本發(fā)明屬于塑性加工領(lǐng)域，具體涉及一種高疲勞壽命平面微型彈簧的制備方法。

背景技術(shù)：

微型平面彈簧，作為系統(tǒng)中的“關(guān)節(jié)”機(jī)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于執(zhí)行器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等MEMS器件中。

現(xiàn)階段，微型平面微彈簧的主要制備方法就是采用LIGA技術(shù)，該技術(shù)包含了X光深度同步輻射光刻、電鑄成型和塑鑄三個(gè)工藝流程。但昂貴的X射線光源和復(fù)雜的掩模板使生產(chǎn)成本居高不下，不利于MEMS市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大。采用傳統(tǒng)的LIGA技術(shù)制備的平面微彈簧，其內(nèi)部晶粒主要為等軸晶，在拉伸實(shí)驗(yàn)及滑塊彈簧拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中微彈簧在多次拉伸之后塑性變形不能恢復(fù)原狀，甚至發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為疲勞壽命低，實(shí)用性差。

擠壓成形作為微型平面彈簧常用的成形方法之一，包括冷擠壓成形、溫?cái)D壓成形和熱擠壓成形三種。擠壓成形是利用高壓將金屬坯料從相應(yīng)的擠壓模的?？字袛D出而成形的一種壓力加工方法。擠壓過(guò)程中，金屬坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形，可提高金屬坯料的塑性，有利于擴(kuò)大金屬材料的塑性加工范圍。擠壓可以成形各種形狀復(fù)雜、深孔、薄壁和異型截面的零件，且零件尺寸精度高，表面質(zhì)量好。金屬擠壓已經(jīng)成為塑性成形領(lǐng)域最重要的方法之一。

擠壓成形時(shí)金屬坯料的組織性能直接影響成形后微彈簧的壽命，文獻(xiàn)“洪祥挺，QA17銅合金微型平面彈簧冷擠壓成形工藝及性能研究[D].南京理工大學(xué)，2015”研究了工藝參數(shù)對(duì)平面微型彈簧疲勞壽命的影響。而目前利用擠壓成形的方法制備的平面微彈簧，其內(nèi)部晶粒依然為等軸晶，而且在擠壓過(guò)程中容易導(dǎo)致彈簧內(nèi)部形成孔洞或者產(chǎn)生表面缺陷，而這些缺陷往往會(huì)成為應(yīng)力高度集中區(qū)和疲勞裂紋源，嚴(yán)重限制了平面微彈簧的疲勞壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高疲勞壽命平面微型彈簧的制備方法，改善微彈簧內(nèi)部組織性能，解決以往直接擠壓成形容易產(chǎn)生孔洞和裂紋等缺陷導(dǎo)致最終成形的微彈簧疲勞壽命降低的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種高疲勞壽命平面微型彈簧的制備方法，包括制備步驟如下：

1）將金屬坯料進(jìn)行均勻化退火使內(nèi)部組織均勻化，并通過(guò)塑性加工方法獲得纖維組織；

2）將步驟1）塑性加工過(guò)的金屬坯料再次退火消除內(nèi)應(yīng)力，并機(jī)械加工成所需尺寸的金屬坯料，再通過(guò)塑性加工方法實(shí)現(xiàn)金屬坯料的預(yù)成形；

3）將步驟2）所制得的預(yù)成形的金屬坯料擠壓成形微型彈簧柱，并機(jī)械加工成厚度小于1mm的平面微型彈簧。

優(yōu)選的，在步驟1）中，所述金屬坯料可以為QAl₇坯料、65Mn彈簧鋼、65#碳素鋼、QBe₂鈹青銅、鉻釩彈簧鋼50CrVA、錫青銅QSN6.5-0.1中的一種或者其他材料。

