摘要: 利用自行研制的精密微塑性成形设备，对铝合金微型齿轮的等温精密成形工艺进行了研究，成功地获得了质量良好的节圆直径为Φ的5A02铝合金微型齿轮。金相分析表明微型齿轮的齿部流线沿齿形轮廓分布，这有利于提高齿轮的承载能力和抗疲劳强度。纳米硬度分析表明微型齿轮的纳米硬度分布也有利于提高齿轮的抗疲劳强度。使用等温精密微成形技术可以制造出质量良好的微型齿轮。
关键词: 微型齿轮；微塑性成形；流线；纳米硬度
中图分类号：TG306 文献标识码： 文章编号：
Study on precision isothermal micro forming technology of aluminum alloy micro-gears
Jian ZHOU, Chunju WANG, Debin SHAN, Bin GUO (School of Material Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)
Abstract:The precision isothermal forming technology of aluminum alloy micro-gears is studied with a special micro-plastic forming apparatus. 5A02 aluminum alloy micro-gears of 1mm in pitch diameter have successfully been fabricated. The metallographic analysis of themicro-gear indicates that the flow lines of teeth form follow the contour of the teeth shape, which can improve the bearing capacity and the fatigue resistance of the micro-gear. Furthermore, it is found that the nano-hardness distribution of micro-gear can also improve its fatigue resistance. As a result, micro-gears that are of high quality can be made by precision isothermal micro forming process.
Keyword: micro-gear; micro forming; flow line, nano-hardness
0 引言
齿轮是一种应用极为广泛的机械传动零件。齿轮传动具有传动平稳可靠、传动效率高、传递功率范围广、速度范围大、结构紧凑、维护简便和使用寿命长等优点[1]。因此，它在各种机械设备和仪器仪表中被广泛使用。随着微机电系统(Micro electro mechanical systems，MEMS)的飞速发展，作为重要结构件的微型齿轮的需求也急剧增长。目前，精密微型齿轮主要的制造方法是LIGA和准LIGA技术。LIGA和准LIGA技术能够加工三维微机构零件，获得的结构具有较大的深宽比和精细的结构，深宽比可达100以上，且沿深度方向的直线性和垂直度非常好，表面粗糙度可小于Ra0.1μm，图1是Faulhaber公司用该技术制造出的微型齿轮机构[2]。但该技术加工周期长、生产效率低且成本高，因而极大地限制了LIGA和准LIGA技术的应用[3]。
图1 LIGA技术生产的微型齿轮[2]
Fig.1 Micro-gear made by LIGA
微塑性成形技术(Plastic micro forming)是以塑性变形的方式来生产毫米级到微米级的微型零件的技术。微塑性成形技术以其工艺简单、生产成本低、成形件质量好、生产效率高等优点，在微机电系统零件的规模化生产中具有广泛的应用前景[4,5]。国外对微型齿轮的微塑性成形技术已开展了研究工作，如日本的Saotome分别用闭式模锻和挤压的方法成形出了微型齿轮，而且使用所成形的微型齿轮成功地制作出减速比为1/128的减速机构[6～8]。图2是微型齿轮挤压成形件的照片。国内对微塑性成形技术的研究才刚刚起步。本文将对微型齿轮的等温精密成形工艺进行研究，并对微型齿轮成形件进行流线组分析和纳米硬度测试。 
图2挤压成形的微型齿轮[8]
Fig.2 Formed micro-gear shaft by forward extrusion
1 微成形实验条件
1.1 微型齿轮成形方案
由于微型齿轮的成形过程较为复杂，尺寸也很小，若采用通常的模具结构，成形件不仅填充困难，成形后也很难从模具中取出。因此，本文设计了一种浮动模具结构，如图3所示。在此结构中凹模部分是可以浮动的，随冲头的压入向下移动，这不仅使变形过程中的成形载荷能有效地加载到坯料上，而且使坯料与凹模的摩擦力有利于金属的填充。
图3浮动模具成形示意图
Fig.3 Schematic diagram of the floating die assembly
1.2 微成形实验装置及微型齿轮模具
图4是自行研制的精密微塑性成形系统的结构示意图。该系统采用手动旋钮来实现冲头较大范围内的移动，采用压电陶瓷作为微动驱动器来精确地完成微成形过程。该系统可以实现宏微的交替驱动并实时精确地控制成形温度、加载速度和输出位移[9]。实验中成形的微型齿轮为渐开线齿轮，分度圆直径为Φ，模数为0.1mm，齿数为10个。微型齿轮模具采用精细线切割加工，模具的工作表面粗糙度小于Ra1µm。
图4 微成形系统结构示意图[9]
Fig.4 Schematic diagram of the micro-forming apparatus
1.3 微型齿轮成形实验
实验用的材料是东北轻合金加工厂提供的5A02铝合金，用线切割加工出直径d为Φ0.7mm，高度h为1.0mm的圆柱形坯料。使用精密微塑性成形系统进行微型齿轮的等温闭式模锻实验，实验中使用水剂石墨作为润滑剂，采用成形系统的数据采集系统采集数据。
2 实验结果讨论
2.1 微型齿轮的成形过程
图5是5A02铝合金微型齿轮微成形时的载荷-行程曲线。通过分析可以将微型齿轮的成形过程分为三个阶段。第一阶段OA是变形的初期阶段；第二阶段AB是充填阶段，该阶段是微型齿轮成形的主要阶段；第三阶段BC为最后充满阶段。成形完毕后的5A02铝合金微型齿轮如图6所示，微型齿轮基本填充饱满。
