一种基于表面应变调控与可拆卸层合支撑的超薄单面光电解铜箔成形方法

本发明提供一种基于表面应变调控与可拆卸层合支撑的超薄单面光电解铜箔成形方法，适用于厚度10微米～70微米超薄单面光电解铜箔构件的压边拉深成形，主要用于解决超薄单面光电解铜箔在成形过程中易起皱、易拉裂、表面易损伤以及成形精度难以控制的问题。属于航空宇航精密制造。

背景技术：

1、超薄单面光电解铜箔是一类兼具轻量化、导电导热和表面功能特性的金属薄层材料，在复杂曲面功能构件、薄壁屏蔽构件以及局部适形功能层中具有较高的应用价值。该类材料在实际使用中，通常不仅要求成形后能够与目标曲面保持较好的贴合精度，还要求其表面保持较高的完整性和一致性，以满足后续服役或装配需求。对于厚度较小的超薄单面光电解铜箔而言，现有成形过程中普遍存在起皱、开裂、局部减薄、轮廓波动以及表面损伤等问题，难以满足复杂曲面精密构件对成形质量和稳定性的要求。

2、单面光电解铜箔具有明显的表面特征差异，一侧表面较为平整，另一侧表面相对粗糙，同时材料整体厚度小、弯曲刚度低、受外界载荷扰动敏感。在航空航天、电子信息、精密换热及特种功能层制造领域，该类铜箔具有较高的应用价值，可作为适形电磁屏蔽层、吸波功能层、局部导热层、微型换热包覆层、精密导流辅助层、柔性导电连接层以及复杂曲面传感功能层的基础材料。在高性能飞行器、航天器、电子封装部件和复杂曲面热管理结构中，该类铜箔常需要与机身外形面、舱段过渡面、局部导流曲面、热交换曲面或其他空间过渡曲面精确匹配，并在保持较高贴合精度的同时兼顾导电、导热或屏蔽等功能要求，避免因表面损伤、压痕、褶皱或层间错位而影响其后续服役性能和装配精度。然而，超薄单面光电解铜箔在直接冲压、拉深或压制成形过程中，往往由于自身刚性不足、厚度极小以及局部受力不均，容易在边缘区域、曲率过渡区域或局部受压区域出现起皱、失稳、拉裂、表面压伤及尺寸波动等问题。同时，单面光电解铜箔光面与毛面的表面状态差异，也使其对模具接触状态、压边方式及层间支撑条件更为敏感，容易造成局部贴合不足、表面功能面受损或成形后轮廓一致性下降，从而影响复杂曲面构件的结构精度、表面质量和功能实现。因此设计一种基于表面应变调控与可拆卸层合支撑的超薄单面光电解铜箔成形方法已成为实现相关复杂曲面功能构件工程化应用的关键环节。

3、目前围绕薄板、薄壁钣金件、金属箔板成形以及表层处理、临时固定和脱模分离等方向，国内外已有一些相关专利及文献，但大多数是针对一般薄板件、常规钣金件、普通表面处理对象或电子部件临时固定工艺展开，难以直接适用于厚度70微米以下超薄单面光电解铜箔的高精度复杂曲面成形。相关及相近文献如下：

4、中国专利cn 104010810 a公开了一种铜箔复合体、以及成形体及其制造方法，可获得一种即便进行压制加工这样的不同于单轴弯曲的严苛（复杂）的变形也可防止铜箔破裂而加工性优异、进而长时间稳定发挥耐蚀性及电接点性能的层叠有铜箔与树脂层的铜箔复合体。然而，该方法的重点在于铜箔复合体本身的构造及其耐蚀性和电接点性能，并非针对超薄单面光电解铜箔成形前的表面应变调控，也未涉及成形后支撑层的低损伤分离问题。

5、中国专利cn 103042109 a公开了一种高频振动辅助箔板微拉深成形装置及方法，为了解决较低材料强度的箔板很难拉深成形出直径较小的圆筒件的问题。利用该发明的微拉深成形装置在高频振动的辅助下，改善了微拉深成形中法兰部分的摩擦力，抑制了裂纹的萌生，能够显著提高箔板微拉深成形性能。该方法主要从成形装备和摩擦条件改善入手，未涉及成形前对超薄单面光电解铜箔表层状态的预调控，也未形成成形阶段可拆卸层合支撑与成形后分离相结合的完整工艺路线。

6、中国专利cn 101589174 a公开了金属的表面处理方法，在母材金属的表面上用作为与母材金属不同的金属粒子的异种金属粒子进行喷丸处理，从而在母材金属的表面上设置异种金属膜；对通过喷丸处理工序设置了异种金属膜的母材金属的表面照射电子束，从而将异种金属膜和母材金属结合。实现简单且效率良好地将各种金属以合金状态可靠地接合于各种母材金属的表面。该方法主要用于母材表面结合和表层改性，并非面向超薄单面光电解铜箔的成形工艺，未考虑超薄铜箔在喷丸过程中整体翘曲、边缘失稳以及后续拉深成形中表面功能面保护等问题。