優(yōu)選的，在步驟1）中，所述的塑性加工方法為軋制、擠壓、冷軋中的一種。

優(yōu)選的，在步驟2）中，預(yù)成形時(shí)的金屬坯料受力方向與其內(nèi)部纖維組織方向保持垂直且平行于金屬坯料的長(zhǎng)度方向。

優(yōu)選的，在步驟2）中，所述線切割金屬坯料為塊狀，尺寸為a×b×d，a=1.0-7.0mm，b=1.0-12.0mm，d=0.5-4.0mm。

優(yōu)選的，在步驟2）中，預(yù)成形后的金屬坯料的線寬是最終平面微型彈簧線寬的1.05～2.0倍。

優(yōu)選的，在步驟3）中，擠壓成形時(shí)的擠壓桿運(yùn)動(dòng)方向即主應(yīng)力方向垂直于預(yù)成形前的金屬坯料內(nèi)部纖維組織方向。

優(yōu)選的，在步驟3）中，將預(yù)成形的金屬坯料裝入模具，在擠壓桿的擠壓力作用下，金屬坯料流入模具成形為微型彈簧柱，擠壓過(guò)程中擠壓比小于1.5。

優(yōu)選的，在步驟3）中，所制得的平面微型彈簧的厚度小于1mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有的直接擠壓成形的技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)為：

本發(fā)明通過(guò)軋制等塑性加工方法獲得具有纖維組織的金屬坯料，先利用彎曲等塑性方法使其產(chǎn)生小變形量的預(yù)成形，然后再次擠壓成形平面微型彈簧。一方面，通過(guò)軋制使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生纖維組織。通過(guò)本發(fā)明提供的方法，可以形成全部平行于工作表面的纖維狀組織，這可進(jìn)一步提高擠壓成形的平面微彈簧疲勞壽命。

另一方面，將傳統(tǒng)的直接擠壓成形過(guò)程分解為預(yù)成形和最終成形兩個(gè)階段，減少了各道次所需的變形程度，可以減少、甚至消除表面裂紋和內(nèi)部孔洞等缺陷，有效地提高平面微彈簧的成形效率和疲勞壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施案例1預(yù)成形前坯料的前視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施案例1預(yù)成形前坯料的俯視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施案例1預(yù)彎曲示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施案例1預(yù)成形后樣品的前視圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施案例1中微彈簧柱擠壓成形過(guò)程示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施案例1中預(yù)期彈簧俯視圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施案例3模鍛成形中的彎曲模膛剖視圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施案例6中沖壓示意圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施案例6中沖壓預(yù)成形后坯料的俯視圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施案例6中最終成形的微型平面彈簧示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明高疲勞壽命平面微型彈簧的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施案例1

QAl₇坯料制備高疲勞性能平面微型彈簧。

QAl₇坯料制備高疲勞性能微型平面彈簧具體實(shí)施過(guò)程為：將QAl₇合金在室溫下進(jìn)行軋制以產(chǎn)生纖維組織，軋制壓下量為80%，退火消除內(nèi)應(yīng)力后線切割為a×b×d的塊狀作為預(yù)成形前的坯料，如圖1、2所示，a=6.0mm，b=8.5mm，d=1.1mm。然后，對(duì)坯料進(jìn)行小變形量的微彎曲，并且保證坯料的受力方向與a×b平面垂直，即與纖維組織方向垂直，如圖3所示，位置1、2、3、4為4個(gè)微彎曲時(shí)坯料表面受力點(diǎn)，其中，d1=1.34mm，d2=d3=d4=1.96mm，彎曲半徑為R=17.0mm。最終預(yù)成形后的坯料如圖4所示，坯料線寬t1=1.0mm，厚度方向h1=2.0mm，長(zhǎng)度方向k=8.0mm。

預(yù)成形后的坯料裝入擠壓模具，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在室溫下完成擠壓。擠壓過(guò)程如圖5所示，5為擠壓桿，6為擠壓筒，7為限位塊，8為預(yù)成形后坯料，9為擠壓模具工作帶，10為擠壓筒底座。將坯料裝入模具，在擠壓桿的擠壓力作用下，金屬坯料流入模具，成形為微型彈簧柱。坯料和模具之間，以MoS₂為潤(rùn)滑劑。擠壓速度0.2mm/min，擠壓比1.2。

