第1章 绪 论
1.1 课题研究背景及研究目的和意义
近年来，产品微型化的巨大市场需求趋势促进了微细加工技术（MicroFabrication Technology）的发展，使得超精密加工、激光加工、微细放电加工以及微成形技术等受到广泛关注。微成形技术以其高精度、低成本、大批量、高效率、无污染等优点，满足对微型零件的需求，使得微成形技术在微细加工技术中脱颖而出，微成形技术已成为备受关注的研究热点之一。微成形技术就是采用传统塑性成形工艺（如冲裁、拉深、挤压等）成形微型零件的一种微细加工技术，通常将微成形工艺定义为成形零件尺寸或其特征尺寸至少在二维尺度上的尺寸小于 1mm。在金属塑性成形中，由于坯料与模具间的相对运动或相对运动趋势而不可避免的在两接触表面之间产生摩擦。在传统塑性成形工艺中，坯料与模具接触面间的摩擦不仅影响成形力、零件表面质量、成形精度和模具的寿命等，而且区别于机械运动中的摩擦，因此塑性加工摩擦学始终是塑性加工领域重要的研究内容之一。
随着坯料尺寸的减小，其表面积与体积之比逐渐增大，这使得摩擦对微成形工艺的影响增大，存在摩擦尺寸效应问题，因此微成形中的摩擦成为影响微成形工艺的重要因素之一，使得微成形中的摩擦与润滑成为微成形技术领域的研究热点。目前，研究主要集中在对实验结果的定性分析上，因此研究微成形中试样尺寸、模具表面形貌、各种工艺参数以及润滑状态等对摩擦尺寸效应程度的影响规律，构建考虑试样尺寸、液体润滑等因素的理论分析模型，揭示摩擦尺寸效应产生的机理，这对提出合理的润滑方法，从而提高微成形零件质量，促进微型构件制造技术的发展具有十分重要的实用价值和理论意义。
1.2 薄板微成形技术国内外发展现状
薄板微成形工艺主要有微拉深成形、弯曲成形、冲裁成形和增量成形等。在薄板成形中，应用拉深工艺可以成形旋转体（筒形、锥形、球形）零件和非旋转体（盒形和其他不规则形状）零件，因此，在薄板的微成形中，微拉深工艺较之其他薄板成形工艺更为复杂，国内外学者开展了大量研究。Saotome 采用厚度为 0.1mm 的薄板，选用不同的相对冲头直径（冲头直径与板厚之比）通过筒形件微拉深成形实验研究了相对冲头直径对极限拉深比的影响，研究表明，当相对冲头直径由 100mm 减小到 10mm 时，相应的极限拉深比由 2.2 降到 2.0。德国不莱梅大学的 Vollertsen 教授根据相似性原理通过筒形件的宏观和微观拉深成形实验研究微成形工艺。在相同润滑条件下，宏观拉深成形的筒形件法兰部分没有起皱，成形质量良好，但微观拉深成形的筒形件法兰部分存在褶皱，如图 1-1 所示；通过对比两种尺度成形中润滑剂用量与摩擦系数关系，得到摩擦力随润滑剂用量增加而降低的幅度不同，表明润滑剂对两种尺度下的成形影响作用不同；此外，对两种尺度下极限拉深比进行研究，实验结果表明两种尺度下的极限拉深比不同，微成形中的极限拉深比较小。
为了提高薄板的微拉深成形性能，Erhard等进行了微拉深热成形工艺的研究，如图 1-2 所示。采用板厚为 0.1mm 的薄板进行拉深实验，通过激光对薄板的法兰部分加热以提高成形性能和微筒形件的拉深比。结果表明，通过这种热成形工艺，拉深力降低了 20%，延伸率增加了 10%。为了适应微成形工艺对模具表面质量的要求，Seki 公司对凸凹模表面圆角部分进行离子磨削加工，获得了高精度的微拉深模具，并利用该模具成形出了质量良好且直径仅有0.654mm 的微筒形件。
第2章 薄板微成形摩擦尺寸效应实验研究
2.1 引言
根据传统的塑性成形理论，摩擦系数 μ 受模具的表面状态、接触正压力、成形速度、成形温度等多种因素的影响，但与试样尺寸无关。而在微成形领域，对压缩或挤压微成形工艺的研究表明，在采用液体润滑剂的条件下，摩擦系数随试样尺寸的减小而显著增加，即产生摩擦尺寸效应。对微成形液体润滑条件下出现的摩擦尺寸效应问题，是否会因接触状态不同而发生改变，目前还没有相关的研究。本章利用金属薄板摩擦测试实验装置，利用 CMT 8502 微机控制电子万能实验机，在液体润滑条件下通过滑动实验系统的研究了模具表面粗糙度、接触面积、滑动速度以及正压力等对摩擦尺寸效应的影响规律。
2.2 实验方案制定
2.2.1 实验材料与试样制备
由于工业纯铜（紫铜）具有优良的导电性、导热性、塑性和耐蚀性，广泛应用于机械制造、电器、仪表等行业，因此本文选择 T2 紫铜薄板作为研究对象，其化学成分见表 2-1。板材厚度分别为 0.16mm、0.08mm 和 0.04mm，经过 600℃退火 12h 炉冷至室温。
2.2.2 实验装置
拉深成形工艺是板材塑性成形工艺中最复杂的一种工艺，在拉深成形中法兰部分的摩擦占整个摩擦的比例最大，因此本文采用能够在一定程度上模拟拉深过程中压边力作用下的摩擦的滑动实验进行摩擦系数的测量，其基本原理如图 2-2 所示。在滑动实验中，模具固定，板材置于模具中间，在模具上施加一个正压力 N，在试样的一端施加一个拉力 F ，使试样以一定的速度经过比试样宽的模具表面，通过测量拉伸力和正压力即可计算板料与模具接触面上的平均摩擦系数，即 μ= F /(2N) 。采用滑动实验可以任意改变正压力和成形速度等工艺参数，完成不同接触条件下的摩擦系数测定。
