CN101077507B - 基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，涉及微塑性成形技术和微器件制造领域，其利用长脉冲红外激光准静态加载于微小毛坯，直至毛坯温度分布达到适合材料微温挤的范围。本发明包括激光加热系统、挤压模具、压力施加机构、进给机构、三维精密工作台(6)、支座和控制系统。超磁致伸缩微位移致动器和步进电机相结合实现进给和压力施加，完成。电热棒通电加热凹模，并由温控组件保持凹模的恒温。采用三维微动平台调整挤压头，再结合图像处理技术实现凸凹模的对中。装置中的温度、模具定位、位移、步进电机和三维精密工作台均由控制系统控制。本发明可控性好，效率高，可以降低变形抗力，增加材料流动的均匀性，提高难成形材料的成形性能。

Description

基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置 

技术领域

本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，其适用于微金属器件的体积成形，特别适合于常规微成形方法难以成形或无法成形的材料成形，如钛合金、复合材料等，适合微器件的低成本批量化生产。 

发明背景 

微型化使得微机电系统在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，在航空航天、医疗卫生、电信电子、精密仪器和国防等各种应用领域具有广阔的发展前景。随着微机电系统从基础研究阶段逐步跨入研制开发和实用阶段，对微机电系统器件的加工工艺、加工质量、成本和批量等提出了新的要求，其最终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。 

现有的面向MEMS的微机械加工技术和工艺是在集成电路的基础上发展起来的，主要依赖于LIGA、光刻、蚀刻等微细加工技术，无法满足三维复杂形状微器件的加工，也限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的可重复性差，不适合微型器件的批量生产，可见研究高效、低成本的适用于多种材料的微器件成形方法非常迫切。而塑性成形具有工艺简单、生产效率高、成本低，零件精度和强度高的特点，所以近来结合塑性加工方法的微塑性成形技术得到了很大发展。在微塑性成形领域中，微挤压成形非常适合复杂形状的微器件成形，也满足批量生产的要求。但是，微挤压件结构尺寸的微型化并非传统意义下宏观零件的简单几何缩小，传统宏观的成形理论、挤压模具设计理论、工艺参数等都不能简单按照相似定律缩小应用到微挤压成形中，微型化对微挤压成形工艺和模具结构设计等各方面也都有影响，微挤压的复杂性至今仍是国内外研究的热点。 

经检索国内外已有为数不多的关于微塑性成形和微挤压的专利技术报道，如中国专利 200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形，日本Tsuyoshi Masumoto申请专利：Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利02159403.1报导了利用激光固化实现对含有微细纤维强化材料的微型零部件加工，专利02815534.3提出了一种利用激光器对工件加热到超塑性温度使之成型的方法。U.Engel等人成功采用温微锻成形了难加工材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and Nano Technology.2003，69-72)。 

目前报导的关于微挤压研究和专利大多集中在冷挤压和超塑性微挤压，有关激光加热成形主要集中在宏观超塑性成形上，但存在下列问题： 

1.由于微冷挤的变形抗力大，而且受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响较大，造成微冷挤的变形、充模不均匀，工艺参数不稳定。 

2.超塑性微挤压对所使用的工件材料有特殊要求，仅适用于具有超塑性材料的微挤压。 

3.微塑性成形系统中对工件的加热都是间接式(将热电偶埋入模具之内)或者接触式的加热(油浴、加热炉)，工序复杂而且温度不易控制。 

4.成形材料和工艺受到限制。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置。 

一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法，其特征在于：以长脉冲Nd:YAG红外激光器发射激光，激光束通过外光路系统对微小毛坯进行非接触式准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率激光参数来调整温度边界条件和通过控制照射区域和照射时间的长短，获得所需要的温度梯度和温度分布；通过三维微动平台、分光镜、CCD摄像头、图像采集器和图像处理技术来实现坯料、凸凹模的对中和定位，同时压力施加机构和进给机构相结合，利用挤压头和凹模对毛坯进行微 挤压，控制系统实行对模温、定位、位移、步进电机和三维精密工作台的控制，最终达到需要的加工质量要求。 

