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微塑性成形技术的现状及研究进展摘要：目前我国伴随科技的发展对微小型化的需求越来越大，这也促进了时代的进步和人民生活水平的提高。
微塑性成形技术占有很重要的地位。
文章主要介绍了微塑性成形技术的背景和意义，并综述了微塑性成形技术的尺度效应和摩擦尺度效应现象，阐明了其技术的研究领域。
关键词：微塑性成形；尺度效应；摩擦随着科技的飞速发展及人们对多功能电子产品小型化的需求，微细加工的技术迅速成为当前的研究和应用热点。
微塑性成形（Micro-forming）技术[1]，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几mm以下零件的技术。
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、产品力学性能优秀和误差小的特点，可批量成形各种复杂形状的微小零件。
微制造技术的发展来源于产品微细化的要求，越来越多的用户希望随身用的多功能电子器件体积小型化、功能集成化[2]，而在医疗器械、传感器及电子器械等医疗、工业控制等行业也需要制造出更微小的零件[3]，以期得到更高的功能要求。
因此，微塑性成形技术有很强的在短时间内得到快速的发展。
一、微塑性成形的尺度效应在成形工艺中，描述材料变形行为的主要参数是流动应力和变形曲线（即应力应变变化关系），因为这些参数直接影响到成形力、工具载荷、局部变形行为以及充模情况等。
根据相似原理将标准样件等比缩小设计，进行的拉伸和镦粗试验表明：由于尺度效应的影响，随着样件尺度的减小，流动应力也呈现减小的趋势。
晶粒尺度对材料应力应变关系已经在宏观成形工艺中得到充分的研究，为了研究微细成形中特有的尺度效应现象，在这些试验中，不同尺度样件的晶粒尺度保持相同的，所以可以肯定实验中观测到的流动应力减小现象与晶粒尺度的变化无关，主要是由尺度微小化引起的。
对于流动应力减小的现象，通常可以用表面层模型解释对于流动应力减小的现象，通常可以用表面层模型解释，如图1所示。
表面层模型认为在小尺度的情况下，材料变形已经不符合各向同性连续体的变化规律，在小尺度情况下（根据晶粒尺度与制件局部变形尺度的比率判断），表面晶粒增多，表面层变厚。
塑性成形技术的研究现状与发展趋势摘要：本文叙述了塑性成形技术的研究现状，介绍了现代塑性成形技术的发展趋势，提出了当代塑性成形技术的研究方向。
关键词：塑性成形模具技术研究现状发展趋势1引言塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。
据国际生产技术协会预测，21世纪，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。
工业部门的广泛需求为塑性成形新工艺新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。
金属及非金属材料的塑性成形过程都是在模具型腔中来完成的。
因此，模具工业已成为国民经济的重要基础工业。
新世纪，科学技术面临着巨大的变革。
通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性成形相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广泛是过去任何时代无法比拟的，塑性成形新工艺和新设备不断地涌现，掌握塑性成形技术的现状和发展趋势，有助于及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性成形技术的持续发展。
