大面积阵列微流道电磁成形实验研究
伴随着微电子机械、微电子工业、精密机械工业的迅速发展，人们对微零件的需求越来越多，电磁微成形技术应运而生。电磁微成形技术是对金属塑性加工工艺中的金属变形的高能量利用率，该技术继承了传统塑性加工的优点，提高了材料的塑性和成形极限，同时也能避免模具装配的大问题，更适合制造微构件。本课题采用控制变量法分别对对材料参数、电参数、模具参数进行了阵列微流道电磁成形实验研究，分析了工艺参数对实验的影响。研究结果表明：采用电阻率较低、屈服强度高的材料和使用凹模，以及随着放电能量、频率和次数的增加，成形的阵列通道的胀形高度和均匀性提高，成形效果也更好。关键词 电磁微成形，塑性加工工艺，微通道目 录
1 绪论 1
1.1 电磁成形技术的发展现状 1
1.2 电磁成形实验系统及成形原理 2
1.3 电磁成形特点 3
1.4 电磁微成形研究现状 4
1.5 本课题要研究和解决的问题 5
2 实验条件 6
2.1 实验装置 6
2.2 材料的选择 6
2.3 模具的制备 7
3 实验及工艺参数对阵列通道电磁微胀形的影响规律 7
3.1 材料对微胀形的影响规律 8
3.2 放电能量对微胀形的影响规律 9
3.3 放电频率对微胀形的影响规律 11
3.4 放电次数对微胀形的影响规律 13
3.5 模具形式对微胀形的影响规律 14
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
在制造行业不断增长的情况下，微型电子产品和精密机械产品的开发也越发重要，人们对微型零件的需求也越来越大。特别是发展迅速的微机电系统和微纳米技术，在很大程度上加快了微机械加工技术的飞速发展，还有超精密加工，深反应离子蚀刻等微加工技术。高效率、批量化、高精度等是微型化制造业所独有的特点，然而，这些性质很大程度上约束了微细技术的应用。作为高成形技术，塑性微成形通过塑性加工法制造工件，并且所得的零部件在二维方向上小于一毫米[1]，塑性微成形工艺研究主要集中在薄板微冲压成形和微体积成形这两
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件的需求也越来越大。特别是发展迅速的微机电系统和微纳米技术，在很大程度上加快了微机械加工技术的飞速发展，还有超精密加工，深反应离子蚀刻等微加工技术。高效率、批量化、高精度等是微型化制造业所独有的特点，然而，这些性质很大程度上约束了微细技术的应用。作为高成形技术，塑性微成形通过塑性加工法制造工件，并且所得的零部件在二维方向上小于一毫米[1]，塑性微成形工艺研究主要集中在薄板微冲压成形和微体积成形这两个方面[2]。此技术继承了传统技术的优点，例如较高生产效率、较低的材料损耗等，更加适合大规模的生产。但是由于零部件小型化，它也存在很多不足之处。
与传统成形工艺相比，微成形更加复杂。这是因为组件尺寸很小，会引起微尺度效应。因此不能在宏观下进行研究。随着零件的小型化，人们发现在制造装置时也有难度大，成本增加，以及模具与模具之间的配合困难等问题。因此，很多学者通过研究希望在不丢失传统技术优良特性的前提下，找到新的塑性微成形加工技术。电磁成形技术是基于通过强磁场，没有直接接触，便可以使金属发生变形。电磁成形时，金属材料的塑性成形极限和材料的成形极限有了极大的提高，电磁成形出的零件质量好，精度高，电磁成形装置易于控制并且重复性好，容易实现机械自动化。因此，电磁微成形技术一经兴起便发展迅速。近年来，电磁微成形作为微细加工技术[3]中的一项重要的技术，越来越受到人们的广泛关注。
目前，它已被广泛的应用于汽车、仪器仪表、军工、宇航等领域[4]。电磁微成形是一种高能率和高效率成形技术[5]，该技术能够有效地提高材料的延展性和成形极限，从而极大的避免了模具装配的高难度问题。由于其具有独特的优势相比于传统的成形方法，所以对于一些特殊零件的成形生产具有重要的意义，在微制造业将具有广阔的发展前景。
1.1 电磁成形技术的发展现状
在二十世纪六十年代，美国最先开始研究电磁，继而慢慢转向该成形技术。在二十世纪二十年代，物理学家卡普提拉在脉冲磁场实验分析时，发现了有关电磁的一些重要的现象。实验过程中金属线圈会不由自主的形成脉冲磁场膨胀，当膨胀达到一定极限时便会爆炸，这是关于电磁成形最早的发现。