基于激光加热的微器件温挤压成形装置，包括激光加热系统、挤压模具、压力施加机构、进给机构，支座、三维精密工作台和控制系统。整个装置的最下方是支座，支座上方从左至右，依次为挤压模具、压力施加机构、进给机构；三维精密工作台位于支座和压力施加机构中间；激光加热系统位于支座的左端，由激光器和外光路系统组成，外光路系统由扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜组成；挤压模具的组成部件从左到右依次为左底座、平面玻璃、顶杆、垫板、凹模垫板、凹模、压头导套、凸模；凹模的内部装有电热棒和热电偶，分别用来加热和测量凹模的温度；压力施加机构的组成部件从左到右依次为支臂、超磁致伸缩微位移控制器、力传感器、超磁致伸缩微致动器、微致动控制器；进给机构的组成部件从左到右依次为螺母、螺杆、步进电机、步进电机控制器；激光加热系统按照光路的传播路线依次是激光器、扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜；控制系统包括A/D转换器、计算机、D/A转换器、图像采集器和模具温度控制组件。 

整个激光加热的微器件温挤压成形方法由控制系统协调作业，首先，长脉冲红外激光束经扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜组成的入射激光束光路系统直接照射毛坯，利用激光束对毛坯进行准静态非接触式加热，激光束在坯料表面和内部形成一定的温度分布和梯度，随着激光照射时间(能量)的增加，毛坯平均温度达到适合材料微温挤的范围。然后，通过电热棒实现凹模的恒温加热，同时用热电偶测量毛坯加热后的温度。再次，进给机构实现挤压头的进程，步进电机控制器控制步进电机带动螺杆向左运动，螺杆通过螺母推动压力施加机构和挤压凸模向左运动，三维精密平台可实现X、Y和Z向的线性精密调节；此过程由力传感器测挤压头和毛坯的接触程度，压力施加机构的超磁致伸缩微致动器作为动力源提供成形力，由超磁致伸缩微位移控制器控制输出的成形力，完成温微挤压。挤压成形后，转动挤压模具组件的左底座，完成顶出机构和凹模孔的对中，由布置在模具组件的左底座上的模具顶出机构，由顶出机构顶出成形件。上述加工过程由控制系统中的微型计算机来控制，加快了工艺流程，还保证了成形件的质量。 

通过三维微动平台、分光镜、CCD摄像头、图像采集器和图像处理技术来实现坯料、凸凹模的对中和定位。 

可以通过改变激光脉宽、能量、光斑直径、重复频率等激光参数来调整温度边界条件，通过控制照射区域和照射时间的长短，可获得精确的温度梯度和温度分布。 

本发明的能量加载方式有两种： 

1.通过激光器电源及控制系统使激光器能量连续变化。 

2.通过控制激光在工件上的照射区域和照射时间，从而调节激光在工件上的能量加载。 

本发明能有效提高难成形材料的成形性能，易于实现微器件的温微挤压成形，通过改变凸凹模结构可以成形形状复杂的三维微小型零件，而且适于批量生产。 

本发明与现有的微挤压和微塑性成形方法比，有下列优点： 

1.微温挤压不仅可以减小应变强化的影响，降低材料变形抗力，而且增加材料流动的均匀性，因此可实现难成形材料的微成形，如钛合金的微挤压成形。 

2.微温成形机理简洁，为其他微塑性成形(如微锻、微拉拔、微弯曲等)提供了指导。采用长脉冲红外激光作为热源，对工件实施准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，在坯料中形成温度梯度较小的温度场，直至毛坯温度分布达到适合材料微温挤的范围。同时压力施加机构和进给机构相结合，在微模具的作用下实现对微毛坯的微温挤压。 

3.激光与工件材料之间的热作用可以精确控制，激光能量载荷控制准确方便，激光的功率、能量和光斑直径等参数可以直接控制。 

4.应用范围广，易于成形各种复杂三维微器件，只要改变凸凹模结构即可。 

5.非接触式加热，与毛坯之间没有外加机械力的作用，而且是直接照射加热，工艺简单。利用长脉冲红外激光对工件准静态加载，热作用效果明显，加热时间短，效率高。 

6.激光束易于聚焦，根据需要可任意调整形状、大小和能量密度，从而达到微器件成形材料的温挤压温度和温度分布。 

7.成形精确，成本低，效率高，特别适合于微器件的批量生产。 

8.与现有的微成形系统中的加热技术相比，激光加热无环境污染，导向性能好，可对毛坯进行选择性加热区域，对试件的形状无特殊要求。 

9.由于微温挤压温度是在室温和材料再结晶温度之间的微挤压，不仅没有易氧化、过度热膨胀等热挤压无法避免的问题，还可以减少冷挤压挤压成形力大、易受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响的缺陷，提高了材料成形的稳定性。 