实施塑性成形技术的最终形式就是模具产品，而模具工业发展的关键是模具技术进步，模具技术又涉及到多学科的交叉。
模具作为一种高附加值产品和技术密集型产品，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。
2塑性成形的现状精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。
近10年来，精密成形技术都取得了突飞猛进的发展。
精冲技术、冷挤压技术、无飞边热模锻技术、温锻技术、超塑性成形技术、成形轧制、液态模锻、多向模锻技术发展很快。
例如电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的步距精度可达2μm，寿命达到1亿次以上。
集成电路引线框架的20~30工位的级进模，工位数最多已达160个。
自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和安全保护等功能的铁芯精密自动叠片多功能模具。
新型轿车的大尺寸覆盖件成形、大功率汽车的六拐曲轴成形。
圆环压缩法测定金属塑性成形的摩擦系数实验报告一、实验目的(1)了解金属塑性成形中的摩擦特点和影响； (2)熟悉摩擦对于金属流动影响的一般规律；(3)掌握用圆环法测定金属成形中摩擦系数的原理和方法。
二、概述金属塑性成形过程中，工具与变形金属接触面上存在相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面之间必然产生摩擦。
塑性成形中的摩擦与机械传动中的摩擦相比，接触压力较高，会产生新的接触面，并且大多是在较高的温度下产生的。
金属塑性成形时，摩擦在少数情况下会起到积极的作用，可以利用摩擦阻力来控制金属流动的方向。
但在大多数情况下摩擦是十分有害的，主要表现在改变了变形金属的应力状态，增大了变形抗力；引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力；降低模具的寿命等。
为了减轻摩擦引起的种种不良影响，常采用润滑剂来降低摩擦。
因此对金属塑性成形过程中的摩擦和润滑机理的深入了解能大大提高生产效益和产品质量。
金属材料体积成形与金属板料面积成形的摩擦机理有差别。
圆环压缩法是20世纪60年代提出的一种利用圆环镦粗时的变形来测定摩擦系数的方法，可用于确定金属材料体积成形中锻造成形时的摩擦系数和评定润滑剂的润滑效果。
该方法是把一定尺寸的圆环试样(如0::20:10:7D d H =)放在平砧上镦粗。
由于试样和砧面间接触摩擦系数的不同，圆环的内、外径在压缩过程中将有不同的变化。
在任何摩擦情况下，外径总是增大的，而内径则随摩擦系数μ而变化，或增大或缩小。
当接触面上的摩擦系数很小时，圆环上每一金属质点均沿径向作辐射状向外流动，变形后的圆环内外径均扩大，如图6-1(a)所示。
当接触面上的摩擦系数增大到某一临界值后，靠近内径处的金属质点向内流动的阻力小于向外流动的阻力，从而改变了流动方向，这时在圆环中出现一个半径为n R 的分流面，该面以内的金属质点向中心方向流动，该面以外的金属质点向外流动，变形后的圆环内径缩小，外径扩大，如图6-1(b)所示。
图6-1 圆环压缩时的金属流动用上限法或应力分析法可以求出分流面半径n R 、摩擦系数μ和圆环尺寸的理论关系式。
塑性加工摩擦学(tribology in metalforming)研究塑性加工过程中，工具与工件接触表面由于相对运动而发生的一系列物理、化学、力学等变化规律的基础科学。
