CN101404835B - 一种用于非磁性工件的电磁加热微成形方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非磁性工件的电磁加热方法及其控制装置，所说方法是将上、下通孔的磁性金属置于由交变电流产生的交变磁场中时，磁场中的磁力线通过磁性金属产生回路，并形成许多涡旋感应电流，该涡流通过克服磁性金属的电阻流动时完成电能向热能的转换，使磁性金属的温度迅速升高，磁性金属热量传递给通孔内的空气，再由空气将热量传递给通孔内的非磁性工件，由设置在磁性金属上的温度检测元件检测加热温度，并将信号输入电磁加热温度控制装置，对电磁加热温度进行控制。实现该方法的装置，由上下通孔的磁性金属、电磁感应线圈、温度检测元件、屏蔽磁块、绝缘隔热板和电磁加热温度控制装置组成。本发明具有结构简单、控制电路安全等特点。

Description

一种用于非磁性工件的电磁加热微成形方法及其装置

技术领域

本发明涉及塑性成形领域，特指一种非磁性且不可通过热传递加热的微拉伸成形过程中的电磁加热方法及其控制装置，主要应用于超薄板的微塑性成形领域，也适用于宏观塑性成形领域。使用本方法及控制装置，不仅可以安全、快速的对微小工件进行加热，而且可以根据成形性能的需要，及时改变加热温度，提高塑性成形性能。

背景技术

随着MEMS的飞速发展，市场对微器件的需求越来越大，同时对微器件的加工工艺和加工质量等方面提出了新的要求。随着微器件尺寸的缩小，晶粒尺寸的大小、体表面积比等因素对微器件成形的影响越来越大，因此尺寸效应成为微成形研究的主要对象。在微成形过程中，不仅要考虑尺寸效应，而且其他宏观的工艺参数和工艺也需要调整。在各影响因素中，温度对成形性能的影响比较大。一般来讲，工件加热后其塑性性能要比常温条件下的塑性性能优越；由于加热会增加工件的内应力，所以当加热温度过高时，工件在成形后恢复到常温时，会因内应力过大导致成形工件的扭曲变形，严重影响工件的成形质量。在微拉深成形过程中，需要对工件进行加热以改善材料的流动，避免破裂，提高工件的成形性能。因此，如何对微塑性成形中的微小工件进行加热成为一个急需解决的问题。

在微电子工业和微机电领域中，为了提高材料的塑性成形性能，温热成形方法的应用变的越来越广泛。一般而言，对物体加热的方式有两种：一种是对物体的直接加热；另一种是通过热传递的方式对物体进行间接加热。对微拉深温热成形而言，其加热的方式比较多，其中常用的有激光加热、红外线加热、电阻加热等，这些加热方式中有些既可以直接对物体进行加热也可以间接对物体加热。在微成形中，常通过激光加热的方法对微小工件直接进行加热。但激光加热系统不但价格昂贵，维护费用高，而且操作比较繁琐，容易因操作不当而损坏仪器。红外线加热装置不但价格昂贵、而且还存在加热速度相对缓慢，被加热物体的材质受到一定的限制等缺点。电阻加热虽然比较便宜，但由于需要通过电阻丝加热或电阻棒加热，电阻丝容易氧化断裂，而电阻棒需要有足够大的空间才能插入，也不适合微器件的加热。因此，如何经济、有效地对微塑性成形中的工件进行加热成为一个急需解决的问题。

国内外利用电磁加热的方法很多，涉及的领域也很广，但主要应用于宏观领域，很难看到将其应用到微塑性成形领域的报道。如日本的Hisashi Okatsuka等人申请的专利：Electromagnetic induction heating apparatus capable of heating nonmagnetic cooking vessels(电磁感应加热非磁性烹饪器皿)，美国专利号4549056，报道了通过高频交流电磁场的方法，在非磁性材料的内部产生表面效应，从而达到加热非磁性器皿的目的。该装置的缺点是装置比较复杂使用费用相对昂贵，并且缺少必要的电磁屏蔽装置，高频感应电磁产生的电磁辐射对人体和其它电子仪器会产生严重的不良影响。

日本的Toshio Ogasawara等人申请的专利：High frequency cooking device havingelectromagnetic induction heater(电磁感应高频烹饪装置)，美国专利号：5177333。报道了将非磁性金属夹在磁性金属间，通过电磁感应原理先对磁性金属进行电磁加热，然后通过热传递的方法来加热非磁性金属。该方法的缺点是，对微成形中不能将试样直接与其它物体相接触的成形过程(如微拉伸实验中的拉伸试样是不可以通过将式样夹于加热物体之间的方式来传递热量的)。

