CN101284288A - 一种张紧式微弯曲成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种张紧式微弯曲成形方法及其成形装置，属于微塑性成形领域，将金属丝张紧在凸模支架上，被张紧的金属丝用作为微弯曲成形时的凸模，与凸模支架一起构成张紧式凸模组件，并利用安装在凸模支架上的CCD摄像头观测金属丝与凹模的位置关系，通过调整二维移动台，实现金属丝和凹模的对中，经安装在凹模上的定位块对工件定位，以步进电机作为动力源驱动丝杠，带动滑动面板沿方形导轨移动，使与滑动面板相连的张紧式凸模组件上下移动，实现被张紧的金属丝对凹模上的的工件进行微弯曲成形。本发明使用被张紧的金属丝作为微弯曲成形凸模，简单方便，大大降低制造微弯曲凸模的难度，实用性强。该装置设计合理，工艺简单，可控制性好，适用于工业化生产。

Description

一种张紧式微弯曲成形方法及装置

技术领域

本发明涉及微塑性成形技术领域，特指一种基于张紧式凸模微弯曲成形的方法和装置，改进了常规方法难以制造的微弯曲凸模，便于频繁更换凸模宽度的板料微弯曲成形，主要适合用在金属超薄板料的微弯曲成形方面，有利于微弯曲器件的低成本批量化生产。

背景技术

随着科学技术不断进步，对微型产品需求量迅猛增长，微型化越来越受到人们的重视，已经成为当代科学发展的一个重要方向，微型化产品广泛应用在自动化、医疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域，有着广阔的发展前景。微塑性成形技术正是在这种需求下发展起来的，由于生产的产品非常小，对加工过程中的进给量、加载速度、加工精度、位移和力测量的实时性要求很高，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。

微弯曲成形作为微塑性成形的重要组成部分，在实际应用中非常广泛，常见于成形的簧片、挂钩、连接头、线条等。目前微弯曲成形技术主要依赖于激光微弯曲成形技术和等离子电弧加热弯曲成形等，都是依据温度梯度理论而进行的微弯曲成形方法，其他方法有利用微模具弯曲成形和电化学成形方法等。由于微弯曲零件尺寸小，形状复杂，难以满足批量生产的要求，目前对微弯曲成形的成形方法和装置的研究仍不成熟，微弯曲成形至今仍然是国内外研究的热点。

近年来国内外在微弯曲成形方法和装置上进行的研究较少。Kals对厚度在0.1～1mm镍合金以及铜合金薄板做了弯曲试验(Journal of Materials Processing Technology，2000，103：95-101)，是根据普通自由弯曲比例缩小后的一种成形实验。W.Wang对镍箔作了微弯曲试验(International Journal of Plasticity，2003，19：365-382)，根据应变梯度塑性理论研究了微弯曲的成形问题。上海交通大学的蒋振新等(电子工艺技术，2003，5)提出了一种借助二次熔胶工艺实现微弯曲面成型的新工艺制作了微弯曲镍梁，成形过程不宜控制。中国科学院力学研究所的黄晨光等人(中国激光，2002，3)对激光微弯曲的成形机理进行了模拟研究，激光参数对微弯曲成形影响很大，激光加热成本高且弯曲成形可控性差。经检索国内外在微塑性成形的专利技术为数不多，特别是专门针对塑性成形领域的微弯曲成形技术几乎没有。在微塑性成形领域，美国的Edward G.Wenskis设计了一种微拉伸用成形装置，专利号为US6983685，该装置仅用作微拉伸试验，难以实现批量化生产。中国专利03132554.8报道了哈尔滨工业大学的一种精密微塑性成形系统，其原理是采用压电陶瓷作为驱动器施压成形，但没有细化到微弯曲成形方面。中国专利200510022725.1报道了西北工业大学的一种微小型零件的超塑性挤压成形装置，但是仅针对超塑性材料设计的装置，实用范围有限。