是金属塑性加工的主要基础理论之一。
摩擦对金属塑性加工过程和加工产品的质量有重要的影响。
塑性加工摩擦学的基本任务是按照摩擦学的基本原理，结合塑性加工时的摩擦特点，研究塑性变形中的摩擦、磨损和润滑问题，控制摩擦的不利方面，利用其有效方面，达到节能、降低工具消耗、不断提高产品质量和效率。
摩擦是人类生产和生活中普遍存在的现象，它既有不利的一面，也有不可缺少的一面。
在塑性加工中，例如在轧制钢锭的初轧机上，常在轧辊表面上刻痕以增加摩擦，增大咬入角便于钢锭的咬入；而在冷轧薄板时，为了降低轧制压力，提高表面质量和控制板形，需要将轧辊磨光甚至抛光，并加上良好的润滑以降低摩擦。
在摩擦过程中将发生一系列物理、化学和力学的变化，因而摩擦学是涉及多种学科领域的综合性学科。
但是过去这门学科的研究和发展并未得到重视，对摩擦、磨损和润滑的研究往往是孤立地进行，因此无法全面、系统地看到它在工程中的重要性、普遍性和复杂性，也阻碍了对它进行更深入的科学研究。
例如，自然界中的金属在7000年以前就被锻打成形，但对成形过程中润滑剂的重要性的认识却是相当近代的事。
以下从塑性加工的几个方面简要叙述其摩擦和润滑的发展概况。
摩擦和润滑及发展历史锻造是问世最早的塑性加工技术、自然界中的金、银、铜等在公元前5000年就被锻打成薄片并制成首饰和工具。
当时进行塑性冷加工时并未采用任何润滑措施，但往往也无意中认识到某些物质的润滑作用而加以利用。
如为了制取色泽光亮的金叶而把黄金薄片置于动物毛皮问进行锻打。
公元前4000年就知道铜的退火，且热锻必须在退火后立即进行，因氧化铜是接触界面良好的润滑剂。
最早出现于公元前7世纪的古铜币就是用模具锻压成形的。
到18世：25用钢材制造火枪零件时，为了使其具有互换性而采用模锻的方法，加工中使用锯末、薄层重油或石墨与油的混合物作润滑剂。
塑性成形中摩擦与润滑问题初步再探讨徐慧1,郭胜利2，李天生2(1. 湖南建材高等专科学校 机械工程系, 湖南 衡阳 421008 )（2. 内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，呼和浩特 010062）摘要：本文从塑性成形工艺，金属表面涂层，模具表面处理，润滑剂的选用多角度探讨塑性成形中的摩擦与润滑问题，对塑性变形前金属涂层性能的要求进行了评价，最后简述了模具表面涂层处理和难熔金属塑性变形对润滑剂的要求。
关键词：塑性成形;摩擦与润滑;涂层;表面处理0引言塑性加工(挤压、拉拔、轧制、锻造、冲压等)过程中,变形金属与模具之间产生磨擦与摩擦力;摩擦力使得变形力增大,并引起变形的不均匀,从而引起金属内部组织的不均匀性;造成模具的磨损,降低寿命。
摩擦理论还很不准确,人们对摩擦的本质机理认识还不够,没有一种理想的物理模型或数学模型能圆满准确地描述塑性加工中的摩擦效应【1】。
摩擦与润滑仍然是塑性成形中研究的难点和热点，王志刚教授从环境保护角度，论述了塑性加工摩擦与润滑技术的发展新动向和用塑性加工技术成形高精度表面的原理及工艺条件【2】；郭正华等介绍了塑性成形过程摩擦测试研究方法和测试技术的研究现状与进展【3】；张正修等论述了冲压过程中的摩擦与润滑[4];杨洪波等对冷挤压流体动力润滑模型的建立进行了研究【5】；郑静风等研究了板料拉深成形润滑模式【6】等等。
然而从塑性成形方法，模具表面处理，金属表面涂层及润滑剂等角度全面探讨的报道并不多见。
1塑性成形中摩擦的特点与一般机械摩擦相比较，塑性成形中的摩擦的主要特点是【7】：1）接触表面所受压强大；热变形时有100～150MPa ，冷变形可达500～2500MPa因为压强大，接触表面要压扁，凸牙凹坑的相互咬合很厉害，故摩擦系数较高。