中国专利号CN1362321A。介绍了一种硫化机电磁加热方法及装置。该装置通过电磁感应原理，直接对模具进行加热，然后通过热传递的方法对模具内的橡胶进行硫化。该装置的缺点是不能对非磁性工件进行加热，对不能直接进行热传递的工件无法进行加热(如拉伸实验中的非磁性工件)应用范围受到一定的限制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种通过电磁感应原理对不可通过物体间直接接触进行热传递的非磁性工件实现电磁加热微成形方法及其装置。是先对磁性金属进行加热，再通过加热磁性金属散发出的热量使腔体内的温度升高来加热工件。

本发明所采用的技术方案是：

一种电磁加热微成形方法，适用于不可通过物体间直接接触进行热传递的非磁性工件的微塑性成形，其特征在于：将上、下通孔的磁性金属置于由交变电流产生的交变磁场中时，磁场中的磁力线通过磁性金属产生回路，并在磁性金属内形成许多涡旋感应电流，该涡流通过克服磁性金属的电阻流动时完成电能向热能的转换，使磁性金属的温度迅速升高，磁性金属热量传递给通孔内的空气，再由空气将热量传递给置于通孔内的非磁性工件，由设置在磁性金属上的温度检测元件检测加热温度，并将信号输入电磁加热温度控制装置，对电磁加热温度进行控制。

一种实现上述电磁加热微成形方法的电磁加热装置，即适用于非磁性工件且不可通过物体间直接热传递方式进行电磁加热的微塑性成形装置，该装置主要由上下通孔的磁性金属、电磁感应线圈、温度检测元件、屏蔽磁块、绝缘隔热板和电磁加热温度控制装置组成，电磁感应线圈绕在磁性金属上，电磁感应线圈外依次设有屏蔽磁块和绝缘隔热板，该装置外围由绝缘隔热板封闭，中间为磁性金属围成的空腔，温度检测元件设置的磁性金属上，与电磁加热温度控制装置相连，在电磁加热温度控制装置中，整流器将流入的交流电转变成直流电，扼流线圈将直流电滤波后输入电容和电磁感应线圈，并联的电容和电磁感应线圈在相互作用下形成交变电流，交变电流通过电磁感应线圈后产生交变磁场，该交变磁场在磁性金属中产生回路，在磁性金属内形成涡旋状的感应电流，该涡流克服磁性金属的电阻流动时完成电能向热能的转换，所产生的焦耳热就是加热工件的热源，电脑根据电压电流检测保护电路和温度检测控制电路输入的信号，对变频电路发出相关指令。

在本发明的电磁加热装置中，中间的通孔用来放置待加热的非磁性工件和拉伸用夹具，例如，用夹具夹持拉伸试样(待加热的非磁性工件)置于通孔中，且保证工件不与磁性金属相接触。屏蔽磁块紧包在电磁感应线圈外，既能使磁力线具有方向性又能防止电磁泄露，最外层由绝缘隔热板组成，起到保温作用。为了达到更进一步的保温效果，通孔可设置成两头窄、中间宽的形状。为了在加热时使工件处于一个相对封闭的空间，实现更好的保温和加热效果，本发明的电磁加热装置还包括拉伸用夹具，所说的拉伸用夹具的中部为夹持机构，夹具两端的形状与通孔两端的形状相配合，当夹具插入通孔后，使通孔的两端封闭，其中部成为一个封闭的腔体，待加工工件就处于这个封闭腔体内。温度检测元件镶嵌在绕有电磁感应线圈的磁性金属内表面，用以测量工件的温度。

本发明与现有电磁加热及微塑性成形加热方法和装置相比，有如下优点：

1.该电磁加热微塑性成形方法及其装置与其它微塑性成形加热方法及其装置相比，具有结构简单、使用和维护费用低廉、控制电路安全可靠等特点。

2.该电磁加热微塑性成形方法及其装置与其它电磁加热方法及其装置相比，具有防辐射功能，降低人体和电子仪器受到电磁辐射的影响。

3.该电磁加热微塑性成形方法及其装置与其它电磁加热方法及其装置相比，可以对不能通过物体间直接接触进行热传递的非磁性工件进行加热。

附图说明：

附图1是本发明电磁加热装置剖视图。

附图2是图1A-A截面的剖视图。

附图3是电磁加热温度控制电路图。

1绝缘隔热板、2屏蔽磁块、3温度检测元件、4磁性金属、5电磁感应线圈、6交流电源、7电压电流检测保护装置、8电脑、9温度检测控制装置、10整流器、11扼流线圈、12电容、13开关功率管、14变频电路。