擠壓成形后經(jīng)過(guò)線切割得到的平面微型彈簧，如圖6所示，寬度方向h2=h1=2.0mm，長(zhǎng)度方向k=8.0mm，線寬t2=0.5mm，厚度為0.85mm。使用金相砂紙將微彈簧表面痕跡去除并將厚度控制在0.6mm左右。采用磁力拋光機(jī)對(duì)手工難以處理到的表面進(jìn)行拋光，時(shí)間為1.5～2.5h。以0.02mm/min的速度進(jìn)行一次拉伸破壞來(lái)確定該彈簧的彈性極限。以該微型彈簧彈性極限的一半作為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值力，約為12N。通過(guò)位移控制，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其循環(huán)壽命達(dá)到1.2萬(wàn)次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了坯料未經(jīng)預(yù)成形直接擠壓得到的彈簧的壽命。

實(shí)施案例2

65Mn制備高疲勞性能平面微彈簧。

對(duì)65Mn彈簧鋼進(jìn)行擠壓，產(chǎn)生需要的纖維組織后進(jìn)行760℃退火，隨爐冷卻后線切割為塊體，再次退火消除應(yīng)力，這樣得到預(yù)成形前的坯料，其尺寸為a=4.0mm，b=7.5，d=1.2mm。對(duì)坯料進(jìn)行小變形量的預(yù)彎曲，預(yù)彎曲過(guò)程同實(shí)施案例1，其中d1=1.18mm，d2=d3=d4=1.73mm，彎曲半徑R=15.9mm。預(yù)成形完成后的坯料線寬t1=1.2mm，高度方向h1=2.0mm，長(zhǎng)度方向k=7.0mm

將預(yù)成形完成后得到的坯料裝入擠壓模具，上緊螺絲，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在450℃的環(huán)境下，完成溫?cái)D壓，其擠壓過(guò)程如圖5，擠壓比為1.0，擠壓速度為0.1mm/min，試樣與模具之間以石墨為潤(rùn)滑劑。最后對(duì)擠壓成形的彈簧柱進(jìn)行線切割，得到厚度為0.60mm，線寬t2=0.6mm，微型平面彈簧，通過(guò)超聲波清洗去除油污并打磨至0.45mm厚，得到微型平面彈簧成品。

通過(guò)位移控制，以10N作為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值力，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以該方法制備的65Mn微彈簧疲勞壽命超過(guò)1萬(wàn)次，而直接擠壓得到的微彈簧循環(huán)壽命僅僅約2500次。

實(shí)施案例3

65#碳素彈簧鋼制備高性能微型平面彈簧。

65#碳素鋼經(jīng)過(guò)冷軋生成纖維組織，軋制壓下量50%，在550℃下退火去除由于塑性加工等造成的殘余應(yīng)力，線切割得到預(yù)成形前的坯料，尺寸為a=7.0mm，b=10.5mm，d=1.8mm。對(duì)該坯料進(jìn)行模鍛實(shí)現(xiàn)預(yù)成形，其彎曲模膛如圖7所示，其中，11為擋料臺(tái)。鍛前加熱溫度在800℃以上，盡量快速加熱防止氧化。鍛造后需要將坯料兩側(cè)的余料切除作為預(yù)成形后的坯料，分界線12、13分別為兩側(cè)的切割位置。將前面得到的預(yù)成形坯料裝入1mm線寬的微彈簧成形模具，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在460℃的環(huán)境下進(jìn)行溫?cái)D壓，擠壓比為1.5，擠壓速度為1.0mm/min，模具與試樣之間無(wú)潤(rùn)滑劑，擠壓過(guò)程同樣如圖5所示。

將擠壓完成后的彈簧柱進(jìn)行線切割，得到厚度0.9mm，線寬t=1mm的微型平面彈簧。以大約22N作為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值力，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果表明其循環(huán)壽命達(dá)到了0.9萬(wàn)次。