2）表面有更新作用，因为金属要产生塑性变形而表面不断扩大，致使内表不断涌出，新生表面一次的袒露，表面氧化膜、污染膜或润滑膜不断破坏，使金属塑性成形中的摩擦情况不断的变化。
塑性成形过程摩擦测试的研究进展作者：郭正华志刚黄重九董湘怀1 前言金属塑性成形是通过工模具将外力施加到工件上，利用工件的塑性，使其尺寸形状达到预定要求的加工工艺。
模具与工件表面之间或是存在着机械的相对运动，或是存在变形金属的塑性流动，因此不可避免地存在着摩擦。
塑性成形过程的摩擦与一般机械中的摩擦相比，有着一些固有特性，主要表现在：1）在产生摩擦过程中，作为摩擦副之一的变形工件，在外载荷的作用下连续地发生塑性变形，并且经常是大塑性变形，因此常称为塑性摩擦。
塑性摩擦应力的大小与金属的变形过程有关，同时，伴随塑性流动出现的摩擦应力反过来又对金属变形产生很大影响；2）由于工件产生塑性变形，使工件与模具表面接触的程度不断增加，氧化膜破裂和部新鲜金属向表面转移的概率也增加，这使得塑性成形过程中出现分子啮合力；3）在摩擦接触面上存在很大的正压力，此正压力在很多情况下远远大于被加工金属的屈服极限；4）塑性成形过程中金属产生的高温严重地影响润滑膜的形成和性能。
摩擦对塑性成形过程有着极其重要的影响。
对塑性成形过程中摩擦与润滑现象缺乏深刻的认识，经常导致出现以下问题：1）不良的摩擦与润滑状态，容易造成塑性成形过程中出现产品尺寸超差、表面质量达不到要求、塑性变形不足等缺陷；2）塑性成形过程有限元分析中接触和摩擦边界条件的不准确，将造成模拟分析结果与生产实际上不一致，严重影响了有限元分析技术在塑性成形中的应；3）模具与工件之间的剧烈磨损，使模具过早失效，降低了模具的使用寿命，大大增加了生产成本。
因此，为了合理控制和利用摩擦，优化模具及工艺设计，提高产品质量，降低不合格率，延长模具使用寿命，为今后从摩擦学角度来进行模具及工艺设计提供依据，有必要对塑性成形过程中的摩擦进行测试和研究。
2 模拟试验法塑性成形过程中的摩擦受诸多因素的影响，包括变形方式、金属的化学成分、模具的表面粗糙度、变形速度、单位面积上载荷的大小和变形温度等等。
因此，要找出一种适用于各种成形工况的摩擦测试方法是非常困难的。
模拟试验法针对不同的成形工艺，设计出与成形过程相近似的模拟试验装置，对该成形过程的摩擦进行测试，因而得到了比较广泛的运用。
各国学者在这方面做了大量的研究工作。
2.1体积成形时的摩擦测试C.И.古勃金于1934年提出一种锥形镦头镦粗法。
И.Я.塔尔诺夫斯基于1954年提出一种楔形试件镦粗法。
在20世纪50年代人们提出了一种圆环镦粗法进行摩擦测试。
该方法是把一定尺寸的圆环试件放在平镦头间进行镦粗，利用一环件径的变化作为摩擦力和摩擦系数的指标。
当摩擦系数很小时，所有的金属沿径向从中心向外流动，环件径增大，随着摩擦系数的增加，变形特征发生变化，一部分金属向外流动，而另外一部分金属向中方向移动。
从而在理论分析和实验的基础上，得出摩擦系数标定图表，以确定不同实验时的摩擦系数。
Male对圆环镦粗法进行了大量的研究，得出摩擦系数在干摩擦及固体润滑状态下有随应变速率的增加而增大的趋势。
同时，他还研究了该方法在典型塑性成形过程中的实用性、有效性和真实性。
其它曾广泛运用于体积成形，包括锻造、轧制、拉拔和挤压过程的模拟试验摩擦测试法，如锻造中的鼓度法、压力法、带剪切变形的镦粗法、修正压延法；轧制中的最大咬合角法、条材强迫制动法、扭矩法、组合法、极限压缩法、前前滑法、压力法；拉拔中的旋压拉模法、分段拉模法、拉拔力法和挤压中的挤压力法、双测力计法。
