xué)生基本實驗技能,增強學(xué)生科學(xué)實驗的動手能力，鞏固一絲不茍，嚴謹求實的科學(xué)研究作風。二、主要儀器設(shè)備及其型號 壓電陶瓷 稱重傳感器 壓電陶瓷驅(qū)動電源 儀用放大器LVDT位移傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 萬用表1.2.3.4.5.6.P St150/20/18 VS25YZ247SHVA系列INA118100MHR研華 PCI-1710DT9205數(shù)字萬用表三、考核方式實驗考核總體分為三部分實驗前復(fù)習(xí)微擠壓基本原理，閱讀壓

3、電陶瓷驅(qū)動電源說明書:實驗操作：60%(1) 完成實驗內(nèi)容給定的工作，順利擠出試件：(2) 修改不同參數(shù)，了解不同參數(shù)下的意義：40%20%實驗報告質(zhì)量：20%四、實驗項目與內(nèi)容提要20%實驗項 目名稱常用電 子儀器 的使用 練習(xí)塑性微 擠壓實 驗實 驗 類 型技 術(shù) 基 礎(chǔ)技 術(shù) 基 礎(chǔ)內(nèi)容提要學(xué) 時 分 配每組 人數(shù)主要儀器及配 套數(shù)授課實驗室實 驗 者 類 別1, 使用壓電陶瓷控 制電源測量電壓2, 使用稱重傳感器 測量重力23人1、壓電陶瓷PSt150/20/18VS252、稱重傳感器YZ247S3、DT9205 數(shù)字萬用表D315實驗1：室溫下，不同 速度下使用4 X 4鉛 圓柱體坯

4、料進行微擠 壓，觀察試件的微擠壓 成形過程，記錄實驗參 數(shù)及壓力、位移等實驗 數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線； 實驗2:在不同預(yù)緊力 下，用4X 4坯料擠 壓微型齒輪，觀察記錄 不同預(yù)緊力下擠壓力 的大小以及成形齒輪 的輪廓長度； 實驗3:用3 X 4鉛圓 柱體坯料進行擠壓實 驗，與4X 4尺寸下 作出比較，記錄實驗數(shù) 據(jù)，分析不同尺寸下擠 壓力的變化及是否表 現(xiàn)出尺度效應(yīng)。23人1.壓電陶瓷P St150/20/18VS252. 稱重傳感器YZ247S3. 壓電陶瓷控制電源HVA系列4. 儀用放大器INA1185. LVDT位移傳感器100MHR6.數(shù)據(jù)采集卡研華 PCI-17107.萬用表DT9205數(shù)字

5、萬用表D3156五、有關(guān)說明：(主要填寫對本課程實驗教學(xué)建議，如：教材及教學(xué)參考書的選用、先修課 程、教學(xué)組織方式、教學(xué)手段、項目更新、改革等。)1.1234本實驗課所關(guān)聯(lián)的理論課程建議學(xué)生查閱以下參考資料：申昱，于滬平，阮雪榆.金屬微成形技術(shù)J.塑性工程學(xué)報.2003(06): 5-8.董湘懷，黃樹槐,李志剛.塑性加工技術(shù)的發(fā)展趨勢J.中國機械工程.2000(09): 1074-1078謝延敏，于滬平，阮雪榆.微成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀J.中國機械工程.2005(10): 935-939 .雷鹍，張凱鋒.金屬微成形中尺度效應(yīng)的探討：第九屆全國塑性工程學(xué)術(shù)年會、第 二屆全球華人先進塑性加工技術(shù)研討會

6、Z.中國太原：20052.實驗準備： 實驗前應(yīng)讓學(xué)生認真閱讀電子器件說明書，了解各電子元器件工作原 理及操作方法。3.在教學(xué)組織上，應(yīng)該在理論課程完成45周后，開始本實驗課程，提高實驗教學(xué)效果。4.充分利用計算機網(wǎng)絡(luò)的大量信息資源來為實驗服務(wù)，根據(jù)實驗內(nèi)容，可以預(yù)先讓學(xué) 生通過電子網(wǎng)站查閱實驗原理中理論部分以及實驗電器參數(shù)。5.在保證最順利完成實驗的前提下，可以引導(dǎo)學(xué)生對該微塑性擠壓裝置提出自己的修改建議，提高學(xué)生的設(shè)計能力。2010年05月24日修訂塑性微擠壓成形實驗實驗指導(dǎo)書編寫 周計明 鄭善偉審核 齊樂華 教授00 九年塑性微成形簡介 塑性微成形的理論基礎(chǔ) 2.1 尺度效應(yīng) 2.2 塑性

