一种高疲劳寿命平面微型弹簧的制备方法与流程

本发明属于塑性加工领域，具体涉及一种高疲劳寿命平面微型弹簧的制备方法。

背景技术：

微型平面弹簧，作为系统中的“关节”机构，被广泛应用于执行器、传感器和驱动器等MEMS器件中。

现阶段，微型平面微弹簧的主要制备方法就是采用LIGA技术，该技术包含了X光深度同步辐射光刻、电铸成型和塑铸三个工艺流程。但昂贵的X射线光源和复杂的掩模板使生产成本居高不下，不利于MEMS市场规模的扩大。采用传统的LIGA技术制备的平面微弹簧，其内部晶粒主要为等轴晶，在拉伸实验及滑块弹簧拉力测试实验中微弹簧在多次拉伸之后塑性变形不能恢复原状，甚至发生断裂，表现为疲劳寿命低，实用性差。

挤压成形作为微型平面弹簧常用的成形方法之一，包括冷挤压成形、温挤压成形和热挤压成形三种。挤压成形是利用高压将金属坯料从相应的挤压模的模孔中挤出而成形的一种压力加工方法。挤压过程中，金属坯料处于三向压应力状态下变形，可提高金属坯料的塑性，有利于扩大金属材料的塑性加工范围。挤压可以成形各种形状复杂、深孔、薄壁和异型截面的零件，且零件尺寸精度高，表面质量好。金属挤压已经成为塑性成形领域最重要的方法之一。

挤压成形时金属坯料的组织性能直接影响成形后微弹簧的寿命，文献“洪祥挺，QA17铜合金微型平面弹簧冷挤压成形工艺及性能研究[D].南京理工大学，2015”研究了工艺参数对平面微型弹簧疲劳寿命的影响。而目前利用挤压成形的方法制备的平面微弹簧，其内部晶粒依然为等轴晶，而且在挤压过程中容易导致弹簧内部形成孔洞或者产生表面缺陷，而这些缺陷往往会成为应力高度集中区和疲劳裂纹源，严重限制了平面微弹簧的疲劳寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高疲劳寿命平面微型弹簧的制备方法，改善微弹簧内部组织性能，解决以往直接挤压成形容易产生孔洞和裂纹等缺陷导致最终成形的微弹簧疲劳寿命降低的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种高疲劳寿命平面微型弹簧的制备方法，包括制备步骤如下：

1）将金属坯料进行均匀化退火使内部组织均匀化，并通过塑性加工方法获得纤维组织；

2）将步骤1）塑性加工过的金属坯料再次退火消除内应力，并机械加工成所需尺寸的金属坯料，再通过塑性加工方法实现金属坯料的预成形；

3）将步骤2）所制得的预成形的金属坯料挤压成形微型弹簧柱，并机械加工成厚度小于1mm的平面微型弹簧。

优选的，在步骤1）中，所述金属坯料可以为QAl₇坯料、65Mn弹簧钢、65#碳素钢、QBe₂铍青铜、铬钒弹簧钢50CrVA、锡青铜QSN6.5-0.1中的一种或者其他材料。

优选的，在步骤1）中，所述的塑性加工方法为轧制、挤压、冷轧中的一种。

优选的，在步骤2）中，预成形时的金属坯料受力方向与其内部纤维组织方向保持垂直且平行于金属坯料的长度方向。

优选的，在步骤2）中，所述线切割金属坯料为块状，尺寸为a×b×d，a=1.0-7.0mm，b=1.0-12.0mm，d=0.5-4.0mm。

优选的，在步骤2）中，预成形后的金属坯料的线宽是最终平面微型弹簧线宽的1.05～2.0倍。

优选的，在步骤3）中，挤压成形时的挤压杆运动方向即主应力方向垂直于预成形前的金属坯料内部纤维组织方向。

优选的，在步骤3）中，将预成形的金属坯料装入模具，在挤压杆的挤压力作用下，金属坯料流入模具成形为微型弹簧柱，挤压过程中挤压比小于1.5。

优选的，在步骤3）中，所制得的平面微型弹簧的厚度小于1mm。

本发明与现有的直接挤压成形的技术相比，其优点为：

本发明通过轧制等塑性加工方法获得具有纤维组织的金属坯料，先利用弯曲等塑性方法使其产生小变形量的预成形，然后再次挤压成形平面微型弹簧。一方面，通过轧制使金属材料内部产生纤维组织。通过本发明提供的方法，可以形成全部平行于工作表面的纤维状组织，这可进一步提高挤压成形的平面微弹簧疲劳寿命。