7、近年来关于常规金属板材表层强化、薄板冲压成形、临时固定材料及剥离工艺的研究较多，但针对超薄单面光电解铜箔在成形前进行表面应变调控、通过可拆卸层合支撑提高后续成形稳定性，并在成形后实现支撑层有效分离的专用工艺方法仍较少，难以满足超薄单面光电解铜箔在精密成形过程中对成形稳定性、表面完整性、层间协调性以及轮廓尺寸一致性的制造需求。因此，有必要针对超薄单面光电解铜箔在成形过程中存在的表面状态敏感、自由状态下稳定性差、层合支撑后载荷传递不均以及成形后去除支撑层困难等问题，提出一种专用的工艺方法。通过在成形前对铜箔进行表面应变调控，并结合可拆卸层合支撑方式形成稳定复合体，再实施后续成形及分离处理，从而改善超薄单面光电解铜箔的成形过程稳定性，提高其表面质量、轮廓一致性和工程应用可靠性。

技术实现思路

1、本发明针对超薄单面光电解铜箔在成形过程中易失稳、表面易损伤、单层材料难以稳定进入模具以及成形后支撑层不易分离等问题，通过对铜箔毛面进行微喷丸处理，并结合后续退火工艺调节材料状态，再利用可拆卸临时粘结层将上下覆板与中间铜箔构建为层合支撑复合结构，随后实施压边拉深成形，最终经除胶分离获得目标成形件。该方法能够改善超薄单面光电解铜箔在成形过程中的稳定性，降低表面损伤和成形缺陷，提高构件的轮廓精度和成形一致性。

2、本发明提出一种基于表面应变调控与可拆卸层合支撑的超薄单面光电解铜箔成形方法，其工艺流程为：超薄单面光电解铜箔光面真空吸附支撑→毛面湿式微喷丸→真空退火→制备可拆卸层合支撑复合结构→压边拉深成形→除胶分离→成品。

3、下面将本发明的技术方案详述如下：

4、步骤1:坯料制备及光面支撑贴合：

5、选用厚度10微米～70微米的超薄单面光电解铜箔作为坯料，所选铜箔应具有较好的表面平整度和厚度均匀性，无折痕、划伤及氧化斑。根据目标零件展开尺寸对铜箔进行下料，并在外缘预留工艺余量2～5mm。铜箔光面与微孔直径0.1～0.5mm的刚性真空吸盘贴合，所述刚性真空吸盘为平板式真空吸附支撑台，其工作面均布微孔，用于在铜箔光面一侧形成面状均匀吸附约束。开启真空系统，使真空度保持在-0.08～-0.095mpa，通过大气压差实现全域均匀约束，利用真空吸附提供的面内刚性约束，防止后续冲击工序中铜箔产生整体鼓起或局部失稳。

6、步骤2:毛面湿式微喷丸处理：

7、对吸附固定状态下的铜箔毛面实施湿式微喷丸处理，以实现表面应变调控。喷丸介质采用直径10～50微米的微型陶瓷珠，在0.03～0.15mpa的低压流体驱动下，以50～65°的喷射角度，80～150mm的喷射距离对毛面进行微能冲击，喷丸时间10～30s。通过塑性变形在铜箔毛面进行预调控，为后续退火及压边拉深成形提供稳定初始条件。喷丸处理完成后，将铜箔转移至平整承载板上进行后续真空退火，以保持热处理过程中的平整支撑状态。

8、步骤3:真空退火：

9、对经过应变调控后的铜箔进行退火处理。真空环境，退火温度280～320℃，保温3～5h后随炉冷却。稳定表层的位错结构，使残余压应力场分布更加均匀，并减小后续压边拉深成形过程中因局部应力集中导致的失稳和开裂风险。

10、步骤4:制备可拆卸层合支撑复合结构：

11、将退火后的铜箔作为芯材，与铝质上、下覆板制备成可拆卸层合支撑复合结构。所述复合结构自上而下依次为上覆板、热剥离胶层、超薄单面光电解铜箔、热剥离胶层和下覆板，上覆板厚度0.5～0.8mm，下覆板厚度1.0～1.5mm。铜箔与覆板间设置热剥离胶作为临时粘结层。在室温下进行预贴合压实，0.05～0.3mpa压力下预压贴合。所述热剥离胶在后续成形过程中能够随层合板材协调流动，既维持铜箔与覆板之间的层间固定，又承担一定的载荷传递和缓冲作用，形成的层合结构在宏观上表现为具有高抗弯刚度的复合板材，能有效分摊成形过程中的局部载荷峰值，从而减少层间错位、局部空鼓及受力突变对成形质量的不利影响。

