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精密微型齿轮挤压成形工艺装备的研制
赵亚西
南京航空航天大学机电学院，南京（210016）
摘 要：微挤压成形技术是微塑性加工中一项重要技术。由于成形零件尺寸介于毫米级和微米级之间，因而对成形工艺装备的严密性和精密性提出了很高的要求。本文介绍了微型齿轮挤压成形工艺装备的研制过程，该装备主要由压电陶瓷驱动器提供挤压力，精密丝杠进行预加载，使用数据采集系统实时采集和记录数据，采用成形控制器对成形过程进行精密控制，借助PID温度控制器控制加热器，实现模具的恒温加载。 关键词：微挤压；工艺装备；微型齿轮；压电陶瓷 中图分类号：TG375 文献标识码：A
1. 引言
随着产品微型化趋势的发展，上个世纪九十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技术。微成形是指以塑性加工方式生产至少在二维方向上尺寸处于次毫米级的零件或结构的工艺技术。微成形技术具有高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、无污染、净成形等特点。因而在工业界得到了广泛的关注，成为近年来塑性加工技术研究的热点。
齿轮机构用于传递空间任意两轴之间的运动和动力，它是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。齿轮传动的特点是传递动力大、效率高、寿命长、工作平稳、可靠性高,被广泛应用于电子仪器仪表中。随着MEMS技术的飞速发展，对微齿轮的需求量必将大大增加。而目前微齿轮的主要制造方法有深反应离子蚀刻法和LIGA和准LIGA技术。LIGA技术是使用波长0.2-0.6nm 同步辐射X光来进行深光刻蚀。由于同步辐射X光具有波长短、绕射现象小、功率大、穿透力强等优点，使得LIGA技术制造出来的结构具有宽深比大、精度高、表面粗糙度低的特点[3]。但由于LIGA技术成本很高，生产效率低，不能满足规模化生产要求。在此背景下，微挤压成形技术应运而生，克服了上述的种种不足。目前，国外已经对微挤压成形技术展开了大量的研究工作，如日本Gunma大学Yasunori教授研制了一套微挤
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[2][1]
。该系统以螺压成形系统[4]（如图1所示）
线管直线驱动器提供挤压力，螺线管控制器对载荷进行控制，PID温度控制器控制电炉的加热温度，同时采用位移传感器对位移实时检测，整个系统在真空状态下工作。而国内对微成形技术研究还处于起步阶段，对微挤压成形装备的研制很少。
图1 微挤压成形装置
本文介绍了微型齿轮挤压成形工艺装备的研制过程及其关键技术，该装备主要由压电陶瓷提供挤压力，精密丝杠进行预加载，使用数据采集系统实时采集和记录数据，采用载荷控制器对成形过程进行精密控制，借助PID温度控制器控制加热器，实现模具的恒温加载。
2. 微型齿轮挤压成形装备的主
要结构
同传统模具结构类似，微齿轮挤压工艺装备主要由以下几个部分组成（如图2所示）：①精密丝杠②精密导向滑块③压电陶瓷驱动器④冲头⑤微齿轮模具⑥加热器⑦成形控制单元⑧微型计算机等。
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图4 压电陶瓷驱动器电压与力关系图
因此需对压电陶瓷驱动器进行标定，确
图2 微齿轮挤压工艺装备示意图
定电压Ui与位移△L、力△F之间的关系。由于压电陶瓷的位移分辨率极高（达到纳米级），完全满足了微齿轮挤压所需的小位移大载荷的要求。
微型齿轮模具是挤压装备中的关键零件，微型齿轮模具制造精度直接影响成形齿轮的精度和使用性能。目前，日本Gunma大学Y.Saotome教授采用光化学掩膜蚀刻法制造出了模数m=10µm，齿数z=10和模数（如m=20µm，齿数z=10的微型齿轮模具[46]
，
3. 微型齿轮挤压成形装备的功
能设计
精密丝杠实现预加载荷。考虑制造成本和对微细冲头刚性的影响，我们采用冲头与压电陶瓷驱动器浮动联结的方式，因而需要给丝杠预加一定的载荷，使压电陶瓷驱动器紧贴冲头；另外，要保证丝杠螺纹副间隙不超过2µm，防止过大间隙影响小位移挤压进给量。
精密导向滑块主要用于对压电陶瓷驱动器的精密导向。压电陶瓷驱动器与滑块刚性联结，调节丝杠可以实现压电陶瓷驱动器与滑块一起移动。滑块在整个行程导上向精度≤0.5µm，满足挤压过程中压电陶瓷驱动器和冲头的对中性要求。
压电陶瓷驱动器作为装备的驱动部分，为冲头提供挤压载荷，其优点在于体积小、位移分辨率极高、响应速度快、输出力大、换能效率高、不发热、采用相对简单的电压控制方式、位移重复性好，在理想状态下，力、位移和电压成线性关系。但由于压电陶瓷具有迟滞和蠕变特性，使得压电陶瓷输出。 特性呈非线性关系[5]（如图3、4所示）
图5，6所示）。
图5 微型齿轮模具m=10µm/z=10
图6 微型齿轮模具m=20µm/z=10
该方法的优点是刻蚀精度较高、轮廓清晰，表面粗糙度达Ra2µm 。但是，由于光化学玻璃蚀刻深度小（界于几十微米到几百微米之间），玻璃材质机械强度较低，使得微型齿轮模具的使用性能受到一定的。
图3 压电陶瓷驱动器电压与位移关系图
采用[7]超细慢丝(30µm)线切割加工机床，用
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不锈钢加工出型齿轮模具模数m=0.1mm，齿数z=10，表面粗糙度为Ra0.1µm，厚度为3mm（如图7所示）。
图8 成形控制流程图
5. 微型齿轮挤压成形的两种工作方式
图7 微型齿轮模具
根据控制系统的特点，微型齿轮挤压成形具有恒力和恒速两种工作方式。
恒力工作方式过程如下：首先设定系统工作压力，调节丝杠使压电陶瓷驱动器紧贴冲头，压电陶瓷驱动器将设定的压力施加到冲头上实现第一次挤压，当压电陶瓷驱动器达到最大位移后停止加载，调节丝杠使压电陶瓷驱动器紧贴冲头，再进行第二次挤压，依此反复循环，直到完成对坯料的全部挤压成形。
