CN101637785B - 超塑性微成形装置以及成形微型件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超塑性微成形装置，通过压簧-楔块机构，使用工控机控制压电陶瓷驱动器及温控组件，即可一次、连续完成零件的整个微塑性成形过程，可以提高成形效率和制备的自动化程度，通过改变凸模与凹模的结构可制备不同三维结构的微型零件。本发明还公开了利用该超塑性微成形装置成形微型件的方法。由于通过压电陶瓷驱动器和压簧-楔块组合自动进给，改变了以往需要多次手动调节丝杠旋钮才能完成微型零件的挤压成形的不足，使用计算机连续控制压电陶瓷驱动器即可完成微型零件的整个微挤压成形过程，从而简化了操作步骤，通过改变凸模与凹模的结构即可成形不同三维结构的微型零件，扩大了其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种微成形装置，特别是超塑性微成形装置。还涉及利用超塑性微成形装置成形微型件的方法。
背景技术
参照图5，文献“Superplastic backward microextrusion of microparts for micro-electro-mechanical systems.Yasunori Saotome.Journal of Materials Processing Technology.2001，119：307～311”公开了一种以丝杠旋钮为进给机构的超塑性反挤压微成形系统，该系统包括模具组件、加热炉13、压电陶瓷驱动器5、丝杠旋钮1、PID温控模块18、力传感器9，加热炉13固定在装置本体15上，力传感器9置于压电陶瓷驱动器5与丝杠旋钮1之间，由PID温控模块18控制加热炉13使模具组件和坯料处于给定的温度范围，通过热电偶16测量挤压筒23的温度，调节丝杠旋钮1使得压电陶瓷驱动器5与冲头22紧密接触，压电陶瓷驱动器5通电伸长，推动冲头22，使得挤压筒23内的坯料被挤入凹模14中，当压电陶瓷驱动器5输出位移达到最大时停止加载，手动调节丝杠旋钮1推动压电陶瓷驱动器5使其再次与冲头22紧密接触以消除压电陶瓷驱动器5断电时伸长消失产生的间隙，然后进入下一个工作循环，通过这种控制压电陶瓷驱动器5的伸长和手动调节丝杠旋钮1的交替工作方式，完成微型零件的微反挤压成形，挤压过程中，由工控机20控制载荷控制器24，从而控制压电陶瓷驱动器5的通电伸长，由载荷控制器24采集力传感器9的载荷信号，并传输至工控机20，整个装置置于真空罩8内，使微挤压在真空或特定气体氛围内进行。
现有技术存在以下不足：采用丝杠旋钮作为进给机构，压电陶瓷驱动器每次伸长消失时均需手动调节旋钮以完成进给运动，操作步骤多，且不易控制扭力的大小。
发明内容
为了克服现有技术需要多次手动调节丝杠旋钮才能完成微型零件的挤压成形的不足，本发明提供了一种超塑性微成形装置，通过压簧-楔块机构，使用工控机控制压电陶瓷驱动器及温控组件，即可一次、连续完成零件的整个微塑性成形过程，可以提高成形效率和制备的自动化程度，通过改变凸模与凹模的结构可制备不同三维结构的微型零件。
本发明还提供利用该超塑性微成形装置成形微型件的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种超塑性微成形装置，包括模具组件、加热炉13、压电陶瓷驱动器5、进给机构、力传感器9，其特点是所述模具组件由凸模11、凹模14、导柱12组成，凹模14的上端面沿圆周方向均匀分布四个凹模导孔141，凸模11上端面沿圆周方向亦均匀分布四个凸模导孔111，导柱12一端与凸模11上的凸模导孔111过盈配合，导柱12另一端与凹模14上的凹模导孔141间隙配合，凹模14采用螺纹连接固定于装置本体15上，凸模11的上端面与力传感器9的下端面接触，力传感器9的上端面与杠杆7的球面接触，位移传感器6的触头与凸模11上的支臂10下表面相接触，支臂10固连于凸模11圆柱面中心处，位移传感器6的底端固连在装置本体15上；所述进给机构，由上楔块4、下楔块3、压缩弹簧2、丝杠旋钮1组成，上楔块4的垂直端面与压电陶瓷驱动器5的下端面接触，上楔块4的斜面与下楔块3的斜面接触；上楔块4、下楔块3可沿装置本体15内的导轨自由滑动，压缩弹簧2在导轨内与下楔块3的垂直端面接触，丝杠旋钮1与装置本体15螺纹连接。