12、步骤5:压边拉深成形：

13、将步骤4所得层合支撑复合结构置于压边拉深模具中进行定位，并在压边条件下实施拉深成形。所述压边拉深模具包括凹模、凸模及压边圈；层合支撑复合结构置于凹模上方区域，在压边圈约束下由凸模驱动向凹模型腔内受控变形。成形过程中，下覆板靠近凹模型面，上覆板靠近凸模和压边圈一侧，中间铜箔在上下覆板及热剥离胶协调作用下逐步向目标型面贴合。在10～30kn的压边力约束下，以3～10mm/s的速度实施拉深。铜箔在上下覆板的刚性支撑与热剥离胶的载荷传递作用下，处于受约束流动状态。通过上下覆板的刚性支撑作用及胶层的协调传荷作用效应有效减小了铜箔自由状态下的失稳倾向，降低了拉深过程中的起皱、拉裂、局部减薄及表面压伤风险，并提高曲面成形的一致性和轮廓精度。

14、步骤6:界面失粘与脱模：

15、压边拉深成形完成后，对层合支撑复合结构进行除胶处理，使上下覆板与中间铜箔成形件分离。成形结束后，将零件整体加热至90～120℃并保温10～20分钟。此时，热剥离胶层内的微膨胀粒子发生不可逆的物理膨胀，导致界面粘接面积锐减，粘接强度发生永久性跌落。待零件自然冷却至室温后，上下覆板可与铜箔成形件实现较低附加应力条件下剥离。最后使用丙酮或乙醇对毛面及光面进行超声波清洗，去除残余胶质，获得表面完整的超薄铜箔曲面成品。

16、本发明制备出的超薄单面光电解铜箔成形件，在表面应变调控与可拆卸层合支撑共同作用下，具有成形稳定性好、表面损伤小、层间滑移少和轮廓尺寸稳定等优点，能够满足曲面功能构件、精密薄壁构件及适形功能层构件对高精度、低损伤和高可靠性成形的应用要求。

17、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

18、（1）本发明显著拓宽了超薄铜箔的成形极限，有效抑制成形缺陷：

19、现有技术中，单层超薄铜箔在冲压拉深时由于抗弯刚度极低，极易产生局部失稳褶皱或拉伸断裂。本发明通过步骤2的毛面湿式微喷丸处理，在铜箔厚度方向引入了梯度分布的残余压应力场，能够有效抵消后续成形过程中产生的局部拉应力。步骤4制备的层合支撑结构极大地提高了坯料的整体等效刚度，使铜箔在成形过程中处于受约束流动状态，可有效降低起皱、拉裂及局部减薄过度等缺陷风险。本发明围绕其成形特点构建专用工艺路线，从而更适应超薄单面光电解铜箔构件对高精度、低损伤和高一致性的制造要求。

20、（2）本发明通过基于刚性支撑约束的毛面受控喷丸，实现了对超薄单面光电解铜箔表层状态的精密预调控：

21、通过对毛面实施受控喷丸，并使光面与刚性真空吸附支撑板保持紧密贴合，实现了对超薄单面光电解铜箔表层状态的预调控。该步骤在刚性支撑条件下进行，从而降低了喷丸过程中铜箔整体变形和局部失稳的风险。喷丸后退火的工艺方式，能够在保留表层调控作用的同时改善铜箔整体状态稳定性。

22、（3）本发明对光面表面质量的提供了较好保护：

23、超薄铜箔的光面质量对其导电、屏蔽及服役性能至关重要。本发明在步骤1中利用真空吸附方式固定光面，避免了机械夹具对光面的损伤。在步骤5的拉深过程中，铜箔固定在上下覆板及临时粘结层之间，不与模具型面直接接触，有效隔绝了模具微观缺陷导致的表面划伤、压伤及印痕，确保了成形件光面的完整性与洁净度。

24、（4）本发明制备的可拆卸层合支撑复合结构可实现超薄零件的较低附加应力条件下无损脱模，具备良好的工艺稳定性和曲面轮廓精度：

25、选用具有各向同性流变特性的临时粘结材料，使粘结层在成形过程中既能保持层间固持，又能在载荷作用下随板材变形进行协调流动，从而兼顾固定作用与载荷传递作用。加热除胶过程不仅实现了物理失粘，还起到了低温去应力退火的作用，加速了成形件内部弹性残余应力的释放，显著减小了脱模后的弹性回弹，提高了零件的尺寸稳定性和贴模一致性。

26、（5）本发明的工艺参数可控性强，适用范围广：

27、通过调整微喷丸压力、退火工况及热剥离胶参数，可针对不同规格和不同材质的超薄箔材进行精准的成形工艺定制。不仅适用于单面光电解铜箔，也为其他高精密、高敏感的薄膜类功能构件的制造提供了一种高良率、低成本的工业化解决方案。