微型构件精密塑性微成形关键技术与基础理论

塑性微成形技术具有成本低、效率高以及成形质量好等优点，非常适合微型构件的低成本批量可控制造，在航空航天、微电子、生物医疗、纺织印染和石油化工等领域具有广阔的应用前景。塑性微成形技术并不是宏观塑性成形的简单缩小，由于尺寸效应、表面效应等因素的影响，使之成为一个新的重要研究领域。本项目以微型齿轮类构件和微喷构件为研究对象，开展微型构件的塑性可控微成形关键技术和基础理论研究，主要研究塑性微成形机理、多场耦合条件下微观组织演变规律、摩擦行为，建立尺寸效应模型，构建较为完善的塑性微成形理论框架；突破模具设计与制造、润滑方法、微操作、在线测量和可控成形等关键技术，研究微型齿轮类部件的一体化成形和阵列微孔的冲裁成形，掌握微成形件性能和质量的表征、检测和评价方法，实现微型构件的塑性可控微成形。这对于促进塑性微成形理论发展和塑性微成形技术在实际生产中的应用具有重要意义。

本项目构建了微成形分析软件平台，开展了微孔类、微型齿轮类零件的可控制造研究，主要研究成果如下。. 通过微镦粗等实验研究发现，材料的流动应力随着试样尺寸的减小而减小；微型模具型腔尺寸是材料晶粒尺寸2倍时，模压成形时坯料充填的筋高宽比呈现最小值；模具冲裁间隙与晶粒尺寸之比是影响微冲裁尺寸效应和断面质量的主要因素；研究了液体润滑条件下微成形摩擦尺寸效应产生机理。通过以上研究，揭示了介观尺度下材料连续、非均匀塑性变形本质。. 针对不同微成形特点，构建了材料本构模型，并将其作为用户子程序嵌入商业软件ABAQUS；开发了一个采用VORONOI图对多晶体材料进行建模的软件，作为前处理；基于MATLAB开发的织构和极图显示后处理软件。搭建起包括前处理、模拟计算以及后处理三部分组成的模拟平台，构建了塑性微成形理论框架。. 微型模具是开展微成形研究的必要工具。本项目提出了一种微细工具电极在线制作技术，加工误差达到±1μm ；提出了微型模具表面离子束表面抛光技术和DLC膜表面改性技术，提高了模具表面质量，实现了微型模具可控制造；研制双直线电极驱动微成形设备，开发多工步协调控制系统，实现了微成形过程的精确控制。. 研制了微冲孔模具和送料机构，可精密冲裁出直径600μm的阵列微孔和最小直径为100μm的微孔，直径精度为±2.0μm。研制集落料、拉深等于一体的复合成形模具装置，开展了箔板微拉深成形工艺研究，成形出直径1.0mm、拉深比为2.1的微型圆筒件。针对微型构件装配难题，提出了一种一体化复合成形方法和模具结构，在一套模具内完成双齿轮件的成形、装配和穿轴，提高了微型双齿轮件装配精度。. 项目圆满完成了计划书规定的研究内容。成形的微型构件在惯性约束核聚变靶和微型引信等微系统中得到应用。发表SCI收录论文27篇，获得国家发明专利8个，获得国家技术发明二等奖1项，黑龙江省技术发明奖一等奖和自然科学二等奖各1项。