陳飛飛，齊樂華，周計明，關(guān)俊濤，徐乙人

（西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，西安710072）

隨著電子、醫(yī)療器械以及微機電系統(tǒng)領(lǐng)域的快速發(fā)展，兼具輕、薄、短、小等特征的各類多功能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，相關(guān)的金屬零部件日益趨向微小化，微小型零件制造工藝市場需求巨大[1，2］。微擠壓作為一種典型的微塑性成形工藝，因成形的微小型零件具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、力學(xué)性能優(yōu)良、近終成形等優(yōu)點而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。Cao等[3］基于電機驅(qū)動，構(gòu)建了高速桌面微擠壓系統(tǒng)，每分鐘可擠壓150～200個微型零件。Chan等[4，5］采用通用模具組件，在液壓試驗機上進行了微擠壓成形實驗，探討了材料本征尺度效應(yīng)，并對微擠壓過程中的界面摩擦進行了研究。Saotome等[6］選擇壓電陶瓷作為微驅(qū)動器，成功擠壓出模數(shù)為0.01、齒數(shù)為10的微型齒輪。王勻等[7］自行設(shè)計了溫擠壓微成形系統(tǒng)，并對微擠壓過程中坯料的流動行為進行了數(shù)值模擬。受微小化帶來的“尺度效應(yīng)”影響，微擠壓過程中的摩擦、各向異性、變形不均勻性更為突出，擠壓速度、成形載荷等成形參數(shù)對微擠壓成形零件質(zhì)量影響顯著[8，9］。為保證成形質(zhì)量，對微擠壓裝備的驅(qū)動部分提出了更高的要求。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式如電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動在微小變形量下難以達到較高的控制精度。而壓電陶瓷驅(qū)動利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機械變形為沖頭提供擠壓載荷，具有體積小、位移分辨率高、變形參數(shù)（伸長量、伸長速率）精確可控等特點，更符合微擠壓成形精度需求。壓電驅(qū)動的不足之處在于壓電陶瓷的輸出特性決定了其公稱載荷小、行程短，限制了成形材料的范圍和行程。這兩個關(guān)鍵問題的成功解決是壓電驅(qū)動式微擠壓成形技術(shù)能否廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

針對上述問題，本工作構(gòu)建了一種壓電驅(qū)動式微擠壓成形實驗系統(tǒng)，采用“滑輪－絲杠－楔塊”機構(gòu)的自動進給來實現(xiàn)持續(xù)擠壓，采用溫成形工藝改善金屬成形性來擴大系統(tǒng)可成形材料的范圍，并通過ZnAl4合金微型齒輪的成形對成形系統(tǒng)進行了實驗驗證。

1 壓電驅(qū)動式微擠壓成形系統(tǒng)的設(shè)計

壓電陶瓷作為微擠壓驅(qū)動器時，存在擠壓行程短、公稱載荷小等問題。為實現(xiàn)大行程的持續(xù)擠壓，需要依靠自動進給機構(gòu)實施進給；為擴大公稱載荷內(nèi)成形材料的范圍，需借助輔助工藝降低坯料塑性變形阻力?；谏鲜鲆箝_發(fā)了壓電驅(qū)動式微擠壓成形系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由驅(qū)動加載模塊、自動進給模塊、微成形模具組件以及成形控制與檢測模塊等四部分組成。在一定成形溫度下，通過壓電陶瓷的循環(huán)伸縮加載，配合“滑輪－絲杠－楔塊”機構(gòu)的自動進給，推動與壓電陶瓷浮動聯(lián)接的凸模以低速、恒速擠壓凹模型腔內(nèi)的坯料，實現(xiàn)微型零件的擠壓成形。

1.1 驅(qū)動加載模塊

壓電驅(qū)動式微擠壓成形系統(tǒng)采用壓電陶瓷為加載機構(gòu)，通過其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電致伸長來提供微擠壓成形載荷，推動凸模擠壓坯料，實現(xiàn)微型零件的擠壓成形。

圖1 壓電驅(qū)動式微擠壓成形實驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of micro－extrusion based on piezoelectric actuator

系統(tǒng)選用的PSt150／20／18VS25型壓電陶瓷最大擠壓力為11000N，其伸長量隨電壓的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，壓電陶瓷伸長量隨電壓的變化接近線性，輸出速率均勻，可以通過控制電壓輸入模式來精確實現(xiàn)低速、恒速擠壓。此外，壓電陶瓷的額定行程較短，因此電壓控制選用循環(huán)工作模式，如圖3所示。在循環(huán)工作模式下，依靠進給機構(gòu)的自動進給，串聯(lián)相鄰電壓循環(huán)下的壓電陶瓷伸長量，即可實現(xiàn)持續(xù)擠壓。