1958年，世界上第一个电磁成形设备于国际和平原子能会议上面世。
1962年，美国科学家布劳尔和哈里发明了第一台用于工业生产的电磁成形机，引起了各工业国的大力关注。
二十世纪六十年代中期，世界上出现了储能为50千焦耳和200千焦耳甚至更高的400千焦耳的电磁成形装置。二十世纪七十年代中期，世界上已有超过五百台电磁成形机运行于工业以及各种生产线上。到了二十世纪八十年代中期，电磁成形已在前苏联和美国、日本等发达国家得到普遍应用。在1994年，村田真又采用电极直接接触法对管料进行电磁胀形实验，该实验研究了电流对管材以及其它材料的变形的影响因素，并且利用有限元法进行了电磁胀形过程中的特性分析。
我国对电磁方面的研究较于其它发达国家晚，最早对电磁成形技术的研究开始于二十世纪六十年代。在二十世纪七十年代末期，黑龙江哈尔滨工业大学着手研究电磁成形的基本理论和电磁成形工艺，并在具有基本实验装置的基础上，于1986年成功研制出了我国首台电磁成形机用于生产。目前，国内已有多所高校和研究院开展了电磁成形技术的研究，并将其研制出的电磁设备应用于实际生产当中。
1.2 电磁成形实验系统及成形原理
电磁成形是一种高速、短脉冲加工技术，同时具有较高的能量率。该技术用于金属材料的塑性加工，其加工方法是将储存在设备中的电能转换成金属塑性变形能，该能量使材料改变形状，并最终达到目的。
电磁成形实验有高压电源放电回路系统等，具体的如图1.1
图1.1 电磁成形实验系统
其中存储的能量公式为：
W=CU2/2 (1-1)
式中：C——储能电容器容量(μF)；U——储能电容器电压(V)；
瞬时放电功率：
P=W/T=CU2/2T (1-2)
式中：T——储能电容器放电时间。
1.2.1 电磁成形原理
先在储能系统中存储电能，充电结束后关闭开关。瞬时释放电能，产生强脉冲电流。因此，对于铜、低碳钢等拥有优越电导率的材料，使用电磁成形的效果较好。而材料使用率与电导率成正比，为了达到所需的效果，可以采用箔板（电阻高）来辅助驱动。同时，在设备方面，也可以通过增大同一时间的放电次数来获得同一效果。
1.3 电磁成形特点
电磁成形是一种高能量率技术，在电磁力的驱动下，胚料将产生快速运动继而最终发生变形。此变形速
1 绪论 1
1.1 电磁成形技术的发展现状 1
1.2 电磁成形实验系统及成形原理 2
1.3 电磁成形特点 3
1.4 电磁微成形研究现状 4
1.5 本课题要研究和解决的问题 5
2 实验条件 6
2.1 实验装置 6
2.2 材料的选择 6
2.3 模具的制备 7
3 实验及工艺参数对阵列通道电磁微胀形的影响规律 7
3.1 材料对微胀形的影响规律 8
3.2 放电能量对微胀形的影响规律 9
3.3 放电频率对微胀形的影响规律 11
3.4 放电次数对微胀形的影响规律 13
3.5 模具形式对微胀形的影响规律 14
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
在制造行业不断增长的情况下，微型电子产品和精密机械产品的开发也越发重要，人们对微型零件的需求也越来越大。特别是发展迅速的微机电系统和微纳米技术，在很大程度上加快了微机械加工技术的飞速发展，还有超精密加工，深反应离子蚀刻等微加工技术。高效率、批量化、高精度等是微型化制造业所独有的特点，然而，这些性质很大程度上约束了微细技术的应用。作为高成形技术，塑性微成形通过塑性加工法制造工件，并且所得的零部件在二维方向上小于一毫米[1]，塑性微成形工艺研究主要集中在薄板微冲压成形和微体积成形这两
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