恒速工作方式过程类似于恒力工作方式，只是要先设定压电陶瓷驱动器的工作速度（1-2µm/s），使冲头以设定速度对坯料进行挤压。
温度控制系统主要包括加热器、热电耦和PID温度控制器。加热器放置在模具内部，对模具和坯料进行整体加热，热电耦用来检测温度，PID温度控制器显示温度数值，并对加热温度进行调节，以实现坯料恒温（误差小于1°C）挤压。
检测控制模块主要将成形过程的工艺参数传输给数据记录和处理模块，并实时反馈给控制系统，实现闭环控制。检测对象主要包括力和位移，由力和位移传感器实现力和位移的精确检测。
成形控制单元主要由压电陶瓷驱动器和成形控制器两部分组成。成形控制器包括压电陶瓷驱动电源和程序控制系统。程序控制系统实现对成形参数的输入和调整，并将指令传输给压电陶瓷驱动器，控制其动作。
6. 微型齿轮挤压成形的关键技术问题
首先，由于成形零件的尺寸极其微小，导致与传统宏观零件的挤压成形过程有很大差异，这就是所谓的尺寸效应。由于尺寸效应的影响，材料的流动应力、各向异性、延展性和材料的成形极限等都发生了变化。我们很难建立起微观尺寸下金属成形工艺的理论体系。这就影响了我们对成形过程（如坯料能否准确贴模、流动应力大小的预测、摩擦力大小的确定等）的精确控制。所以，一些成形参数很大程度上需要靠实验者的经验和反复试验来获取。
其次，微型齿轮模具的制造精度决定实验的成败。由于尺寸极其微小，必须考虑加工机床的运动副间隙大小的影响，传统的设
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4. 微型齿轮挤压成形过程控制
首先在成形控制程序系统中输入成形参数，系统运行后，将参数化指令传输给成形控制器，控制压电陶瓷驱动器动作，从而将压力传递给冲头挤压坯料。同时，力和位移传感器将检测到的信号传递给成形控制器，实现闭环控制，控制流程图如图8所示。
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备显然很难满足这一要求，这就需要开发高精度的加工设备。
最后，微型齿轮挤压成形装备的刚度对成形过程也产生一定的影响。包括冲头的刚度和支架的刚度，如果冲头刚度不足，很可能由于压电陶瓷驱动器和冲头的对同轴度误差过大，导致微细冲头折断。同时对装备安装精度提出了很高的要求。
题作了分析。
参考文献
[1]M. Geiger, M. Kleiner, R. Eckstein, N.Tiesler, U.
Engel, Microforming, Ann. CIRP 50(2) (2001)445-460
[2] 郑文纬，吴克坚 机械原理，高等教育出版社。 [3]http://elearning.stut.edu
[4]Y.Saotome,H.Iwazaki.Superplastic extrusion of microgear shaft of 10µm
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[6]Y.Saotome,H.Iwazaki.Superplastic backward microextrusion of microparts for micro-electro-mechanical system
姜吉涛等 微小齿轮模具的微细电火花[7] 狄士春，
线切割加工研究，电加工与模具，2004（6）：9~12
7. 结束语
据微型齿轮挤压成形的工艺特点，设计了一套微型齿轮挤压成形工艺装备，对一些关键的零部件的功能作了详细的分析，同时介绍了成形过程的控制方式及具体操作过程，最后对微型齿轮挤压成形的关键技术问
Research on Micro-gear Extrusion Technics and Apparatus
College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and
Astronautics, Nanjing (210016) Abstract
Micro-forming is one of the key technologies in micro-plastic-forming fabrication. High requirements of strictness and precision for the technics and apparatus are needed due to the parts dimension between millimeter and sub-millimeter. This paper has introduced the research process on micro-gear extrusion technics and apparatus. The extrusion force is produced by piezo actuator, and a precision screw driven bolt is selected to preload. A measurement system has been designed to measure results of tests and deal with the data immediately, and a forming control unit is selected to control the forming process. The PID control unit is used to control the heater and realize the die to work under the constant temperature.
Keywords: Micro-extrusion; technics and apparatus; micro-gear; piezo
Zhao Yaxi
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