第3章 微成形摩擦尺寸效应的建模................. 37-53
3.1 引言................. 37
3.2 传统塑性成形中摩擦理论研究................. 37-39
3.2.1 金属塑性成形中摩擦的特点................. 37-38
3.2.2 传统摩擦机理研究 .................38
3.2.3 传统成形中摩擦模型................. 38-39
3.3 适于薄板微成形的摩擦模型建立................. 39-43
3.3.1 薄板微成形中摩擦尺寸................. 39-40
3.3.2 微成形中摩擦尺寸效应建模................. 40-43
3.4 适于薄板微成形的摩擦模型讨论................. 43-47
3.5 变接触应力下摩擦尺寸效应建模................. 47-51
3.6 本章小结................. 51-53
第4章 薄板微拉深成形过程................. 53-59
4.1 引言................. 53
4.2 板材拉深过程的受力分析................. 53-54
4.3 薄板微筒形件拉深成形数值................. 54-58
4.4 本章小结 .................58-59
第5章 基于DLC 薄膜的薄板微拉深................. 59-75
5.1 引言 .................59
5.2 DLC 薄膜的化学结构与................. 59-61
5.2.1 DLC 薄膜的化学结构................. 59-60
5.2.2 DLC 薄膜的低摩擦系数机理................. 60-61
5.3 微筒形件拉深成形实验研究................. 61-67
5.3.1 微筒形件的表面质量................. 62-63
5.3.2 微筒形件的壁厚分布 .................63-65
5.3.3 微筒形件的成形精度................. 65-67
5.3.4 微筒形件拉深成形力................. 67
5.4 DLC 薄膜磨损分析................. 67-74
5.4.1 AFM 表面形貌分析 .................68-69
5.4.2 Raman 光谱结构分析................. 69-74
5.5 本章小结................. 74-75
结论
本文针对微拉深成形中的摩擦摩擦尺寸效应与润滑方法问题，通过滑动实验系统的研究了液体润滑条件下各种接触状态对摩擦尺寸效应的影响规律，基于库伦摩擦模型和 Wanheim/Bay 通用摩擦模型建立了考虑尺寸效应的微摩擦理论计算模型，研究了不同润滑条件下对紫铜箔和金箔微拉深成形的影响，并进行了 DLC 薄膜的磨损分析，主要结论如下：
(1) 在液体润滑条件下，对不同接触条件摩擦尺寸效应现象出现的程度不同。摩擦尺寸效应即摩擦系数随试样尺寸减小而增加的幅度随接触面积比例的增加而增大；随模具表面粗糙度和滑动速度的增加而减小；一定压力范围内，随正压力增加而略有减小；凡是能够增加封闭润滑坑比例的因素都能减小摩擦尺寸效应程度；接触面越接近干摩擦或固体润滑条件，摩擦尺寸效应越不明显。
(2) 基于库伦定律，考虑润滑区与非润滑区比例，建立了考虑尺寸效应的薄板微成形摩擦模型，该模型与实验值吻合较好；通过对所建立的摩擦模型分析表明，摩擦尺寸效应的产生是由真实接触面积比例的随着试样尺寸减小而增加造成；基于 Wanheim/Bay 通用摩擦模型，建立了考虑接触压力不断变化的等效摩擦模型，并开展了圆柱压缩过程的数值模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。
(3) 根据所建立的考虑尺寸效应的薄板微成形摩擦模型，计算薄板成形过程中的摩擦系数，开展了薄板微筒形件拉深过程的数值模拟。相同条件下，当尺度系数较大时能够成形出质量较好的筒形件，但对尺度系数较小时由于摩擦的较大使得坯料在凸模圆角处减薄严重甚至发生破裂。
(4) 采用表面带有 DLC 薄膜的落料拉深复合模具进行了 T2 紫铜箔和金箔微筒形件拉深实验，并与 PE 薄膜润滑成形对比，结果表明，采用表面带有DLC 薄膜的模具能够成形出质量较好的微筒形件，但凸模圆角处壁厚减薄较PE 薄膜润滑时的壁厚减薄严重。
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