實(shí)施案例4

QBe₂鈹青銅制備微型平面彈簧。

對(duì)QBe₂鈹青銅進(jìn)行擠壓，控制擠壓力小于100kN，鈹青銅沿著主變形方向會(huì)產(chǎn)生纖維組織，再退火恢復(fù)其塑性，沿纖維組織方向?qū)⑵淝懈顬閍×b×d的塊體，其中a=5.5mm，b=8.0mm，d=1.6mm，然后對(duì)其進(jìn)行如圖3所示的預(yù)彎曲,其中d1=1.26mm,d2=d3=d4=1.84mm，這樣得到預(yù)成形后的坯料。最后裝入0.7mm線寬的擠壓模具中，室溫下冷擠壓成形為彈簧柱，擠壓過(guò)程如圖5所示，擠壓比為1.3，擠壓速度0.3mm/min，試樣與模具之間以機(jī)油為潤(rùn)滑劑。

將成形的彈簧柱線切割得到厚度0.8mm的微彈簧，再經(jīng)過(guò)表面清洗、砂紙打磨和磁力拋光等表面處理將微彈簧的厚度控制在0.6mm。以大約15N作為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值力，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果表明其循環(huán)壽命達(dá)到了1.4萬(wàn)次。

實(shí)施案例5

鉻釩彈簧鋼50CrVA制備微型平面彈簧。

鉻釩彈簧鋼50CrVA經(jīng)過(guò)擠壓得到內(nèi)部有纖維組織的坯料，850℃下退火消除應(yīng)力，沿著纖維組織方向切取6.5×10.0×1.9mm的坯料。然后對(duì)該坯料進(jìn)行鍛造，具體鍛造過(guò)程同實(shí)施案例3。鍛造完成后切除余料就得到了預(yù)成形坯料。將該坯料裝入線寬為1.2mm擠壓模具內(nèi)，裝夾在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，利用高低溫加熱箱加熱到620℃并保持120min，以石墨為潤(rùn)滑劑，開(kāi)始擠壓，擠壓比為1.4，擠壓速度為0.8mm/min。

擠壓完成后取出模具，完全冷卻后拆模得到鉻釩彈簧鋼彈簧柱，線切割得到厚度1.0mm的微型平面彈簧，表面打磨拋光等處理后將其厚度控制在0.8mm左右，此時(shí)其線寬為t2=1.2mm，即為微型平面彈簧成品。以大約17N為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果表明其循環(huán)壽命達(dá)到了1.2萬(wàn)次以上。

實(shí)施案例6

錫青銅QSN6.5-0.1制備微型平面彈簧。

通過(guò)對(duì)錫青銅QSN6.5-0.1擠壓獲得內(nèi)部纖維組織，切割為a×b×d的塊體，經(jīng)過(guò)650℃退火消除加工應(yīng)力得到預(yù)成形前的坯料，其中a=5.0mm，b=9.5mm，d=1.3mm。對(duì)該坯料進(jìn)行沖壓實(shí)現(xiàn)預(yù)成形，沖壓示意圖如圖8所示，其中14、15、16為三個(gè)沖壓位置，d5=d6=d7=2.1mm。沖壓得到的預(yù)成形后坯料如圖9所示，懸臂梁與水平方向的夾角α=30°，預(yù)成形坯料線寬t1=1.3mm。預(yù)成形后坯料經(jīng)過(guò)580℃退火恢復(fù)塑性，在420℃下溫?cái)D壓成形為微型彈簧柱。擠壓模具線寬為0.8mm，擠壓比1.1，擠壓速度0.5mm/min，模具與試樣間以PETS AP為潤(rùn)滑劑，擠壓過(guò)程如圖4。成形后的“W”型平面彈簧如圖10，此時(shí)，懸臂梁與水平方向的夾角β=60°，線寬t2=0.8mm。

將擠壓得到的彈簧柱線切割為厚0.75mm的平面微彈簧，經(jīng)過(guò)砂紙打磨和磁力拋光等表面處理將其厚度控制在0.60mm左右。以13N作為循環(huán)運(yùn)動(dòng)的峰值力，以1mm/min的速度對(duì)微型平面彈簧進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果表明其循環(huán)壽命超過(guò)了1.1萬(wàn)次。