圖2 壓電陶瓷輸出特性曲線Fig.2 The output curve of piezoelectric actuator

圖3 循環(huán)工作模式Fig.3 The cyclic working mode

1.2 自動進給模塊

壓電陶瓷達到設(shè)定輸出位移極限后，停止通電，壓電陶瓷收縮，凸模與壓電陶瓷間產(chǎn)生間隙。此時需要依靠進給機構(gòu)推動壓電陶瓷再次緊貼凸模，消除此前產(chǎn)生的間隙，完成一次進給。

為了克服手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕[10］、“壓簧－楔塊”機構(gòu)結(jié)合手動預(yù)緊[11］等進給方式存在的手動控制成形效率低以及進給量控制精度難以保證等缺陷，設(shè)計了“滑輪－絲杠－楔塊”結(jié)構(gòu)作為進給機構(gòu)。壓電陶瓷收縮時，由懸掛在滑輪上的重物產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，進而推動滑動楔塊沿水平導(dǎo)軌前移，滑動楔塊與圓柱楔塊之間的斜面配合將滑動楔塊的水平位移轉(zhuǎn)化為圓柱楔塊的垂直位移，圓柱楔塊下移時提供一定的預(yù)緊力，使得壓電陶瓷伸長端始終緊貼凸模，完成自動進給。壓電陶瓷再次通電伸長時，楔塊與絲杠均自鎖，壓電陶瓷推動凸模擠壓坯料。在進給過程中，重物提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是恒定的，因而能確保始終推動滑動楔塊前移進行自動進給，相對絲杠旋鈕、壓簧－楔塊機構(gòu)等進給方式而言，“滑輪－絲杠－楔塊”組合機構(gòu)成形效率更高，且進給量可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.3 微成形模具組件

微成形模具是微擠壓設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其制造精度直接影響成形零件的精度。為保證成形精度，齒輪凹模采用精細線切割加工制得，模數(shù)為0.2，齒數(shù)為6，工作表面粗糙度Ra＜1μm?？紤]到成形加熱需求，模具材料選用耐磨、耐熱疲勞性好的熱作模具鋼3Cr2W8V，其熱處理后洛氏硬度為55，可滿足實驗需要。為避免偏心負荷產(chǎn)生的彎曲力矩損壞凸模，提高擠壓件的成形精度，凸模與擠壓桶的對中通過導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來保證。微擠壓成形力較大，若在熱態(tài)下強制脫模，勢必對零件表面造成損傷。為此，本擠壓成形采用后件頂前件的方法，即在成形過程中不強制脫模，待成形齒輪長度符合要求后，切下，放入新坯料繼續(xù)擠壓，以此類推。

1.4 成形控制與檢測模塊

成形控制與檢測模塊由工控機、壓電陶瓷控制器、PID溫控儀、測力傳感器以及光柵尺等組成。系統(tǒng)使用工控機按給定的控制策略輸出數(shù)字信號至壓電陶瓷控制器，控制壓電陶瓷的伸長量與伸長速率；采用電阻絲加熱爐、K型熱電偶及智能溫控儀組合的方式實現(xiàn)成形溫度的精確控制。微擠壓成形過程中需要記錄的擠壓力和位移將分別由測力傳感器、光柵尺進行實時檢測。

2 實驗結(jié)果與分析

為了測試系統(tǒng)方案，利用所搭建的壓電驅(qū)動式微擠壓成形實驗系統(tǒng)對微型齒輪的成形進行了實驗研究。實驗材料選擇ZnAl4合金，坯料為φ4mm×4mm的圓柱，微擠壓過程中采用精細顆粒的石墨與硅油的混合物做潤滑劑。

2.1 預(yù)緊力對持續(xù)擠壓效果的影響

壓電陶瓷的通電伸長量較小，而裝置中各零部件在配合時存在間隙，且裝置受力時不可避免地產(chǎn)生微小形變，因此，需要施加預(yù)緊力來消除各零部件間的間隙，并使裝置產(chǎn)生充分的預(yù)變形，這樣壓電陶瓷通電伸縮時的動載荷才能通過凸模充分作用到坯料上。因而，由自動進給機構(gòu)所產(chǎn)生的預(yù)緊力大小決定了其實現(xiàn)持續(xù)擠壓的實際效果[11，12］。

為探討預(yù)緊力對持續(xù)擠壓效果的影響，實驗調(diào)節(jié)懸掛重物重力，分別在預(yù)緊力為900，1500，2000，2600N時擠壓微型齒輪。采用圖3所示電壓控制模式，壓電陶瓷以2μm／s的伸長速率工作30個循環(huán)，持續(xù)輸出位移0.36mm，坯料理論壓縮變形量為0.36mm。圖4為不同預(yù)緊力下的坯料變形量，不同預(yù)緊力對成形有著顯著的影響，隨著預(yù)緊力的增大，坯料變形量增大，微擠壓成形效率得到提高。當預(yù)緊力達到2600N時，壓電陶瓷相鄰工作循環(huán)之間的輸出位移得到了有效的串聯(lián)，并充分作用于坯料。此時，由“滑輪－絲杠－楔塊”機構(gòu)實現(xiàn)的持續(xù)擠壓效果顯著。