限于篇幅，本文只重点介绍塑性成形过程的摩擦测试的一些新的成果。
Petersen对圆环镦粗摩擦测试中圆环的形状进行了改进，设计出一种凹腰形的圆环，如图1所示，图中尺寸关系为A:B:C:D=6:4:3:2。
在较低的正向载荷的作用下，对该环件进行镦粗，并采用有限元方法获得摩擦系数确定图表。
Sofuoglu对圆环镦粗摩擦测试实验和摩擦系数标定曲线进行了分析，提出一种开式模具反向挤压成形（open-die backward extrusion）摩擦测试方法，以挤压高度来定量评估模具与工件接触表面的摩擦系数。
Wang设计出一种平面应变镦粗时测量摩擦力和流动应力的摩擦测试装置，如图2所示。
当工件为平面压缩变形时，其所受双面摩擦力可以传递至测力传感器并测量出来，从而得出平面应变镦粗时的摩擦力。
Pawelski针对一般锻造过程摩擦测试只能用于较小的应变速率的情况，设计出一种适用于高速自由锻非对称变形过程摩擦测试的模拟实验装置。
该方法对于估算应变速率高达1000s-1～2000s-1的塑性成形过程摩擦因子具有重要的实际意义。
Ahmed和Le设计出一种拉拔成形过程的摩擦测试实验装置，如图3所示。
应变片粘贴在模具固定架和夹头上，用来测量缩口力N和拉拔力F。
摩擦系数µ以通过计算式（1）来求得，式中ψ为条带试样和模具在咬合入口处的夹角。
F/N=2（µ+tanψ）（1-µtanψ）（1）2.2 板料成形时的摩擦测试到目前为止，板料成形过程模拟试验法摩擦测试主要是以简单的板料弯曲和反弯曲变形模拟复杂的板料成形过程，用一些模拟试验装置来代替板料成形模具，并测量出板料在弯曲反弯曲过程的摩擦力或摩擦系数。
拉力下板料弯曲摩擦测试实验（bending under tension friction test）是一种应用比较广泛在研究板料变形时摩擦学性能的实验，其原理如图4所示。
一金属条带状板料在两边力下以一定的速度成90°拉过圆辊，此时板料在与圆辊接触处发生局部弯曲和反弯曲变形。
接触面上的平均摩擦系数µ可以由式（2）求得。
式中，θ为板料和圆滚接触的包角，Fb为弯曲力。
一般情况，Fb与（F2 - F1）相比较小，故可省略。
该实验常被用来模拟和研究板料成形过程中板料拉过凸模圆角时的摩擦状态，如Hsu采用该方法进行了凸模圆角摩擦系数的测试实验。
自从Nine于1978年设计出一种模拟拉深筋的摩擦测试实验装置（图5）并进行了拉延筋的摩擦测试以来，人们对拉深筋处的摩擦问题和摩擦测试实验装置展开了研究，并在其基础上做了许多改进。
Sanchez与NADDRG（North America Deep Drawing Research Group）建立了类似的实验装置，如图6所示。
实验中，至少需两块相同的板料试样。
一块从活动的圆柱辊组中拉过，圆柱辊组通过各自轴承与固定机座相连，由于轴承处的摩擦为滚动摩擦，与滑动摩擦相比较小，可忽略不计。
此时，测出的拉力FR和夹紧力FCR为板料拉过圆柱辊组而发生弯曲反弯曲的变形抗力。
将另一块试样拉过同一个实验装置，但此时圆柱辊组固定在机座上，不能进行自由滚动，测出的拉力FP和夹紧力FC则既包含板料发生弯曲和反弯曲的变形抗力，同时还包含板料与圆柱辊组之间的滑动摩擦力。
摩擦系数µ可以由式（3）求得。
Duncan和Wang等人在标准拉伸实验机设计了模拟胀形的专用摩擦测试实验装置（图7），其中E1和E2为应变计，可以测量出板料不同部位的应变，从而可计算出力，则摩擦系数µ可以由式（4）得出。
该方法的特点是在滑动过程中允许在壁厚方向发生塑性变形，即厚向变薄。