图5 微型齿轮成形过程阶段示意图
Fig.5 Schematic diagram of the stage forming process
图6 微型齿轮的SEM照片
Fig.6 SEM photograph of a micro-gear
2.2 微型齿轮的流线分析
制作金相试样，对试样进行粗磨、细磨、抛光和腐蚀，腐蚀液采用氢氧化钠溶液，最后采用奥林巴斯金相显微镜对流线组织进行观察和分析。图7是5A02铝合金微型齿轮的纵向截面流线。由图可见，流线在齿轮齿部的上下两端发生了较大的弯曲，越靠近两端弯曲越大，这是由于坯料上下两端金属表面和模具之间存在摩擦力，相对中间部分变形要更困难些，因此中间的流线较直而两端的流线发生弯曲。
图7 微型齿轮的纵向截面流线 ×100
Fig.7 Flow line in the longitudinal cross-section of the micro-gear
图10是5A02铝合金微型齿轮的横向截面流线。由图可见，在横向截面上各个部位的流线弯曲程度和密度也是不同的。齿根和齿槽的流线弯曲剧烈，密度最大，齿顶的流线密度次之，齿轮心部的流线平直而且均匀。此外，可以明显看见齿形表面的流线分布完整且沿齿轮齿廓分布，这可使齿轮表面组织均匀和力学性能提高，从而提高微型齿轮的承载能力和弯曲疲劳强度。 
图8 微型齿轮的横向截面流线 ×200
Fig.8 Flow line in the transversal cross-section of the micro-gear
图9 纳米硬度测量的取点位置
Fig.9 Points position of the nano-hardness messurement
2.3 微型齿轮的纳米硬度分析
利用Nano Indenter XP型纳米硬度计，通过纳米压痕的方法测定微型齿轮成形件横向截面的纳米硬度分布。5A02铝合金微型齿轮的横向截面纳米硬度测量的取点位置如图9所示。测量点分别取在微型齿轮的中心（A点）、齿根（B点）、齿槽（C点）和齿顶（D点）。图10是在冲头速度为2µm/s，成形载荷为300N，保压时间为200s，成形温度分别为340℃、400℃、450℃时微型齿轮上各个测量点的纳米硬度－成形温度曲线。由于加工硬化的作用，金属变形越剧烈的部位的纳米硬度应该越高。比较不同位置的纳米硬度，可以看出，齿轮的齿槽和齿根的纳米硬度最高，齿顶次之，齿轮中心部位最低，这说明齿部的金属的变形程度和加工硬化要比中心部位大。这种硬度分布使得齿轮工作部分的强度高于心部，利于提高齿轮的抗疲劳强度。从图中还可以看出，成形温度对纳米硬度有较大的影响，纳米硬度一般随着成形温度的升高而降低，这是因为成形温度越高，回复再结晶就越充分，加工硬化也就消除地越充分，从而造成了纳米硬度的下降。此外，不同位置的纳米硬度随着成形温度的降低差距增大。这是因为成形温度越低，各部位加工硬化程度的差距也越大，从而增大了各部位纳米硬度的差距。 
图10 成形温度对纳米硬度的影响
Fig.10 Influences of temperature on nano-hardness
3 结论
（1）自行研制的精密微塑性成形系统可用于铝合金微型齿轮的等温精密成形，利用该系统成形出了质量良好的节圆直径为Φ的5A02铝合金微型齿轮；
（2）微型齿轮的成形过程分为三个阶段，分别是初期阶段、充填阶段和最后充满阶段；
（3）采用等温精密成形的微型齿轮可以得到完整的流线分布，齿形表面流线沿齿形轮廓分布，这有利于提高齿轮的承载能力和抗疲劳强度；
（4）微型齿轮的齿部的纳米硬度高于齿轮心部，利于提高齿轮的抗疲劳强度，齿轮的纳米硬度随成形温度的增加而减小。
参考文献
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[2] W. Ehrfeld, M. Begemann, U. Berg, A. Lohf, F. Michel, M. Nienhaus. Highly parallel mass fabrication and assembly of microdevices. Microsystem Technologies. 2001,7:145～150.
[3] 章吉良, 杨春生. 微机电系统及其相关技术. 上海交通大学出版社. 2001:1～2.
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[5] U. Engel,R. Eckstein. Mciroforming—from basic research to its realization. Processing Technology.2002,125-126:35～44.
[6] Y. Saotome, A. Itoh, S. Amada. Supperplastic Micro Forming of Double Gear for Milli-machines. Proceeding of the 4th ICTP. 1993:2000～2005.
[7] Y. Saotome, H. Iwazaki, Superplastic extrusion of microgear shaft of 10 µm in module. Microsystem Technologies. 2000,6:126～129.
[8] Y. Saotome, H. Iwazaki. Superplastic Backward Microextrusion of Microparts for Micro-electro-mechanical Syatems. J. of Mater. Process. Tech.. 2000, 119:307～311.
[9] 王春举. 微型器件精密微塑性成形技术研究. 哈尔滨工业大学硕士论文. 2003:36.
作者简介
周健，男，25岁，博士研究生
Email: joezhoujian@hit.edu.cn
电话：13633603770
*国家“863”计划MEMS重大专项(2002AA404060和2004AA404260)，国家自然科学基金(50275033)
**男，25岁，博士研究生(end)
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