另一方面，将传统的直接挤压成形过程分解为预成形和最终成形两个阶段，减少了各道次所需的变形程度，可以减少、甚至消除表面裂纹和内部孔洞等缺陷，有效地提高平面微弹簧的成形效率和疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明实施案例1预成形前坯料的前视图。

图2为本发明实施案例1预成形前坯料的俯视图。

图3为本发明实施案例1预弯曲示意图。

图4为本发明实施案例1预成形后样品的前视图。

图5为本发明实施案例1中微弹簧柱挤压成形过程示意图。

图6为本发明实施案例1中预期弹簧俯视图。

图7为本发明实施案例3模锻成形中的弯曲模膛剖视图。

图8为本发明实施案例6中冲压示意图。

图9为本发明实施案例6中冲压预成形后坯料的俯视图。

图10为本发明实施案例6中最终成形的微型平面弹簧示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明高疲劳寿命平面微型弹簧的制备方法作进一步详细描述。

实施案例1

QAl₇坯料制备高疲劳性能平面微型弹簧。

QAl₇坯料制备高疲劳性能微型平面弹簧具体实施过程为：将QAl₇合金在室温下进行轧制以产生纤维组织，轧制压下量为80%，退火消除内应力后线切割为a×b×d的块状作为预成形前的坯料，如图1、2所示，a=6.0mm，b=8.5mm，d=1.1mm。然后，对坯料进行小变形量的微弯曲，并且保证坯料的受力方向与a×b平面垂直，即与纤维组织方向垂直，如图3所示，位置1、2、3、4为4个微弯曲时坯料表面受力点，其中，d1=1.34mm，d2=d3=d4=1.96mm，弯曲半径为R=17.0mm。最终预成形后的坯料如图4所示，坯料线宽t1=1.0mm，厚度方向h1=2.0mm，长度方向k=8.0mm。

预成形后的坯料装入挤压模具，利用万能试验机，在室温下完成挤压。挤压过程如图5所示，5为挤压杆，6为挤压筒，7为限位块，8为预成形后坯料，9为挤压模具工作带，10为挤压筒底座。将坯料装入模具，在挤压杆的挤压力作用下，金属坯料流入模具，成形为微型弹簧柱。坯料和模具之间，以MoS₂为润滑剂。挤压速度0.2mm/min，挤压比1.2。

挤压成形后经过线切割得到的平面微型弹簧，如图6所示，宽度方向h2=h1=2.0mm，长度方向k=8.0mm，线宽t2=0.5mm，厚度为0.85mm。使用金相砂纸将微弹簧表面痕迹去除并将厚度控制在0.6mm左右。采用磁力抛光机对手工难以处理到的表面进行抛光，时间为1.5～2.5h。以0.02mm/min的速度进行一次拉伸破坏来确定该弹簧的弹性极限。以该微型弹簧弹性极限的一半作为循环运动的峰值力，约为12N。通过位移控制，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试。实验结果表明其循环寿命达到1.2万次以上，远远超过了坯料未经预成形直接挤压得到的弹簧的寿命。

实施案例2

65Mn制备高疲劳性能平面微弹簧。

对65Mn弹簧钢进行挤压，产生需要的纤维组织后进行760℃退火，随炉冷却后线切割为块体，再次退火消除应力，这样得到预成形前的坯料，其尺寸为a=4.0mm，b=7.5，d=1.2mm。对坯料进行小变形量的预弯曲，预弯曲过程同实施案例1，其中d1=1.18mm，d2=d3=d4=1.73mm，弯曲半径R=15.9mm。预成形完成后的坯料线宽t1=1.2mm，高度方向h1=2.0mm，长度方向k=7.0mm

将预成形完成后得到的坯料装入挤压模具，上紧螺丝，利用电子万能试验机，在450℃的环境下，完成温挤压，其挤压过程如图5，挤压比为1.0，挤压速度为0.1mm/min，试样与模具之间以石墨为润滑剂。最后对挤压成形的弹簧柱进行线切割，得到厚度为0.60mm，线宽t2=0.6mm，微型平面弹簧，通过超声波清洗去除油污并打磨至0.45mm厚，得到微型平面弹簧成品。

通过位移控制，以10N作为循环运动的峰值力，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试。实验结果表明：以该方法制备的65Mn微弹簧疲劳寿命超过1万次，而直接挤压得到的微弹簧循环寿命仅仅约2500次。