附图说明：

图1是本发明系统的整体结构简图。 

图2是本发明中激光加热系统示意图。 

图3是本发明挤压模具中左底座的放大结构示意图。 

图4是模具温度控制组件的连接示意图。 

图5是定位和整个系统的控制示意图。 

(1)激光加热系统  (1-1)激光器  (1-2)扩展器  (1-3)可调光阑  (1-4)准直器  (1-5)导光系统  (1-6)反射镜  (1-7)反射镜  (1-8)短焦物镜  (2)挤压模具  (2-1)左底座  (2-1-1)平面玻璃  (2-1-2)顶杆  (2-1-3)垫板  (2-1-4)通孔  (2-1-5)通孔  (2-2)凹模垫板  (2-3)电热棒盲孔  (2-4)凹模  (2-5)热电偶盲孔  (2-6)挤压头导套  (2-7)凸模  (3)模具温度控制组件  (3-1)电热棒  (3-2)热电偶  (3-3)PID反馈控制电路  (3-4)可控硅  (3-5)交流电源  (3-6)温度控制器  (3-7)控制极  (4)压力施加机构  (4-1)支臂  (4-2)超磁致伸缩微位移控制器  (4-3)力传感器  (4-4)超磁致伸缩微致动器  (4-5)微致动控制器  (5)进给机构  (5-1)螺母  (5-2)螺杆  (5-3)步进电机  (5-4)步进电机控制器  (6)三维精密工作台  (7)支座  (8)A/D转换器  (9)计算机  (10)D/A转换器  (11)图像采集器  (12)CCD  (13)分光镜 

具体实施方式： 

具体实施方式一： 

结合图1、图2、图3、图4和图5，整个装置由激光加热系统1、挤压模具2、压力施加机构4、进给机构5、三维精密工作台6、支座7和控制系统组成。 

图2所示为激光加热系统，长脉冲红外激光1-1经扩展器1-2、可调光阑1-3、准直器1-4、导光系统1-5、反射镜1-6、1-7和短焦物镜1-8等组成的入射激光束光路系统直接照射毛坯，利用激光束对毛坯进行准静态非接触式加热，激光束在坯料表面和内部形成一定的温度分布和梯度，通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整温度边界条件，使毛坯平均温度达到适合材料微温挤的范围。同时，进给机构5使凸模2-7作进给运动，压力施加机构4和进给机构5相结合实现对微毛坯的挤压动作，完成在室温和材料再结晶温度之间的微挤压。 

结合图1，挤压模具2的组成部件为左底座2-1、凹模垫板2-2、电热棒盲孔2-3、凹模2-4、热电偶盲孔2-5、挤压头导套2-6、凸模2-7。在凹模垫板2-2中心处开有第三通孔，凹模2-4上端面沿周向布置四处电热棒盲孔2-3和一处热电偶盲孔2-5。 

结合图1、图4和图5，控制系统中的模具温度控制组件3由电热棒3-1、热电偶3-2、PID反馈控制电路3-3、可控硅3-4、交流电源3-5、温度控制3-6和控制极3-7组成。电热棒3-1插入电热棒盲孔2-3对凹模加热，热电偶3-2插入热电偶盲孔2-5用于测量凹模的加热温度。热电偶3-2的输出端和PID反馈控制电路3-3的输入端相连接，而PID反馈控制电路3-3的输出端和可控硅3-4的控制极相连接，可控硅3-4的一端连电热棒3-1，可控硅3-4的另一端连交流电源3-5的一极，交流电源3-5的另一极和电热棒3-1相连接。 

结合图1，压力施加机构4的组成部件为支臂4-1、超磁致伸缩微位移控制器4-2、力传感器4-3、超磁致伸缩微致动器4-4和微致动控制器4-5。力传感器4-3位于超磁致伸缩微致动器4-4的左边，超磁致伸缩微位移控制器4-2与超磁致伸缩微致动器4-4的电源线相连接，超磁致伸缩微致动器4-4左端固定在支臂4-1上，超磁致伸缩微位移控制器4-2与2-7凸模相连接，微致动控制器(4-5)与控制系统相连接。压力施加机构4位于三维精密平台6的上面。 

