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。
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