总的来说，目前报道的关于微弯曲研究集中在激光加热、电化学、超塑性以及传统弯曲成形的比例缩小等方面进行的微弯曲成形，存在以下问题：

1.纯粹利用材料的温度梯度效应的激光加热微弯曲成形，弯曲程度的可控制性差，只能成形简单形状的微型件，而且成形工件的精度不高。

2.采用电化学的方法只能成形结构相对简单的微器件，成形周期长，成本高，不适合批量化生产。

3.超塑性微成形对微器件的材料有着特殊的要求，需要材料具有超塑性的能力，应用范围较小。

4.目前对微弯曲模具以传统的制造方法制造精度比较低，难以适应微弯曲件质量的要求。

5.微弯曲成形的凸模以传统制造方法制造困难且成本高。

6.传统方法制造的微弯曲凸模刚性不足，使用性能比较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于张紧式微器件弯曲成形方法及装置，能克服以上缺点。

本发明所提供的一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：将金属丝张紧在凸模支架上，被张紧的金属丝用作为微弯曲成形时的凸模，与凸模支架一起构成张紧式凸模组件，并利用安装在凸模支架上的CCD摄像头观测金属丝与凹模的位置关系，通过调整二维移动台，实现金属丝和凹模的对中，经安装在凹模上的定位块对工件定位，以步进电机作为动力源驱动丝杠，带动滑动面板沿方形导轨移动，使与滑动面板相连的张紧式凸模组件上下移动，实现被张紧的金属丝对凹模上的的工件进行微弯曲成形，得到与凹模形状相匹配的微弯曲器件。

上述的一种张紧式微器件弯曲成形方法，其特征在于：被张紧的金属丝可以是钢丝或钼丝。根据弯曲件厚度和凹模宽度要求，选用对应直径的金属丝张紧在凸模支架上即可达到要求，金属丝直径选取在0.1～1mm之间。

上述的一种张紧式微器件弯曲成形方法，其特征在于把CCD摄像头竖直安装在凸模支架中间，CCD拍摄的图像经过工业图像采集卡把金属丝与凹模的位置关系显示在计算机上，调整二维移动台，使安装在二维移动台上的凹模与金属丝对中。

上述的一种张紧式微器件弯曲成形方法，其特征在于凹模通过微细加工或者其他各种微加工技术制备。

本发明所提供的一种张紧式微弯曲成形装置，包括安装台、平移加载工作台、数据采集系统、张紧式凸模组件、凹模组件和控制系统六部分。安装台位于整个成形装置的底部；平移加载工作台位于该装置的左侧，固定底座安装在安装台上，加载架、方形导轨、丝杠由左至右安装在固定底座上，其中加载架和方形导轨用螺栓联接固定，丝杠上面由下而上依次连接滑动面板、固定板和联轴器，其中滑动面板联接在方导轨右侧，通过丝杠传动，在加载架上面依次联接安装板、步进电机和步进电机手柄；数据采集系统位于滑动面板的右侧，由位移传感器、力传感器、变送器、多功能数据采集卡和计算机组成，通过滑动面板由T型板转向连接后依次连接的是位移传感器和力传感器，由位移传感器和力传感器连出的依次是变送器、多功能数据采集卡和计算机；张紧式凸模组件位于力传感器正下方，通过L型板连接，包括凸模支架、金属丝、螺栓I、螺母、螺栓II、垫圈和压片七部分；凹模组件位于张紧式凸模组件正下方，安装在安装台上，由下而上依次是二维移动台、步进电机II、步进电机III、凹模固定板、凹模和定位块，其中步进电机II和步进电机III用于调整二维移动台在X和Y相的位置关系，实现凹模和张紧式金属丝对中；控制系统主要有CCD、工业图像采集卡、步进电机控制器和计算机四部分，步进电机控制器分别控制步进电机I、步进电机II和步进电机III并与计算机连接，CCD位于凸模支架中间，竖直向下安装，工业图像采集卡一端联接CCD，一端联接计算机。

