DLC膜视角下模具表层改性之U型微拉深摩擦动作研

第1章 绪论

1.1 引言
随着微/纳米科学与技术的不断发展, 如今产品微型化已成为工业界不可阻挡的趋势，机械装置向微小型化方向发展已经成为航空航天、精密仪器、生物医疗等领域的重要发展趋势，许多国家都将纳米技术和微型机械系统列为21 世纪的关键技术之首。特别表现在通讯、电子、微系统技术(MST)、微机电系统(MEMS)等领域。MEMS 是基于微电子技术发展起来的一门学科，它涉及电子工程、机械工程、材料工程以及生物医学等学科和技术，有着广阔的应用前景。这些产业的兴起极大地推动了微细加工技术(Micro Fabrication Technology)的发展，从而先后出现了超精密机械加工、深反应离子蚀刻、LIGA 及准LIGA 技术、分子装配等技术。但是微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、无污染、净成形等固有特点制约了上述微细加工技术的广泛应用。
随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，人们不得不把视线转向传统的成形工艺（冲裁、弯曲、拉延、拉深、超塑性挤压、起伏、压印等），因为在宏观制造领域，成形工艺恰恰具备这些产业优点。典型的微成形工艺有微挤压、微钣金、微模锻工艺等。这一技术继承了传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优秀和误差小的特点，使得这一工艺适合于近净产品或净产品的大批量生产。微型构件的微小几何尺寸和较大的比表面积，使得摩擦与润滑成为微成形工艺的重要因素，摩擦与润滑是微成形工艺研究的重要方向之一。采用液体润滑剂和固体润滑剂等传统的润滑方法使微成形件的质量难以保证。因此，需要采用全新的润滑方法，开展微成形摩擦机理研究，提高材料的微成形性能和微型构件的成形质量。

1.2 微成形国内外研究现状
在 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(Microform)技术，它是指利用材料的塑性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于毫米量级以下零件的技术。该技术继承了传统塑性成形工艺的优点，能够采用多种工艺方法低成本、大批量的成形出高质量的复杂微型构件，在微系统技术和微机电系统等多个领域具有很大的优势和广泛的应用前景。为了研究零件尺寸对微成形的影响，德国的 Vollertsen[4]等进行了杯形件宏观和微拉深对比实验，并研究了微拉深的极限拉深比。实验结果表明，宏观拉深件成形质量良好，而微拉深件的法兰有轻微起皱；与宏观拉深相比，微拉深中的摩擦力受成形力影响更大；不适合的压边力会导致法兰处起皱和底部的破裂；随着润滑剂用量的增加，微拉深中的摩擦力下降很快；微拉深中的绝对摩擦系数远大于宏观拉深中的摩擦系数。此外在使用薄钢板进行拉深实验时发现，在宏观拉深中影响很小的磁力在微拉深中影响不能忽略不计。图 1-1 为宏观拉深杯与微观拉深杯对比。
在微塑性成形技术方面，由于采用微塑性成形的微型零件强度高、表面质量好、尺寸精度高，而且工艺简单、生产成本低，微塑性成形技术在微型零件的制造方面显示出巨大的潜力。塑性微成形技术自上世纪末出现以来，德国、法国、英国、美国和日本等发达国家投入了大量的人力和物力开展微型构件的塑性微成形技术研究，已经研制出一批高质量的微型构件，成为塑性加工领域的研究热点。由于成形件的尺寸极其微小，尺寸效应和微型模具的设计、制造成为微塑性成形技术研究的两个基本问题，各国学者对这两个问题进行了大量的研究。日本 Gunma 大学 Saotome 教授领导的研究小组 90 年代以来一直致力于微成形技术的研究，对模具材料、设计和制造方法进行了深入的研究，设计和制造了具有一定实用意义的成形装置。日本学者 Tanaka 和 K.Hayakawa等研制了一套板料增量微成形系统，可以成形各种微小壳形件。

第2章 在传统润滑中 U 型微拉深摩擦行为研究

2.1 引言
微成型中应用较为广泛的技术之一就是微拉深成形。摩擦与润滑是微拉深件成形质量的重要影响因素，但由于尺寸的微小化出现与宏观拉深的差异性，不能将宏观的摩擦机理和润滑效果应用在微成型中。所以设计一套可以更换凹凸模的 U 型微拉深模具，进行大量 U 型拉深实验，分析试样表面形貌、压边力、槽宽尺寸和润滑方式对摩擦行为的影响。

2.2 U 型微拉深实验研究方案
为避免圆形薄板拉深中法兰处切向压应力对摩擦的影响，用直角条带代替了圆形的薄板进行 U 型拉深，使坯料的应力状态得到简化，拉深示意图如图2-1 所示。这样拉深力只与弯曲力和摩擦力有关，而且，当坯料尺寸相同，模具参数相同时，只改变坯料与模具之间润滑状态，则拉深力的变化可以表征摩擦力的变化。