圖4 不同預(yù)緊力下坯料實際變形情況Fig.4 Deformed value of billets with different preload force

2.2 成形溫度對擠壓力的影響

考慮到溫成形兼具冷成形中良好的表面質(zhì)量和應(yīng)變硬化以及熱成形中較低的成形力和更好的成形能力[7，13］，選擇溫成形工藝來改善金屬流動性，降低擠壓所需成形載荷，拓寬壓電驅(qū)動式微擠壓成形技術(shù)可成形材料范圍。溫成形溫度一般介于室溫與金屬再結(jié)晶溫度之間。再結(jié)晶溫度T可采用下式確定[14］：

式中T0為金屬的熱力學(xué)熔化溫度，ZnAl4合金熔化溫度在387℃左右，因而確定其溫成形溫度介于20～270℃之間。

為探討成形溫度對擠壓力的影響，實驗選定預(yù)緊力為2600N，分別在成形溫度為230，250，270℃時擠壓齒輪。實驗擠壓力曲線如圖5所示，成形溫度對擠壓力的影響明顯。隨著成形溫度的增加，穩(wěn)定擠壓階段的擠壓力隨之減小，成形溫度在由230℃增加至270℃時，成形所需擠壓力減小50%左右。三種溫度下成形的微齒輪如圖6所示，除齒輪脫模時受力沿軸向彎曲外，微齒輪齒廓清晰，表面無裂紋，在230～270℃的溫成形溫度范圍內(nèi)，微齒輪成形質(zhì)量均較好。因此，在壓電陶瓷輸出推力量程一定的情況下，通過合理的成形溫度改善材料流動性，可以大幅度減小擠壓抗力，進而可擴大成形材料范圍。

圖5 不同溫度下的擠壓力曲線Fig.5 Curves of extrusion force at different forming temperatures

圖6 不同溫度條件下成形的微齒輪零件Fig.6 Results of micro－extrusion tests at different forming temperatures

2.3 微型齒輪成形質(zhì)量分析

實驗成功得到m＝0.2，z＝6的微型齒輪，其橫截面顯微金相照片如圖7所示。從圖中可以看出，齒輪輪廓清晰，沿齒廓表面沒有毛刺產(chǎn)生。這是由于在擠壓過程中，金屬材料處于三向壓應(yīng)力作用下，材料被壓入凹模工作帶，金屬表面在高壓下受到模具表面的熨平，因此，具有較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度。

圖7 微型齒輪凹模及成形齒輪顯微照片（a）齒輪凹模；（b）成形齒輪Fig.7 Optical microscope photos of micro－gear die and micro－gear（a）micro－gear die；（b）micro－gear

為了進一步檢測擠壓成形微型齒輪的力學(xué)性能，利用Duramin－A300型顯微硬度計對微型齒輪成形件橫向截面的顯微硬度分布進行了測定。選取載荷為0.5kg、保壓時間10s，測量軌跡沿齒尖開始經(jīng)過齒輪心部直到另一齒尖結(jié)束，沿2條徑向線分別測量兩次并取統(tǒng)計結(jié)果，如圖8中插圖所示。從兩次測量結(jié)果及所得平均值可看出，由于齒輪齒部的金屬變形程度和加工硬化要比中心部位大，其顯微硬度值高于齒輪中心部位。這種硬度分布使得齒輪工作部分的強度高于心部，利于提高齒輪的抗疲勞強度。微型齒輪的檢測結(jié)果表明基于上述解決方案的壓電驅(qū)動式微擠壓成形系統(tǒng)可以成形質(zhì)量良好的微型零件。

圖8 微型齒輪表面硬度分布Fig.8 Vickers hardness of the micro－gear surface

3 結(jié)論

（1）研制了一種壓電驅(qū)動式微擠壓成形實驗系統(tǒng)，通過壓電陶瓷的伸縮加載，配合“滑輪－絲杠－楔塊”機構(gòu)的自動進給，可實現(xiàn)持續(xù)擠壓成形。

（2）預(yù)緊力和成形溫度對壓電驅(qū)動式微擠壓成形影響顯著。調(diào)節(jié)預(yù)緊力至2600N時可以獲得良好的進給效果和較高的成形效率；成形溫度由230℃增加至270℃時，擠壓ZnAl4合金所需擠壓力減小50%左右。

（3）成形微型齒輪齒廓清晰、顯微硬度分布合理，證明壓電驅(qū)動式微擠壓成形系統(tǒng)可以成形出質(zhì)量良好的微型零件。

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