上述的一种张紧式微弯曲成形装置中，加载架旁边装有角铁固定块，其作用是为了加强加载架刚度。

本发明采用的技术方案：

本发明所提出的张紧式微弯曲成形技术，不同于常规方法所进行的弯曲成形，而是利用被张紧的金属丝作为微弯曲成形的凸模进行弯曲成形，针对微弯曲成形的微型工件，凸模宽度通常在1mm以内，选取与工件尺寸匹配的直径的金属丝，张紧后能有效的成形普通方法无法成形的微弯曲零件，针对不同厚度的工件，凸模宽度有所改变，只需要更换与之相配的直径的金属丝，即可加工出匹配的微弯曲件，微弯曲成形方便可靠，控制可行性强。由于金属丝比较柔软，刚性不足，为能利用金属丝作为凸模成形弯曲件，本发明所涉及的张紧式微弯曲成形方法是用压片通过把金属丝的一端固定在凸模支架的左侧，用螺栓旋进凸模支架的右侧，并把金属丝的另一端缠紧在螺栓上，通过旋紧螺栓张紧金属丝，并使用螺母固定螺栓防止金属丝松动。针对不同的工件材料具有不同的抗弯强度，本发明采用的金属丝可以更换成钼丝等其他金属丝，以便成形出更好质量的微弯曲件。

本发明具有以下的技术优势：

1.采用张紧的金属丝作为凸模，解决了传统凸模微型化后制造困难的难题。

2.采用张紧的金属丝作为凸模，弯曲力由金属丝拉力承担，解决了传统凸模微型化后在弯曲零件时刚度不足问题，强化了使用性能。

3.根据微弯曲件厚度不同的要求，选用对应直径尺寸的金属丝张紧后作为微弯曲凸模即可，操作方便。

4.对于金属丝的张紧，金属丝一端固定，另一端通过螺栓的旋转张紧金属丝，张紧过程简单，且螺栓选用方便，张紧力可根据需要调节，实现过程容易。

5.根据不同材料抗拉强度、硬度等不同，可以选用其他如钼丝等金属丝替代金属丝，实用性强。

6.采用CCD和工业图像采集卡通过计算机观测金属丝和凹模的位置关系，调整二维移动台实现金属丝和凹模对中，方便可靠。

附图说明

图1是本发明提出的张紧式微弯曲成形装置简图。

图2是本发明中张紧式凸模组件图。

图3是本发明中张紧式凸模支架图。

(1)加载架  (2)方形导轨  (3)步进电机I  (4)步进电机手柄  (5)安装板  (6)联轴器  (7)固定板  (8)丝杠  (9)滑动面板  (10)T形板  (11)位移传感器  (12)力传感器  (13)多功能数据采集卡  (14)计算机  (15)工业图像采集卡  (16)放大器  (17)步进电机控制器  (18)L形板  (19)张紧式凸模组件  (20)步进电机II  (21)定位块  (22)凹模固定板  (23)步进电机III  (24)凹模  (25)二维移动台  (26)固定底座  (27)角铁固定块  (28)安装台  (29)CCD  (30)凸模支架  (31)金属丝  (32)螺栓I  (33)螺母  (34)螺栓II  (35)垫圈  (36)压片

具体实施方式

下面结合图1、图2和图3详细说明本发明提出装置的具体细节和工作情况。

本发明所提出的一种张紧式微弯曲成形装置包括安装平台28、平移加载工作台、数据采集系统、张紧式凸模组件19、凹模组件和控制系统六部分。平移加载工作台提供动力源，经过T形板10把成形力传递给张紧式凸模组件19，通过被张紧的金属丝31成形工件，数据采集系统用于采集力和位移数据，凹模组件主要用于安装凹模，控制系统主要控制成形过程及调整金属丝和凹模对中。

结合图1，平移加载工作台依次由固定底座26、角铁固定块27、加载架1、方形导轨2、丝杠3、滑动面板9、固定板7、联轴器6、安装板5、步进电机I3、步进电机手柄4组成，步进电机I3通过联轴器6驱动丝杠3转动，丝杠带动滑动面板9沿方形导轨2移动，步进电机手柄4用来手动驱动丝杠3，实现滑动面板9沿方形导轨2移动。

结合图1，数据采集系统包括位移传感器11、力传感器12、变送器16、多功能数据采集卡13和计算机14，位移传感器11、力传感器12采集位移和力的模拟信号，经变送器16放大传送给多功能数据采集卡13，转换成数字信号后储存于计算机14中。

