微系统技术(MST)和微机电系统(MEMS)的迅速发展,使微型零件的成形制造技术受到高度重视。由于尺寸效应的存在,传统的材料本构模型与摩擦模型等宏观塑性成形理论不能直接应用于分析微塑性成形工艺。此外,与传统的塑性加工不同,微成形技术的加工对象不但尺寸小、尺寸精度要求高,而且由于应用领域的高端化,对其表面质量也具有更高的要求。金属塑性成形表面质量受到材料状态、成形工艺条件、模具结构、摩擦与润滑状况等众多因素交互影响。宏观的金属塑性成形零件的表面质量一般由后续机加工等方式进行保证,因而在金属塑性加工领域一直忽视成形过程中表面粗糙度控制理论和方法等方面的研究。微塑性成形过程中,零件表面粗糙度不会随着零件尺寸的减小而减小,同时,尺寸微小化后零件因夹持和操作困难而难以进行机械加工提升表面质量。因此,开展微塑性成形中摩擦与表面形貌及其尺寸效应研究并对微成形零件的表面粗糙度进行预测和控制,对提高微成形零件的表面质量并促进微塑性成形技术的应用和发展具有十分重要的意义。本文以微体积成形工艺为研究对象,首先对尺寸微小化引起的摩擦尺寸效应问题进行研究,确定适合于微塑性成形的摩擦模型中相关系数的求解方法;其次基于微尺度特征挤压实验,并结合有限元数值模拟,系统地开展了微体积成形过程表面质量影响因素及其对表面粗糙度影响规律的研究;然后引入尺度参数,建立了考虑尺寸效应的微体积成形表面粗糙度预测模型,并提出相应的表面质量评价准则和控制方法。论文主要研究工作及取得的成果如下:通过干摩擦条件微介观尺度下的纯铜圆柱镦粗实验,研究了试样尺寸、平均晶粒尺寸及模具表面粗糙度对摩擦尺寸效应的影响。基于Wanheim/Bay摩擦模型,建立实际接触比与接触面的法向压应力及剪切膜强度系数的关系,进行Wanheim/Bay摩擦模型与通用摩擦模型之间的转化,实现了 Wanheim/Bay摩擦模型在有限元模拟中的应用。采用有限元数值模拟与实验相结合的方法,确定了干摩擦条件下Wanheim/B ay摩擦模型中接触面上剪切膜强度系数的求解方法,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了该求解方法的合理性。以薄筋微型槽挤压工艺为例,进行微特征成形实验研究,分析不同工艺参数对成形微特征表面粗糙度的影响规律。借助有限元模拟,采用本文建立的Wanheim/Bay摩擦模型转化得到的库伦摩擦模型,系统研究薄筋微特征挤压变形过程中接触表面积增长、接触面法向压应力、工件接触面与模具之间的相对滑动距离以及尺度微小化等因素对微尺度特征表面粗糙度的影响。基于W-M分形函数,建立了粗糙表面有限元分析模型,详细分析并且量化塑性变形过程中接触面上的法向压应力、坯料初始表面粗糙度、工件与模具之间的相对滑动距离以及表面积增加等主要因素对工件成形过程中表面粗糙度的影响关系,建立了多影响因素的金属体积成形表面粗糙度预测模型。借助Voronoi图法和ABAQUS/Python的二次开发,建立端面带有二维粗糙构型的纯铜多晶体晶粒大小及取向随机的圆柱镦粗有限元模型,分析了不同微尺度坯料镦粗成形过程中尺寸效应对接触面上粗糙度及其分布均匀性的影响。引入表面层晶粒个数占总体晶粒个数的比例δ作为坯料尺度参数,研究了不同微尺度坯料镦粗成形过程中尺寸效应对接触面上法向压应力及其分布均匀性的影响。在建立的多影响因素的宏观体积成形零件表面粗糙度预测模型基础上,引入尺度参数,量化尺寸效应对表面粗糙度的影响,建立反映接触面上法向压应力、坯料初始表面粗糙度、工件与模具之间的相对滑动距离、接触表面积增长率以及尺寸效应影响的微体积成形表面粗糙度预测模型,通过微介观尺度下的纯铜镦粗实验结果与模型预测结果对比,验证了本文建立的微尺度下金属塑性成形表面粗糙度预测模型的准确性。针对微体积成形工艺,以零件表面测量区域平均粗糙度及其分布均匀程度为目标,采用加权函数法中的线性加权法,建立考虑表面粗糙度分布均匀程度的微体积成形零件表面质量评价准则。基于本文建立的表面粗糙度预测模型及评价准则,借助有限元数值模拟,研究了晶粒尺寸及模具型腔形状对表面粗糙度分布的影响规律及其表面质量评价准则的应用,并对以晶粒尺寸及模具型腔形状为控制对象的微体积成形零件表面质量的提升提出了建议。通过相应工艺参数下的微介观尺度挤压实验,验证本文建立的微体积成形表面粗糙度预测模型的可靠性以及表面质量评价准则的可行性。