7、微成形的變形不均勻性 塑性微擠壓實驗原理 3.1 動力驅(qū)動原理 3.2 實驗裝置 3.3 模具 3.4 實驗材料 3.5 計算機集成控制系統(tǒng) 3.6 總體實驗裝置 實驗?zāi)康募耙?實驗內(nèi)容 實驗步驟 實驗考核要求 實驗注意事項 參考資料 789910101089實驗報告1111IVII71塑性微成形簡介微塑性成形(Microforming )技術(shù)是指利用材料的塑性變形來生產(chǎn)至少在兩 維方向上尺寸處于1毫米以下零件的技術(shù)。微機電系統(tǒng)(Micro electro mechanics systems, MEMS)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用， 給微塑性成形技術(shù)的發(fā)展帶 來了契機。典微塑性成形區(qū)別于鍛

8、造、沖壓等傳統(tǒng)的塑性成形工藝，并不是傳統(tǒng) 塑性成形工藝簡單的微小化，由于微小化帶來的“尺寸效應(yīng)”引起了一系列新問 題，成為一個嶄新的研究領(lǐng)域。典型的微塑性成形工藝包括微擠壓、微鈑金、微模鍛等工藝，這一技術(shù)有著 傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的咼生產(chǎn)率、最小或零材料損失、最終產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)秀和誤差的優(yōu)點。利用這一技術(shù)生產(chǎn)的微小尺度的元件大量應(yīng)用于微機械、微電子等行 業(yè)當中，已成為微型機械制造領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展趨勢之一。 國外學(xué)者采用微塑性成形 工藝已制備出多種微型零件，部分零件已得到實際應(yīng)用，如微型杯桿件、微型雙齒輪件、微型拉深杯和微型齒輪件等，如圖1所示。11II0 0 rnm04 mm 02 fm 0 1 mm

9、 *4000 pm 團"pm圖1典型微型零件成形件尺寸的微小化對成形設(shè)備和模具提出了新的要求，將微小型模具安裝 在通用的塑性加工設(shè)備上很難滿足微成形的需要， 微塑性成形系統(tǒng)是開展微成形 研究的基礎(chǔ)。一些新型的驅(qū)動裝置如線性伺服電機、 電磁致動器和壓電陶瓷等應(yīng) 用到塑性微成形裝置中，并借助于計算機和微型傳感器對成形過程進行控制和數(shù)據(jù)采集。國內(nèi)外學(xué)者已采用這兩種驅(qū)動方式開發(fā)了塑性微成形設(shè)備，如圖2所示。圖2微成形設(shè)備(a)美國西北大學(xué) (b)哈工大目前大由于塑性微成形裝置方面的研究涉及了多個學(xué)科，研制的難度較大, 部分系統(tǒng)都是針對某一種成形工藝而研制的，本創(chuàng)新實驗即是針對微擠壓實驗而 研

10、發(fā)，因而應(yīng)用的范圍較窄，這方面的研究仍待進一步深入。微型模具是進行微塑性成形的必備工裝，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣成為影響塑性微 成形零件的重要因素。目前常用的有代表性的微型模具加工方法包括微細電火花 加工、激光加工和磨削等微細加工技術(shù)。除此之外，硅刻蝕技術(shù)也用于微型模具 的加工中。目前已能加工出二維或準三維的高精度微型模具， 但在復(fù)雜形狀的三 維模具型腔加工方面仍存在較大困難。2塑性微成形的理論基礎(chǔ)2.1尺度效應(yīng)所謂的尺度效應(yīng)(Size effects)是指工件尺寸在微小化過程中，一些在傳統(tǒng) 塑性加工中與尺寸大小無關(guān)的材料流動規(guī)律以及工藝參數(shù)等，都表現(xiàn)出對零件尺 寸具有一定的敏感性和依賴性。當材料長度

11、在微米或微米以下量級發(fā)生塑性變形 時就會表現(xiàn)出強烈的尺度效應(yīng)，同時，在不同的加工方法中的表現(xiàn)也不同。 尺度 效應(yīng)主要表現(xiàn)為：坯料尺寸對材料流動應(yīng)力的影響；材料的各向異性表現(xiàn)突 出，晶粒的大小對材料成形性的影響明顯； 對成形過程中摩擦的影響；成形 過程中的溫度效應(yīng)。0 070,4 o.e 0,0 log snsifl tp M0materudCuZnISgivn GJ朋.L= Td'impuibchV-iLOmicatMHPIT 匚 Fol(s* OJZ-Z)圖3流動應(yīng)力隨尺度的減小而減小圖3所示為不同尺度下材料的流動應(yīng)力曲線，可以看出，隨著尺度的減小,流動應(yīng)力相應(yīng)地減小。其原因可用圖4