结合图1，进给机构5的组成部件为螺母5-1、螺杆5-2、步进电机5-3和步进电机控制 器5-4。螺杆5-2右端连步进电机5-3，其左端连螺母5-1。螺母5-1固定在超磁致伸缩微致动器4-4的右端面上。步进电机5-3的电源线和步进电机控制器相连接。三维精密平台6包括Y向和Z向步进电机以及精密平台。 

结合图3说明左底座2-1的工作原理。左底座2-1上开有第一通孔2-1-4和第二通孔2-1-5。开始时第一通孔2-1-4和凹模垫板2-2的第三通孔对中，并且第一通孔2-1-4中安有平面玻璃2-1-1，此为激光束的通道。第二通孔2-1-5中安有顶杆2-1-2和垫板2-1-3，在挤压成形结束后，由卡盘带动左底座2-1旋转90度，实现第二通孔2-1-5和凹模垫板2-2的第三通孔对中，由顶杆2-1-2推动垫板2-1-3完成成形件的顶出。 

图5是控制系统示意图，包括A/D转换器8、计算机9、D/A转换器10、图像采集器11、CCD12和分光镜13，控制着温度、模具定位、位移、步进电机和三维精密工作台。计算机一个输入端连接图像采集器，输出端连接三维微动平台6；另一输入端经A/D转换器8和力传感器4-3、位移控制器4-2以及温度控制器3-6相连接，另一输出端经过D/A转换器10连接微致动器控制器4-5、步进电机控制器5-4以及温度控制器。计算机自动控制整个温微挤塑性成形过程，加快了工艺流程，在精确控制下还保证了成形件的质量。 

再结合图5，压力施加机构4位于三维精密平台6的上面，三维精密平台6和计算机相连接。利用CCD摄像头通过凹模工作腔来观测挤压头的顶部中心，并由图像采集器采集CCD拍摄的图像，计算机根据图像处理技术处理所得图像，根据定位精度和处理结果，由计算机来控制三维精密平台6中的Y向和Z向步进电机来实现凸凹模的对中。通过通电电热棒3-1对凹模2-4进行加热，由热电偶3-2来检测加热的温度，并将检测的温度信号输入到PID反馈控制电路3-3，PID反馈控制电路3-3进行控制后经可控硅3-4输出，保证凹模2-4的加热温度在设定的有效范围之内。同时通过激光对放置于凹模2-4工作腔内的工件进行非接触式加热，通过控制激光功率和光斑直径来达到预定温度，并由非接触式测温仪来检测工件的加热温度。此种加热方式效率高且可控性好。下一步由进给机构5来实现较大的进给，过程为步进电机5-3带动螺杆5-2向左运动，螺杆5-2通过螺母5-1推动压力施加机构4和挤压凸模2-7向左运动，通过力传感器4-1来检测凸模2-7和工件的接触程度，达到预定值后停止进给。 再由压力施加机构4的超磁致伸缩微致动器4-4作为动力源。由超磁致伸缩微位移控制器4-2控制输出的成形力。成形过程中力传感器4-3、位移控制器4-2分别检测到成形载荷和成形过程的总体变形量，经A/D转换输入到计算机，做出纪录和反馈控制。 

具体实施方式二： 

如果对于待成形毛坯外形尺寸接近光斑直径时，或者对温挤压温度范围没有特殊要求时，因为短时间内热损失较少，所以基于激光加热微温挤压成形装置中的模具温度控制组件3、电热棒3-1、热电偶3-2、PID反馈控制电路3-3、可控硅3-4、交流电源3-5、温度控制器3-6和控制极3-7等部分都可以免去。直接利用激光加热系统对毛坯进行加热，然后在短时间内由进给机构5对凸模2-7作进给运动，压力施加机构4和进给机构5相结合实现对微毛坯的挤压动作，热损失非常小，可以完成在室温和材料再结晶温度之间的微挤压。 

综上所述，本发明所涉及的基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，将激光加热和温挤压技术应用到微器件的挤压成形工艺，解决了常规微加工方法难以成形三维复杂器件以及难成形材料难以成形的问题，也解决了低成本和大批量生产微器件的问题，可以对本发明变形或者修改，以此借用到其他微塑性成形方法。本发明的系统设计合理、可靠，工艺简单，一致性好，而且适于批量生产。 

Claims (6)