其缺点是在进行测试前要将板料预成形为U形，导致材料部出现加工硬化，且板料与凸模的包角在实验过程中固定为90°，这与实际板料成形过程中包角发生变化有较大差别，对实验结果的精度会产生一定的影响。
Wang针对上述摩擦测试装置的缺点进行了改进，设计出一种模拟板料胀形时凸模圆角处摩擦状态的实验装置，如图8所示。
该装置考虑了润滑的影响，能模拟真实的变形过程和接触条件。
实验中板料的变薄和弯曲同时进行，同时板料与凸模的包角在变形过程中可以变化。
通过采用旋转圆棒消除弯曲变形对测试的影响，能直接控制和测量出载荷大小和加载行程，并由式（5）计算出摩擦系数µ。
(5)后来，王先生和康永林等又对该实验装置进行了改进，建立了一套采用液压伺服调节控制压边力和板料万能摩擦测试装置，使该装置能模拟板料胀形和拉深过程，并测量出摩擦系数。
2.3模拟试验法的特点塑性成形过程摩擦测试方法，从传统机械领域的台架实验发展到模拟成形过程的摩擦测试是很大的发展。
各种模拟试验法所得到的结果对于考察和处理相关的成形过程摩擦状态具有重要的指导意义。
模拟实验法是否有效，关键在于实验条件与实际塑性形成过程的一致性，即实验条件能模拟真实的塑性成形过程。
这包括工件的变形状态、模具与工件的材料、硬度、模具与工件的表面特征、润滑状态等必须尽可能一致。
否则，模拟实验的结果就可以与实际塑性成形过程的摩擦状态大相径庭。
Gibson等人认为，板料的拉弯试验与拉深之间没有联系，因为拉弯过程没有拉深过程的板料切向收缩的特点。
另外，模拟试验法还必须规实验条件，保证实验的再现性。
3 直接测量法直接测量法是指通过在模具表面安装传感器，直接测量真实塑性成形过程坯料和模具接触表面的正压力和摩擦力，从而得到摩擦系数的方法。
该方法在体积成形和板料成形中得到了广泛的应用。
直接测量法是由Г.Т.万乐仁，B.A.巴柯芬提出的。
他们用该方法最早得到了轧制和拉拔时摩擦力沿接触面分布的实验数据。
具体做法是：在变形工具中安装两个或3个销钉式测力计，一个垂直于表面，另外一个或两个倾斜一定的角度，如图9所示。
交通大学何丹农等对直接测量法进行了研究，开发了基于探针传感器的板料成形摩擦测试系统。
该系统能对板料成形过程压料面上的摩擦力及摩擦系数进行测定，并对拉深用润滑剂的润滑效果及其与板料成形工艺参数关系进行分析。
与模拟试验未能，直接测量法的优点在于：能够对真实的而不是模拟的塑性成形过程的摩擦进行测试；不依赖于特定的成形方法和工件特征，对包括体积成形和板料成形过程都适用；不需要假设整个接触面上的摩擦系数相同，能测量单个接触点的摩擦；该方法具有实时性和动态性，能够实现在线测量。
其缺点则是：必须在模具表面开设测力计或探针安装孔，有可能改变模具和工件表面的接触状态；由于受尺寸的限制，实际上只能测量有限个点的摩擦。
4 新型探针传感器作者设计了一种新型的探针传感器，用于测量板料成形过程的摩擦，其工作原理如图10所示。
垂直探针和水平探针分别测量出板料成形过程中板料作用在垂直探针上表面的切向力（即摩擦力）T和正压力N，从而可确定摩擦系数µ，却µ=T/N。
作者采用上述新型探针传感器，开发出1套铝合金板料温成形过程摩擦在线检测系统，对真实的铝合金板成形过程中的摩擦力与摩擦系数进行在线检测，并将其运用于铝合金圆筒形过程的摩擦测试。
整个板料温成形过程摩擦在线测试系统包括多用途三轴加载板材试验机1台（配备拉压力传感器、光栅尺和伺服控制阀）、DH5935动态应变测试系统1台、实验模具、加热管、加热板和热电偶、温度控制系统1台、自制探针传感器多个、计算机一台（控制、采集和分析）和自制的数据采集和分析软件。