12、所示的表面層模型解釋。晶體內(nèi)部的位錯 在材料變形中會在晶界處出現(xiàn)堆積，尺寸減小后表面晶粒所占份額會相應(yīng)減少, 而自由表面是不會形成位錯堆積的，因此材料硬化的硬化效果降低，從而導(dǎo)致流 動應(yīng)力的減小。傳統(tǒng)的表面層模型認為，小尺度情況下，材料的表面晶粒已經(jīng)不 符合各向同性連續(xù)體的變化規(guī)律， 在小尺度下，材料的表面晶粒增多，表面層變 厚，如圖4所示。與材料內(nèi)部晶粒相比，表層晶粒所受約束限制較小，在較低的 流動應(yīng)力下就能變形，這樣變形體的整體流動應(yīng)力將會降低。 當晶粒尺寸基本不 變時，隨著試樣幾何尺寸的減小，表面積與體積的比值增大，工件表層的晶粒數(shù) 目與內(nèi)部的晶粒數(shù)目的比值也相應(yīng)增大， 表層晶粒在厚度方

13、向上所占的比例就會 增加，從而導(dǎo)致材料整體流動應(yīng)力的降低。尺寸微小ft晶趙尺寸Hzvkvv,圖4表面層模型lap*A壷層晶粒尺寸效應(yīng)并不一定導(dǎo)致流動應(yīng)力的絕對減小，對于無自由表面的成形工藝，如擠壓或沖裁，有可能會因摩擦等因素而造成流動應(yīng)力的增大。 一般來說，尺寸 減小后，材料的力學(xué)行為的離散性會增大。摩擦問題是微成形工藝中的關(guān)鍵問題之一，它對模具的壽命、金屬的流動及工件最終的加工精度有很大的影響，其影響的程度和規(guī)律都不同于傳統(tǒng)塑性加 工，也表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。環(huán)形壓縮實驗（如圖5-圖6）表明，隨著試件尺寸 減小，試件和模具之間的摩擦系數(shù)增加。Engel提出了一種“開放和封閉潤滑坑” 模型，如

14、圖5所示。在擠壓過程中存在潤滑的情況下，摩擦系數(shù)跟工件與模具接 觸表面之間的封閉潤滑坑所占比例有關(guān)。 當零件的尺寸減小時，接觸面之間的封 閉潤滑坑所占比例隨之減小，如圖6所示，當零件尺寸減小到某一值時，封閉潤 滑坑完全消失而只有開潤滑，因此導(dǎo)致工件與模具接觸面上的摩擦系數(shù)增大。而 且進一步實驗表明，當擠壓過程中不存在潤滑時，上面所提出的模型就會失效, 摩擦系數(shù)不會隨著尺寸的減小而增大，這也充分證明了這種模型的合理性。微擠壓相比同尺寸的墩粗與拉伸，在流動應(yīng)力尺度效應(yīng)上有著截然相反的應(yīng) 力表現(xiàn)，究其主要原因是在三向應(yīng)力作用下， 微擠壓自由表面少，摩擦力占據(jù)了主要地位，擠壓過程中近2/3的擠壓力用于

15、克服摩擦力。forming load亠,cpen pocKBtsworfcplctosBd pocks俎圖5開放和封閉潤滑坑示意圖open lubricant doT 怕 brinnt pockets1®$圖6微型化過程中開放與封閉潤滑坑分布圖2.2塑性微成形的變形不均勻性當塑性微成形件的尺寸接近晶粒尺寸時，材料微觀組織性能的不均勻性對坯料的塑性變形產(chǎn)生了顯著影響。圖 7所示為晶粒尺寸分別為10um和70um板厚 均為0.5mm勺CuZnl5板進行彎曲實驗時測得的坯料內(nèi)部的應(yīng)變分布情況。從圖 中可以看出，細晶粒坯料的變形較為均勻。這是因為粗晶試樣在成形時，單個晶粒的性能對試樣的塑性變

16、形起到了決定作用， 而單個晶粒的性能是隨機的，因此 導(dǎo)致塑性應(yīng)變分布的隨機性。這也是塑性微成形件的再現(xiàn)性差， 尺寸、性能不均勻的主要原因。10.0 3 020 =100 IJTICuZnlS, hard stale圖7細晶和粗晶薄板彎曲變形時應(yīng)變分布圖rstntin % manniijm: 11 6% TLUhtrHiim: -12.3%0 ' y 0CuZnIS. coarsely gniiwt3 塑性微擠壓實驗原理3.1 動力驅(qū)動原理壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic)是具有壓電效應(yīng)的一種功能陶瓷，是壓 變的現(xiàn)象。本創(chuàng)新實驗采用壓電陶瓷驅(qū)動器作為加載機構(gòu)， 當對壓