1.一种基于激光加热的微器件温挤压成形装置，包括激光加热系统(1)、挤压模具(2)、压力施加机构(4)、进给机构(5)、三维精密工作台(6)、支座(7)和控制系统，其特征在于：整个装置的最下方是支座(7)，支座(7)上方从左至右，依次为挤压模具(2)、压力施加机构(4)、进给机构(5)；三维精密工作台位(6)于支座(7)和压力施加机构(4)中间；激光加热系统(1)位于支座(7)的左端，由激光器(1-1)和外光路系统组成，外光路系统由扩展器(1-2)、可调光阑(1-3)、准直器(1-4)、导光系统(1-5)、反射镜(1-6)和短焦物镜(1-8)组成；挤压模具(2)的组成部件从左到右依次为左底座(2-1)、平面玻璃(2-1-1)、顶杆(2-1-2)、垫板(2-1-3)、凹模垫板(2-2)、凹模(2-4)、挤压头导套(2-6)、凸模(2-7)；左底座(2-1)上开有第一通孔(2-1-4)和第二通孔(2-1-5)，所述第一通孔(2-1-4)中安有平面玻璃(2-1-1)，所述第二通孔(2-1-5)中安有顶杆(2-1-2)和垫板(2-1-3)，来实现微器件的顶出；在凹模垫板(2-2)中心处开有第三通孔，凹模(2-4)上端面沿周向布置四个电热棒盲孔(2-3)放置电热棒(3-1)和一个热电偶盲孔(2-5)放置热电偶(3-2)；压力施加机构(4)的组成部件从左到右依次为支臂(4-1)、超磁致伸缩微位移控制器(4-2)、力传感器(4-3)、超磁致伸缩微致动器(4-4)、微致动控制器(4-5)；进给机构(5)的组成部件从左到右依次为螺母(5-1)、螺杆(5-2)、步进电机(5-3)、步进电机控制器(5-4)；激光加热系统(1)按照光路的传播路线依次是激光器(1-1)、扩展器(1-2)、可调光阑(1-3)、准直器(1-4)、导光系统(1-5)、反射镜(1-6)和短焦物镜(1-8)；控制系统包括A/D转换器(8)、计算机(9)、D/A转换器(10)、图像采集器(11)和模具温度控制组件(3)。

2.根据权利要求1所述的基于激光加热的微器件温挤压成形装置，其控制系统中的模具温度控制组件(3)由电热棒(3-1)、热电偶(3-2)、PID反馈控制电路(3-3)、可控硅(3-4)和交流电源(3-5)组成，电热棒(3-1)插入电热棒盲孔(2-3)内对凹模进行加热，热电偶(3-2)插入凹模上端面的热电偶盲孔(2-5)中来测量凹模的加热温度，热电偶(3-2)的输出端和PID反馈控制电路(3-3)的输入端相连接，而PID反馈控制电路(3-3)的输出端和可控硅(3-4)的控制极(3-7)相连接，可控硅(3-4)的一端连电热棒(3-1)，可控硅(3-4)的另一端连交流电源(3-5)的一极，交流电源(3-5)的另一极和电热棒(3-1)相连接。

3.根据权利要求1所述的基于激光加热的微器件温挤压成形装置，其压力施加机构(4)由支臂(4-1)、超磁致伸缩微位移控制器(4-2)、力传感器(4-3)、超磁致伸缩微致动器(4-4)和微致动控制器(4-5)组成，其特征在于力传感器(4-3)位于超磁致伸缩微致动器(4-4)的左边，超磁致伸缩微位移控制器(4-2)与超磁致伸缩微致动器(4-4)的电源线相连接，微致动控制器(4-5)与控制系统相连接。

4.根据权利要求1所述的基于激光加热的微器件温挤压成形装置，其进给机构(5)由螺母(5-1)、螺杆(5-2)、步进电机(5-3)和步进电机控制器(5-4)组成，其特征在于螺杆(5-2)右端连步进电机(5-3)，其左端连螺母(5-1)，螺母(5-1)固定在超磁致伸缩微致动器(4-4)的右端面上，步进电机(5-3)的电源线和步进电机控制器(5-4)相连接。

5.根据权利要求1所述的基于激光加热的微器件温挤压成形装置，其三维精密工作台(6)的X、Y和Z向步进电机由计算机(9)来控制运动，可实现X、Y和Z向的线性精密调节，其特征在于三维精密工作台(6)和支座(7)相连。

6.根据权利要求1所述的基于激光加热的微器件温挤压成形装置，其特征在于通过三维精密工作台、分光镜、CCD摄像头、图像采集器和图像处理技术来实现坯料、凸凹模的对中和定位。

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