一种利用上述超塑性微成形装置成形微型件的方法，其特点是包括下述步骤：
(a)选用硅油做润滑剂，将待加工的坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模14型腔内，并通过导柱12完成对凸模11的对中；
(b)工控机20通过PID温控模块18控制加热炉13的加热温度，成形温度选定为350～550℃，毛坯的预热时间为10～15s；
(c)拧紧丝杠旋钮1，使得压缩弹簧2被压紧，顶紧上楔块4和下楔块3，使上楔块4与压电陶瓷驱动器5紧密接触，产生预紧力，力传感器9检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧丝杠旋钮1；
(d)盖上真空罩8，使用真空泵对装置抽真空；
(e)工控机20通过压电陶瓷控制器19，控制压电陶瓷驱动器5，压电陶瓷驱动器5通电伸长，上楔块4和下楔块3自锁，推动杠杆7，杠杆7推动力传感器9，力传感器9带动凸模11向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模14型腔；
(f)当压电陶瓷驱动器5达到设定的输出位移极限后，停止通电，压缩弹簧2自动顶紧上楔块4和下楔块3，再次使上楔块4与压电陶瓷驱动器5紧密接触，消除此前产生的间隙，完成一次进给运动；
(g)重复步骤(e)～步骤(f)，完成微型零件的成形。
本发明的有益效果是：由于通过压电陶瓷驱动器和压簧-楔块组合自动进给，改变了以往需要多次手动调节丝杠旋钮才能完成微型零件的挤压成形的不足，使用计算机连续控制压电陶瓷驱动器即可完成微型零件的整个微挤压成形过程，从而简化了操作步骤，通过改变凸模与凹模的结构即可成形不同三维结构的微型零件，扩大了其应用范围。此外，本装置采用压电陶瓷驱动器，可实现低速、恒速的精确控制，避免了加载速度不稳定给微型零件带来显著的误差，保证了微型零件的加工精度和质量。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明超塑性微成形装置结构示意图。
图2是本发明凹模俯视示意图。
图3是本发明凸模俯视示意图。
图4是本发明超塑性微成形装置控制系统示意图。
图5是现有技术超塑性反挤压微成形系统结构示意图。
图中，1-丝杠旋钮，2-压缩弹簧，3-下楔块，4-上楔块，5-压电陶瓷驱动器，6-位移传感器，7-杠杆，8-真空罩，9-力传感器，10-支臂，11-凸模，12-导柱，13-加热炉，14-凹模，15-装置本体，16-热电偶，17-固态继电器，18-PID温控模块，19-压电陶瓷控制器，20-工控机，21-信号处理模块，22-冲头，23-挤压筒，24-载荷控制器，111-凸模导孔，141-凹模导孔。
具体实施方式
以下实施例参照图1～4。
实施例1：本发明超塑性微成形装置包括微成形模具、加热炉、加载机构与进给机构、力与位移传感器。微成形模具由凸模11、凹模14、导柱12组成，凹模14的上端面沿圆周方向均匀分布四个凹模导孔141，凸模11上端面沿圆周方向亦均匀分布四个凸模导孔111，导柱12一端与凸模11上的凸模导孔111过盈配合，导柱12另一端与凹模14上的凹模导孔141间隙配合，凹模14采用螺纹连接固定于装置本体15上，凸模11的上端面与力传感器9的一个端面接触安装，力传感器9的另一个端面与杠杆7的球面接触安装，位移传感器6的触头与凸模11上的支臂10下表面相接触，支臂10固连于凸模11圆柱面中心处，位移传感器6的底端固连在装置本体15上。压电陶瓷控制器19的输入端与工控机20的DO输出端相连，压电陶瓷驱动器5的型号是PSt150/20/18，压电陶瓷控制器19的型号是HVA-1C0150A0500。压电陶瓷驱动器5下方为装置的进给机构，由上楔块4、下楔块3、压缩弹簧2、丝杠旋钮1、装置本体15组成，上楔块4的垂直端面与压电陶瓷驱动器5的下端面接触，上楔块4的斜面 与下楔块3的斜面接触。上楔块4、下楔块3可沿装置本体15内的导轨自由滑动，压缩弹簧2在导轨内与下楔块3的垂直端面接触，丝杠旋钮1与装置本体15螺纹连接。力传感器9、位移传感器6、PID温控模块18的输出端通过数据采集卡与工控机20的A/D输入端相连接。整个装置置于真空罩8内，使微挤压在真空或特定气体氛围内进行。