第3章 槽宽尺寸对DLC 膜性能影响..................... 34-53
    3.1 引言..................... 34
    3.2 DLC 膜制备方案设计..................... 34-37
        3.2.1 DLC 膜润滑机理 .....................34-35
        3.2.2 DLC 膜的制备方法理论.....................35-37
    3.3 类金刚膜制备设备及制备..................... 37-39
        3.3.1 DLC 膜的制备设备..................... 37-38
        3.3.2 DLC 膜的制备工艺 .....................38-39
    3.4 DLC 膜性能测试 .....................39-52
        3.4.1 DLC 膜形貌分析..................... 39-44
        3.4.2 DLC 膜结构分析..................... 44-48
        3.4.3 DLC 膜摩擦磨损测试..................... 48-49
        3.4.4 DLC 膜与基体结合强度测试..................... 49-51
        3.4.5 DLC 膜纳米压痕测试..................... 51-52
    3.5 本章小结 .....................52-53
第4章 基于DLC 膜模具表面改性的U..................... 53-59
    4.1 引言..................... 53
    4.2 基于DLC 膜模具表面改性U 型微..................... 53-57
        4.2.1 基于DLC 膜模具表面改性微U 型拉..................... 53
        4.2.2 DLC 膜润滑效果分析..................... 53-55
        4.2.3 经DLC 膜表面改性的模具中表面处..................... 55-56
        4.2.4 经DLC 膜表面改性的模具中槽..................... 56-57
        4.2.5 经DLC 膜表面改性的凹模拉..................... 57
4.3 本章小结..................... 57-59

结论

本文针对微拉深成形中的摩擦磨损与润滑方法问题，设计了一套精度比较高的 U 型拉深模具，系统的研究了各种润滑方法对 U 型微拉深摩擦行为的影响和薄板微成形摩擦尺寸效应，探索了适合薄板微成形的润滑方式，并将其应用到微拉深成形之中，主要结论如下：
(1) 在同一套模具中，相同尺寸试样拉深实验表明，表面处理方法即酸洗和电解抛光均有提高试样表面光洁度从而减小摩擦力作用。用粗糙度较小的黄铜试样进行对比，更说明摩擦力随坯料表面粗糙度的增加而增加。
(2) 在采用豆油，蓖麻油润滑条件下，摩擦系数随试样尺寸的减小而增加，产生摩擦尺寸效应，这是随试样减小，润滑区比例减小造成的；电解抛光后试样在油润滑条件下与原始形貌试样在油润滑条件下相比，摩擦力并未减小，且随着试样尺寸减小，摩擦力稍有增大现象，可由本文建立的模型进行解释。
(3) 将压边力由 60N 增大到 150N，发现摩擦力随压边力增大而增大，且在较大压边力 150N 作用下，摩擦尺寸效应仍然存在。随槽宽尺寸减小，拉深力增大。
(4) 利用等离子沉积技术制备了 DLC 膜。制备的薄膜质量良好，随槽宽尺寸减小，薄膜中 sp3 相对含量减小，硬度下降；在一套凹模型腔中，随距上表面的距离增大，膜的致密性减小；DLC 膜具有较好的综合性能，耐磨性稍低，摩擦系数仅为 0.17，膜与基体结合强度较好，适合于作为 U 型微拉深的润滑剂。
(5) 在进行 DLC 膜表面改性的模具中进行拉深实验，试样表面粗糙度降低有减小摩擦力作用；DLC 膜有较良好的润滑性能，且无明显的摩擦尺寸效应；在槽宽尺寸对膜性能的影响及槽宽尺寸对拉深力的双重影响下，拉深力随槽宽减小大致增大，个别拉深力相差不大的应是镀膜质量的影响造成的。

参考文献
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7 R. Erhardt, F. Schep, D. Schmoeckel. Micro Forming with Local Part Heatingby Laser Irradiation in Transparent Tools. Proceedings of the Sheet. 1999:497~504
8 F. Vollertsen, Z. Hu, H. Schulze Niehoff, C. Theiler. State of the Art in MicroForming and Investigations into Micro Deep Drawing. Journal of MaterialsProcessing Technology. 2004, 151: 70-79
9 Y. Saotome, K. Yasuda, H. Kaga. Micro Deep Draw Ability of very Thin SheetSteels. Journal of Material Processing Technology. 2001, 113: 641~647
10 S. Kurimoto, K.Hirota, Y. Nakano, T. Mori. Improvement of Ultra-fine Piercingby Means of Vacuum System. Proceeding of the 7th ICTP. 2002: 391~396