17、電陶瓷驅(qū)動器 輸入電壓時，由于壓電效應(yīng)使壓電陶瓷沿長度方向發(fā)生磁致伸縮， 輸入的電能轉(zhuǎn) 換為機械能，推動凸模使其在凹模中作垂直進給運動， 具有位移小，輸出力大的 特點。不同電壓下的伸長量特性曲線如圖 8所示，從圖中可以看出，壓電陶瓷驅(qū) 動器伸長量隨電壓的變化接近線性， 輸出速度均勻，可實現(xiàn)低速、恒速的精確控 制，避免了加載速度不穩(wěn)定給微型零件帶來顯著的誤差， 從而保證微型零件的加 工精度和質(zhì)量。電材料的一種。壓電效應(yīng)是由應(yīng)力誘導(dǎo)出極化或電場,或由電場誘導(dǎo)出應(yīng)力或應(yīng)圖8壓電陶瓷驅(qū)動器電壓一伸長量特性曲線3.2實驗裝置微擠壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示:圖9微擠壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖由于壓電陶瓷驅(qū)動器每次通

18、電后輸出位移量有限而成形所需的位移量較大,因此采用了壓簧.楔塊機構(gòu)作為進給機構(gòu)，實現(xiàn)了宏微運動的有機結(jié)合。當壓電 陶瓷驅(qū)動器達到輸出位移極限后，停止通電，伸長消失，產(chǎn)生間隙，壓縮彈簧自 動頂緊楔塊，使其與壓電陶瓷驅(qū)動器緊密接觸，消除此前產(chǎn)生的間隙，完成進給 運動，當壓電陶瓷驅(qū)動器磁致伸長時，楔塊自鎖，壓電陶瓷推動凸模使其在凹模 中作進給運動，擠壓坯料，本成形系統(tǒng)正是按照這樣的原理， 通過壓電陶瓷驅(qū)動器的多次通、斷電與壓簧一楔塊機構(gòu)的自動補償相配合完成整個微擠壓成形過 程。該裝置采用楔塊與壓縮彈簧配合實現(xiàn)擠壓過程中的宏動，微動部分由壓電陶瓷制動器來實現(xiàn)。開始擠壓前，擰緊旋鈕使得壓縮彈簧被壓緊，從

19、而頂緊楔塊2 使其與壓力傳感器緊密接觸，消除了間隙。當壓電陶瓷制動器通電伸長時，楔塊 自鎖，坯料產(chǎn)生擠壓變形。當壓電陶瓷制動器斷電后，伸長消失，壓簧將自動 推進楔塊，補償壓電陶瓷斷電時各部件之間產(chǎn)生的間隙。 通過壓電陶瓷的多次通、 斷電與壓簧一楔塊組合的自動補償相配合，最終完成坯料的正擠 3.3模具微成形模具包括凸模與凹模，設(shè)計時借鑒了傳統(tǒng)模具的設(shè)計方法并結(jié)合微成 形裝置的尺寸、結(jié)構(gòu)特點，在保證微成形模具具有足夠強度的前提下， 選擇適合 裝置的模具尺寸。凹模與裝置本體采用內(nèi)六角螺栓固定，為了便于擠壓件的退出,為避免擠壓時材凹模采用橫向分割式，即將凹模分為上半塊凹模與下半塊凹模, 料流入兩半凹模

20、配合表面間的間隙， 兩配合表面進行磨光處理。通過改變凸模與 凹模的結(jié)構(gòu)還可以成形其他不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件，從而擴大成形系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。圖10微擠壓成形模具3.4實驗材料實驗時采用*4X 4、 3X4毫米的純鉛圓柱體作為坯料， 通過微擠壓成形出 齒頂圓直徑為1mm的齒輪軸。3.5計算機集成控制系統(tǒng)基于微擠壓實驗平臺，開展不同實驗水平下的微擠壓實驗，采集實驗過程中 的溫度、位移、壓力等檢測數(shù)據(jù)，并上傳至計算機中。實驗開展前還須對坯料進 行預(yù)處理，包括坯料的清洗和潤滑?；赩C+編程軟件，為控制系統(tǒng)的操作和數(shù)據(jù)的采集與保存提供了便捷的 方法。通過對過程參數(shù)的初始化設(shè)置，進行編譯連接運行操作來對微擠