按上述方式完成各部件的连接装配，使用硅油对待加工的ZnA14坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模14型腔内，并通过导柱12完成对凸模11的对中；启动温度控制系统，通过PID温控模块18控制加热炉13的加热温度，成形温度选定为350℃，毛坯的预热时间为10～15s；使用工具丝杠旋钮1使得压缩弹簧2被压紧，压缩弹簧2此时具有恢复自由状态的趋势，从而顶紧下楔块3和上楔块4，使其与压电陶瓷驱动器5紧密接触，产生预紧力，消除各部位的间隙，在此过程中使用力传感器9检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧丝杠旋钮1；盖上真空罩8，使用真空泵对装置抽真空，完成上述工作后，继续下面的操作。使用工控机20控制压电陶瓷驱动器5的伸长量与伸长速率，通电后压电陶瓷驱动器5通电伸长，上楔块4和下楔块3自锁，压电陶瓷驱动器5推动杠杆7，杠杆7推动力传感器9，力传感器9带动凸模11向下运用，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模14型腔；当压电陶瓷驱动器5达到事先设定的输出位移极限后，需停止通电，伸长消失，产生间隙，此时压缩弹簧2将自动顶紧上楔块4和下楔块3，再次使其与压电陶瓷驱动器5紧密接触，消除此前产生的间隙，完成一次进给运动；重复上述两个步骤，目的是使坯料能够持续发生塑性变形，从而完成整个微成形过程；完成微型零件的成形过程后，退出凸模11，使用顶杆将零件从凹模14工作带下方的退让槽向上顶出，得到制得的微型零件。
实施例2：实施例1中超塑性微成形装置控制系统，包括PID温控模块18、工控机20、信号处理模块21、热电偶16、固态继电器17、压电陶瓷控制器19、力传感器9和位移传感器6，力传感器9采集的力信号，位移传感器6采集的位移信号，以及热电偶16采集加热炉13的温度信号通过信号处理模块21后，经A/D转换，输入工控机20，工控机20输出的数字信号，一路经过PID温控模块18，通过控制固态继电器17，对加热炉13的温度进行控制，另一路通过压电陶瓷控制器19对压电陶瓷驱动器5进行速度控制。装置的温控组件由PID温控模块18、热电偶16、固态继电器17组成。装置的加载机构由压电陶瓷驱动器5、压电陶瓷控制器19、杠杆7组成，压电陶瓷驱动器5置于杠杆7右侧的装置本体15的导槽内，其下端面与上楔块4接触，杠杆7左侧与力传感器9相接触，压电陶瓷驱动器5的输入端与压电陶瓷控制器19的一个DO输出端相连，工控机20按给定的控制策略输出数字信号至PID温控模块18和压电陶瓷控制器19，力传感器9、位移传感器6、PID温控模块18的输出端通过信号采集模块与工控机20的A/D输入端相连接。
实施例3：利用实施例1超塑性微成形装置成形微型零件的方法，具体采用以下步骤：
(1)选用硅油做润滑剂，将待加工的ZnA14坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模14型腔内，并通过导柱12完成对凸模11的对中。
(2)通过PID温控模块18控制加热炉13的加热温度，成形温度选定为350～550℃，毛坯的预热时间为10～15s。
(3)拧紧丝杠旋钮1使得压缩弹簧2被压紧，压缩弹簧2此时具有恢复自由状态的趋势，从而顶紧上楔块4和下楔块3，使上楔块4与压电陶瓷驱动器5紧密接触，产生预紧力，消除各部位的间隙，使用力传感器9检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧丝杠旋钮1。
(4)盖上真空罩8，使用真空泵对装置抽真空。