实施案例3

65#碳素弹簧钢制备高性能微型平面弹簧。

65#碳素钢经过冷轧生成纤维组织，轧制压下量50%，在550℃下退火去除由于塑性加工等造成的残余应力，线切割得到预成形前的坯料，尺寸为a=7.0mm，b=10.5mm，d=1.8mm。对该坯料进行模锻实现预成形，其弯曲模膛如图7所示，其中，11为挡料台。锻前加热温度在800℃以上，尽量快速加热防止氧化。锻造后需要将坯料两侧的余料切除作为预成形后的坯料，分界线12、13分别为两侧的切割位置。将前面得到的预成形坯料装入1mm线宽的微弹簧成形模具，利用电子万能试验机，在460℃的环境下进行温挤压，挤压比为1.5，挤压速度为1.0mm/min，模具与试样之间无润滑剂，挤压过程同样如图5所示。

将挤压完成后的弹簧柱进行线切割，得到厚度0.9mm，线宽t=1mm的微型平面弹簧。以大约22N作为循环运动的峰值力，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试，结果表明其循环寿命达到了0.9万次。

实施案例4

QBe₂铍青铜制备微型平面弹簧。

对QBe₂铍青铜进行挤压，控制挤压力小于100kN，铍青铜沿着主变形方向会产生纤维组织，再退火恢复其塑性，沿纤维组织方向将其切割为a×b×d的块体，其中a=5.5mm，b=8.0mm，d=1.6mm，然后对其进行如图3所示的预弯曲,其中d1=1.26mm,d2=d3=d4=1.84mm，这样得到预成形后的坯料。最后装入0.7mm线宽的挤压模具中，室温下冷挤压成形为弹簧柱，挤压过程如图5所示，挤压比为1.3，挤压速度0.3mm/min，试样与模具之间以机油为润滑剂。

将成形的弹簧柱线切割得到厚度0.8mm的微弹簧，再经过表面清洗、砂纸打磨和磁力抛光等表面处理将微弹簧的厚度控制在0.6mm。以大约15N作为循环运动的峰值力，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试，结果表明其循环寿命达到了1.4万次。

实施案例5

铬钒弹簧钢50CrVA制备微型平面弹簧。

铬钒弹簧钢50CrVA经过挤压得到内部有纤维组织的坯料，850℃下退火消除应力，沿着纤维组织方向切取6.5×10.0×1.9mm的坯料。然后对该坯料进行锻造，具体锻造过程同实施案例3。锻造完成后切除余料就得到了预成形坯料。将该坯料装入线宽为1.2mm挤压模具内，装夹在电子万能试验机上，利用高低温加热箱加热到620℃并保持120min，以石墨为润滑剂，开始挤压，挤压比为1.4，挤压速度为0.8mm/min。

挤压完成后取出模具，完全冷却后拆模得到铬钒弹簧钢弹簧柱，线切割得到厚度1.0mm的微型平面弹簧，表面打磨抛光等处理后将其厚度控制在0.8mm左右，此时其线宽为t2=1.2mm，即为微型平面弹簧成品。以大约17N为循环运动的峰值，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试，结果表明其循环寿命达到了1.2万次以上。

实施案例6

锡青铜QSN6.5-0.1制备微型平面弹簧。

通过对锡青铜QSN6.5-0.1挤压获得内部纤维组织，切割为a×b×d的块体，经过650℃退火消除加工应力得到预成形前的坯料，其中a=5.0mm，b=9.5mm，d=1.3mm。对该坯料进行冲压实现预成形，冲压示意图如图8所示，其中14、15、16为三个冲压位置，d5=d6=d7=2.1mm。冲压得到的预成形后坯料如图9所示，悬臂梁与水平方向的夹角α=30°，预成形坯料线宽t1=1.3mm。预成形后坯料经过580℃退火恢复塑性，在420℃下温挤压成形为微型弹簧柱。挤压模具线宽为0.8mm，挤压比1.1，挤压速度0.5mm/min，模具与试样间以PETS AP为润滑剂，挤压过程如图4。成形后的“W”型平面弹簧如图10，此时，悬臂梁与水平方向的夹角β=60°，线宽t2=0.8mm。

将挤压得到的弹簧柱线切割为厚0.75mm的平面微弹簧，经过砂纸打磨和磁力抛光等表面处理将其厚度控制在0.60mm左右。以13N作为循环运动的峰值力，以1mm/min的速度对微型平面弹簧进行疲劳测试，结果表明其循环寿命超过了1.1万次。