结合图1，凹模组件由二维移动台25、步进电机III23、步进电机II20、凹模固定板22、凹模24和定位块21组成，通过步进电机控制器17控制步进电机III22和步进电机II20，调整二维移动台25，从而保证安装在二维移动台25上的凹模24和张紧式凸模组件19中金属丝31的位置关系对中，起定位的作用。

结合图1，控制系统由CCD29、工业图像采集卡15、步进电机控制器17和计算机14组成，CCD29和工业图像采集卡15和计算机14用于观测金属丝与凹模之间位置关系，步进电机控制器17用于控制步进电机I3、步进电机II20和步进电机III23的运动，保证成形力以及金属丝31与凹模24对中。

结合图2，张紧式凸模组件19由凸模支架30、金属丝31、螺栓I32、螺母33、螺栓、垫圈35和压片36组成，螺栓II34、垫圈35和压片36把金属丝31的一端固定在凸模支架30的一侧，螺栓I32旋钮在凸模支架30的另一侧、金属丝31缠绕在螺栓I32中间，旋紧金属丝31后，用螺母33固定住螺栓并防止金属丝松动，张紧后的金属丝31用作微弯曲成形的凸模。

如图3所示，凸模支架30左上侧螺纹孔用螺栓II34联接固定金属丝31的一端，右侧突出部分正向的螺纹孔用螺栓I32旋进后，再以金属丝31缠绕，旋紧后固定，用于张紧金属丝31，凸模支架30中间两盲孔用于安装CCD29，底部两通孔用于安装在转接板II17上。

具体实施方式：

结合图1、图2和图3，张紧式微弯曲成形方法如下：

根据需要，把固定底座26安装在安装台28上，然后将角铁固定块27安装在固定底座26上，再将加载架1安装在角铁固定块27右侧，并将滑动面板9连同丝杠8和方形导轨2安装在加载架1上，在丝杠8上安装固定板7和联轴器6，并在加载架1上面安装安装板5，在安装板5上面安装步进电机I3；然后将T形板10安装在滑动面板9上，在T形板10下面安装位移传感器11和力传感器12，L形板18安装在力传感器12下面，由位移传感器11和力传感器12连出后经由变送器16，再连接多功能数据采集卡13，最终把多功能数据采集卡13安装在计算机14中；将步进电机II20和步进电机III23连同二维移动台25安装在安装台28上，并将凹模固定板22安装在二维移动台25上，在凹模固定板22上安装凹模24，将步进电机I3、步进电机II20和步进电机III23连接到步进电机控制器17上，并将步进电机控制器17连接到计算机14中；根据微弯曲件的尺寸要求，选用与之相配直径的金属丝31，并设计尺寸匹配的凹模24；并将金属丝31的一端用螺栓II34、垫圈35和压片36固定在凸模支架30的一侧，把螺栓I32旋进凸模支架30另一侧、然后把金属丝31缠绕螺栓I32中间，旋拧螺栓I32直到金属丝31张紧后，用螺母33固定好螺栓I32，防止金属丝31松动，张紧后的金属丝31用作微弯曲时的凸模，将CCD29安装在凸模支架30的中间，并将所组成的张紧式凸模组件19安装在T形板10上；然后利用计算机14和步进电机控制器17控制步进电机I3，使张紧式凸模组件19处于适当的位置，打开CCD29，通过计算机14观测金属丝31和凹模24的相对位置，并使用计算机14和步进电机控制器17控制步进电机II20和步进电机III23，使凹模24与张紧式凸模组件19中的的金属丝31的对中，然后将定位块21安装在凹模24上，通过定位块21把工件平放于凹模24上；利用计算机14和步进电机控制器17控制步进电机I3，使金属丝31通过凹模24对工件加载成形；与此同时，通过位移传感器11和力传感器12所测得的位移和力的模拟信号，经过变送器16放大传送给多功能数据采集卡13转换成数字信号，并保存于计算机14中，以便分析成形过程的受力情况。