21、壓過程中 的數(shù)據(jù)實時采集、顯示和保存。為隨后實驗數(shù)據(jù)的處理和擠壓工藝過程參數(shù)的優(yōu)化和進一步的理論研究打下基礎(chǔ)。可視化實驗平臺原理如圖11所示:人機:基于VC編程語言開發(fā)了壓電陶瓷驅(qū)動電源控制軟件,該軟件操作界面簡單,圖12軟件主界面8可以實時顯示裝置壓力大小，可實現(xiàn)成形速度、成形時間、位移量的精確控制;成形過程中的擠壓力、位移量等參數(shù)可實時采集。并能通過改變輸入電壓的大小 來改變壓電陶瓷的伸長量，改變輸入電壓的頻率來改變伸長速度。其主界面及參 數(shù)輸入界面如下圖所示:Mlcrofarmlng System 1.0 omKmd ziw>Micrcvfqrmin-g System 1.0Mic

22、mformin 口 System 1.0 owwpw 旳 zhwgnMenuConfigue SettingabDrting Vtalu*匚 cinFigureRunOnzwIatiDn WuaErJlId PuwwTPwnalvdTK CBiarvciDataTWnfl lTil:»rvaP WlusI save AboutdpacTty "ZbI"Bfl<k TlntfelntBfVBl-Pt«s 5«lKtlnt4mlCkJlMWITJ圖13參數(shù)輸入界面3.6總體實驗裝置14具、J iJU 皿:圖14總體實驗裝置壓電陶海 控制t蒂成

23、丿孩桌統(tǒng)一控制相圖14所示為總體實驗裝置情況，主要包括成形裝置、計算機控制系統(tǒng)、模 壓電陶瓷驅(qū)動電源等。實驗?zāi)康募耙笸ㄟ^微擠壓實驗使學(xué)生了解塑性微成形工藝的基本原理，加深對尺度效應(yīng)的 理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及合理規(guī)劃實驗的邏輯思維能力。 通過對實驗裝置 結(jié)構(gòu)原理的講解，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，能夠提出一些對本裝置的改進方案。 具 體實驗要求包括：(1) 了解金屬塑性微成形的概念及相關(guān)的理論基礎(chǔ)，掌握本實驗裝置的基 本原理及使用方法;(2) 閱讀壓電陶瓷驅(qū)動電源說明書，掌握設(shè)備的操作方法;(3) 熟悉控制軟件的界面，了解各個參數(shù)的實際意義;(4) 展開實驗，提交實驗報告；5實驗內(nèi)容實驗1、室溫

24、下，不同速度下使用*4X4鉛圓柱體坯料進行微擠壓，觀察試 件的微擠壓成形過程，記錄實驗參數(shù)及壓力、位移等實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線;實驗2、在不同預(yù)緊力下，用*4X4坯料擠壓微型齒輪，觀察記錄不同預(yù)緊 力下擠壓力的大小以及成形齒輪的輪廓長度;實驗3、用*3X4鉛圓柱體坯料進行擠壓實驗，與*4X 4尺寸下作出比較, 記錄實驗數(shù)據(jù)，分析不同尺寸下擠壓力的變化及是否表現(xiàn)出尺度效應(yīng)。6實驗步驟1. 將壓電陶瓷與驅(qū)動電源連線，壓力傳感器電源連線，數(shù)據(jù)采集卡與電腦連 線;2. 把坯料放入模具，凹模固定，壓電陶瓷、壓力傳感器等各部件安裝固定；3. 打開電腦，運行控制軟件，旋動壓縮彈簧開始預(yù)緊，同時觀察軟件界面顯 示的壓力數(shù)據(jù)，達到預(yù)定值時停止預(yù)緊；4. 輸入設(shè)定的電壓等各個參數(shù)，點擊 Run按鈕開始擠壓;5. 記錄實驗數(shù)據(jù)；6. 擠壓完畢，卸下模具，取出試樣，觀察試樣輪廓外形，測量擠出長度。7實驗考核要求實驗考核總體分為三部分實驗前復(fù)習(xí)微擠壓基本原理，閱讀壓電陶瓷驅(qū)動電源說明書：20%實驗操作：60%(1)完成實驗內(nèi)容給定的工作，順利擠出試件：40%(2)修改不同參數(shù)，了解不同參數(shù)下的意義： 20實驗報告質(zhì)量： 20%8 實驗注意事項1、應(yīng)根據(jù)微擠壓實驗設(shè)備使用范圍，按規(guī)定