件的需求也越来越大。特别是发展迅速的微机电系统和微纳米技术，在很大程度上加快了微机械加工技术的飞速发展，还有超精密加工，深反应离子蚀刻等微加工技术。高效率、批量化、高精度等是微型化制造业所独有的特点，然而，这些性质很大程度上约束了微细技术的应用。作为高成形技术，塑性微成形通过塑性加工法制造工件，并且所得的零部件在二维方向上小于一毫米[1]，塑性微成形工艺研究主要集中在薄板微冲压成形和微体积成形这两个方面[2]。此技术继承了传统技术的优点，例如较高生产效率、较低的材料损耗等，更加适合大规模的生产。但是由于零部件小型化，它也存在很多不足之处。
与传统成形工艺相比，微成形更加复杂。这是因为组件尺寸很小，会引起微尺度效应。因此不能在宏观下进行研究。随着零件的小型化，人们发现在制造装置时也有难度大，成本增加，以及模具与模具之间的配合困难等问题。因此，很多学者通过研究希望在不丢失传统技术优良特性的前提下，找到新的塑性微成形加工技术。电磁成形技术是基于通过强磁场，没有直接接触，便可以使金属发生变形。电磁成形时，金属材料的塑性成形极限和材料的成形极限有了极大的提高，电磁成形出的零件质量好，精度高，电磁成形装置易于控制并且重复性好，容易实现机械自动化。因此，电磁微成形技术一经兴起便发展迅速。近年来，电磁微成形作为微细加工技术[3]中的一项重要的技术，越来越受到人们的广泛关注。
目前，它已被广泛的应用于汽车、仪器仪表、军工、宇航等领域[4]。电磁微成形是一种高能率和高效率成形技术[5]，该技术能够有效地提高材料的延展性和成形极限，从而极大的避免了模具装配的高难度问题。由于其具有独特的优势相比于传统的成形方法，所以对于一些特殊零件的成形生产具有重要的意义，在微制造业将具有广阔的发展前景。
1.1 电磁成形技术的发展现状
在二十世纪六十年代，美国最先开始研究电磁，继而慢慢转向该成形技术。在二十世纪二十年代，物理学家卡普提拉在脉冲磁场实验分析时，发现了有关电磁的一些重要的现象。实验过程中金属线圈会不由自主的形成脉冲磁场膨胀，当膨胀达到一定极限时便会爆炸，这是关于电磁成形最早的发现。
1958年，世界上第一个电磁成形设备于国际和平原子能会议上面世。
1962年，美国科学家布劳尔和哈里发明了第一台用于工业生产的电磁成形机，引起了各工业国的大力关注。
二十世纪六十年代中期，世界上出现了储能为50千焦耳和200千焦耳甚至更高的400千焦耳的电磁成形装置。二十世纪七十年代中期，世界上已有超过五百台电磁成形机运行于工业以及各种生产线上。到了二十世纪八十年代中期，电磁成形已在前苏联和美国、日本等发达国家得到普遍应用。在1994年，村田真又采用电极直接接触法对管料进行电磁胀形实验，该实验研究了电流对管材以及其它材料的变形的影响因素，并且利用有限元法进行了电磁胀形过程中的特性分析。
我国对电磁方面的研究较于其它发达国家晚，最早对电磁成形技术的研究开始于二十世纪六十年代。在二十世纪七十年代末期，黑龙江哈尔滨工业大学着手研究电磁成形的基本理论和电磁成形工艺，并在具有基本实验装置的基础上，于1986年成功研制出了我国首台电磁成形机用于生产。目前，国内已有多所高校和研究院开展了电磁成形技术的研究，并将其研制出的电磁设备应用于实际生产当中。
1.2 电磁成形实验系统及成形原理
电磁成形是一种高速、短脉冲加工技术，同时具有较高的能量率。该技术用于金属材料的塑性加工，其加工方法是将储存在设备中的电能转换成金属塑性变形能，该能量使材料改变形状，并最终达到目的。
电磁成形实验有高压电源放电回路系统等，具体的如图1.1
图1.1 电磁成形实验系统
其中存储的能量公式为：
W=CU2/2 (1-1)
式中：C——储能电容器容量(μF)；U——储能电容器电压(V)；
瞬时放电功率：
P=W/T=CU2/2T (1-2)
式中：T——储能电容器放电时间。
1.2.1 电磁成形原理
先在储能系统中存储电能，充电结束后关闭开关。瞬时释放电能，产生强脉冲电流。因此，对于铜、低碳钢等拥有优越电导率的材料，使用电磁成形的效果较好。而材料使用率与电导率成正比，为了达到所需的效果，可以采用箔板（电阻高）来辅助驱动。同时，在设备方面，也可以通过增大同一时间的放电次数来获得同一效果。
1.3 电磁成形特点
电磁成形是一种高能量率技术，在电磁力的驱动下，胚料将产生快速运动继而最终发生变形。此变形速
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