当需要成形不同的微弯曲件时，只需根据微弯曲件厚度和凹模宽度尺寸，更换匹配直径的金属丝，张紧在张紧式凸模组件上即可成形出合格的微弯曲件。

综上所述，本发明所涉及的一种张紧式微弯曲成形方法及装置，将张紧的金属丝作为微弯曲的凸模，解决了微弯曲凸模制造困难的问题，也解决了由于微弯曲件厚度变化导致微弯曲凸模宽度变化而频繁更换凸模的问题，只需更换金属丝，便可以重复利用张紧式凸模组件，降低了模具生产的成本和周期。本发明的装置设计合理，可靠，而且适于批量生产。

Claims (7)

1、一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：将金属丝张紧在凸模支架上，被张紧的金属丝用作为微弯曲成形时的凸模，与凸模支架一起构成张紧式凸模组件，并利用安装在凸模支架上的CCD摄像头观测金属丝与凹模的位置关系，通过调整二维移动台，实现金属丝和凹模的对中，经安装在凹模上的定位块对工件定位，以步进电机作为动力源驱动丝杠，带动滑动面板沿方形导轨移动，使与滑动面板相连的张紧式凸模组件上下移动，实现被张紧的金属丝对凹模上的的工件进行微弯曲成形，得到与凹模形状相匹配的微弯曲器件。

2、权利要求1所述的一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：被张紧的金属丝可以是钢丝或钼丝。

3、权利要求1所述的一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：根据弯曲件厚度和凹模宽度要求，选用对应直径的金属丝张紧在凸模支架上即可达到要求。

4、权利要求3所述的一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：金属丝直径选取在0.1～1mm之间。

5、权利要求1所述的一种张紧式微弯曲成形方法，其特征在于：把CCD摄像头竖直安装在凸模支架中间，CCD拍摄的图像经过工业图像采集卡把金属丝与凹模的位置关系显示在计算机上，调整二维移动台，使安装在二维移动台上的凹模与金属丝对中。

6、实现权利要求1所述的一种张紧式微弯曲成形方法的装置，其特征在于：包括安装台(28)、平移加载工作台、数据采集系统、张紧式凸模组件(19)、凹模组件和控制系统六部分；安装台(28)位于整个成形装置的底部；平移加载工作台位于该装置的左侧，固定底座安装在安装台上，加载架(1)、方形导轨(2)、丝杠(8)由左至右安装在固定底座(26)上，其中加载架(1)和方形导轨(2)用螺栓联接固定，丝杠(8)上面由下而上依次连接滑动面板(9)、固定板(7)和联轴器，其中滑动面板(9)联接在方导轨右侧，通过丝杠(8)传动，在加载架(1)上面依次联接安装板(5)、步进电机和步进电机手柄(4)；数据采集系统位于滑动面板(9)的右侧，由位移传感器(11)、力传感器(12)、变送器、多功能数据采集卡(13)和计算机组成，通过滑动面板(9)由T型板转向连接后依次连接的是位移传感器(11)和力传感器(12)，由位移传感器(11)和力传感器(12)连出的依次是变送器、多功能数据采集卡(13)和计算机；张紧式凸模组件(19)位于力传感器(12)正下方，通过L型板(18)连接，包括凸模支架(30)、金属丝(31)、螺栓I(32)、螺母(33)、螺栓II(34)、垫圈(35)和压片(36)七部分；凹模组件位于张紧式凸模组件正下方，安装在安装台(28)上，由下而上依次是二维移动台(25)、步进电机II(20)、步进电机III(23)、凹模固定板(22)、凹模(24)和定位块(21)，其中步进电机II(20)和步进电机III(23)用于调整二维移动台(25)在X和Y相的位置关系，实现凹模(24)和张紧式金属丝对中；控制系统主要有CCD(29)、工业图像采集卡(15)、步进电机控制器(17)和计算机四部分，步进电机控制器(17)分别控制步进电机I(3)、步进电机II(20)和步进电机III(23)并与计算机连接，CCD(29)位于凸模支架(30)中间，竖直向下安装，工业图像采集卡(15)一端联接CCD(29)，一端联接计算机。

7、权利要求6所述的实现权利要求1所述的一种张紧式微弯曲成形方法的装置，其特征在于：加载架(1)旁边装有角铁固定块(27)。

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