具体实施方式：

下面结合图1、图2、图3具体说明。

如图1所示，用于非磁性工件且不可通过物体间直接热传递方式进行电磁加热的微塑性成形装置的主剖视图。工件是不可通过物体间直接热传递方式进行电磁加热非磁性工件，该装置中央是上下通孔的、两头窄、中间宽的加热型腔，由内向外依次是磁性金属(磁芯)4、电磁感应线圈5、电磁屏蔽磁块2和绝缘隔热板1，温度检测元件3设置在磁芯内表面接近工件的部位。工作时，连接工件的夹具通过上下通孔将工件定位于加热型腔的中间位置，电磁感应线圈5输入交变电流后将产生交变磁场，该磁场直接通过磁性金属4产生回路，并在磁性金属4内形成涡旋状的感应电流，涡流克服磁性金属4的电阻流动时完成电能向热能的转换，所产生的热就是加热工件所需的热源，从而实现电磁加热工件的目的。屏蔽磁块2阻隔电磁加热过程中产生的电磁辐射，对人体和电子设备起到一定的保护作用，绝缘隔热板1起到保温作用，减缓型腔内热量的损失。

图2是图1A-A截面的剖视图。表明由腔体至外，依次是磁性金属4、电磁感应线圈5、电磁屏蔽磁块2和绝缘隔热板1。

图3是电磁加热温度控制装置的电路图，该电路主要由交流电6、电压电流检测保护电路7、电脑8、温度检测控制电路9、整流器10、扼流线圈11、电容12、开关功率管13、变频电路14等组成。

非磁性工件且不可通过物体间直接热传递方式进行电磁加热的微塑性成形装置的方法：

结合图1和图3说明电磁加热微塑性成形装置的工作过程

(1)连接工件的夹具通过上下通孔将工件定位于加热型腔的中间位置，工件并不与磁性金属相接触。在磁性金属4的内表面上有温度检测元件2，温度检测元件2能较准确地检测工件1的温度，并将信号输入电磁加热温度控制装置。图3中交变电流6通过整流器10后变为直流电，扼流线圈11将滤波后的直流电输入电容12和电磁感应线圈5，并联的电容12和电磁感应线圈5在相互作用下产生交变磁场，开关功率管14与变频电路15形成高频脉冲，电磁感应线圈5中产生高频交变电压，电脑8根据电压电流检测保护装置7和温度检测控制电路9输入的信号对变频电路15发出控制指令，实现对电磁加热电路温度的控制。

(2)图1中电磁感应线圈5输入交变电流后将产生交变磁场，该磁场直接通过磁性金属4产生回路，并在磁性金属4内形成涡旋状的感应电流，涡流克服磁性金属4的电阻流动时完成电能向热能的转换，所产生的热就是加热工件所需的热源，磁性金属升温后，热量传递给通孔内的空气，再由空气将热量传递给置于通孔内的非磁性工件，从而实现电磁加热工件的目的。

以上非磁性工件且不可通过物体间直接热传递方式进行电磁加热的微塑性成形方法及其控制装置亦可用于相应的宏观领域。

以上实例仅用于说明本发明，而不进行限制。

Claims (1)

1.一种电磁加热微成形方法，适用于不可通过物体间直接接触进行热传递的非磁性工件的微塑性成形，其特征在于：将上下通孔的磁性金属置于由交变电流产生的交变磁场中时，磁场中的磁力线通过磁性金属产生回路，并在磁性金属内形成涡旋感应电流，该涡旋感应电流通过克服磁性金属的电阻流动时完成电能向热能的转换，使磁性金属的温度迅速升高，磁性金属热量传递给通孔内的空气，再由空气将热量传递给置于通孔内的非磁性工件，由设置在磁性金属上的温度检测元件检测加热温度，并将信号输入电磁加热温度控制装置，对电磁加热温度进行控制；所说的非磁性工件是由夹具夹持置于通孔内，通孔为两头窄、中间宽的形状，夹具的中部为夹持机构，夹具两端的形状与通孔两端的形状相配合，夹具插入通孔后，通孔的两端封闭，通孔的中部成为一个封闭的腔体。

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