(5)工控机20通过压电陶瓷控制器19，控制压电陶瓷驱动器5的伸长量与伸长速率，通电后压电陶瓷驱动器5通电伸长，上楔块4和下楔块3自锁，压电陶瓷驱动器5推动杠杆7，杠杆7推动力传感器9，力传感器9带动凸模11向下运用，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模14型腔。
(6)当压电陶瓷驱动器5达到设定的输出位移极限后，停止通电，伸长消失，产生间隙，此时压缩弹簧2自动顶紧上楔块4和下楔块3，再次使上楔块4与压电陶瓷驱动器5紧密接触，消除此前产生的间隙，完成一次进给运动。
(7)重复步骤(5)～(6)，这样通过工控机20控制压电陶瓷驱动器5的多次通、断电并与压簧-楔块组合的自动补偿相配合直至完成整个塑性微成形过程。
(8)完成微型零件的成形过程后，退出凸模11，使用顶杆将零件从凹模14工作带下方的退让槽向上顶出。
Claims (2)
1.一种超塑性微成形装置，包括模具组件、加热炉(13)、压电陶瓷驱动器(5)、进给机构和力传感器(9)，其特征在于：所述模具组件由凸模(11)、凹模(14)、导柱(12)组成，凹模(14)的上端面沿圆周方向均匀分布四个凹模导孔(141)，凸模(11)上端面沿圆周方向亦均匀分布四个凸模导孔(111)，导柱(12)一端与凸模(11)上的凸模导孔(111)过盈配合，导柱(12)另一端与凹模(14)上的凹模导孔(141)间隙配合，凹模(14)采用螺纹连接固定于装置本体(15)上，凸模(11)的上端面与力传感器(9)的下端面接触，力传感器(9)的上端面与杠杆(7)的球面接触，位移传感器(6)的触头与凸模(11)上的支臂(10)下表面相接触，支臂(10)固连于凸模(11)圆柱面中心处，位移传感器(6)的底端固连在装置本体(15)上；所述进给机构，由上楔块(4)、下楔块(3)、压缩弹簧(2)、丝杠旋钮(1)组成，上楔块(4)的垂直端面与压电陶瓷驱动器(5)的下端面接触，上楔块(4)的斜面与下楔块(3)的斜面接触；上楔块(4)、下楔块(3)可沿装置本体(15)内的导轨自由滑动，压缩弹簧(2)在导轨内与下楔块(3)的垂直端面接触，丝杠旋钮(1)与装置本体(15)螺纹连接，所述压电陶瓷驱动器(5)通电后伸长，上楔块(4)和下楔块(3)自锁，压电陶瓷驱动器(5)推动杠杆(7)，杠杆(7)推动力传感器(9)，力传感器(9)带动凸模(11)向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模(14)型腔。
2.一种权利要求1所述超塑性微成形装置成形微型零件的方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)选用硅油做润滑剂，将待加工的坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模(14)型腔内，并通过导柱(12)完成对凸模(11)的对中；
(b)工控机(20)通过PID温控模块(18)控制加热炉(13)的加热温度，成形温度选定为350～550℃，坯料的预热时间为10～15s；
(c)拧紧丝杠旋钮(1)，使得压缩弹簧(2)被压紧，顶紧上楔块(4)和下楔块(3)，使上楔块(4)与压电陶瓷驱动器(5)紧密接触，产生预紧力，力传感器(9)检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧丝杠旋钮(1)；
(d)盖上真空罩(8)，使用真空泵对装置抽真空；
(e)工控机(20)通过压电陶瓷控制器(19)，控制压电陶瓷驱动器(5)，压电陶瓷驱动器(5)通电伸长，上楔块(4)和下楔块(3)自锁，推动杠杆(7)，杠杆(7)推动力传感器(9)，力传感器(9)带动凸模(11)向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模(14)型腔；
(f)当压电陶瓷驱动器(5)达到设定的输出位移极限后，停止通电，压缩弹簧(2)自动顶紧上楔块(4)和下楔块(3)，再次使上楔块(4)与压电陶瓷驱动器(5)紧密接触，消除此前产生的间隙，完成一次进给运动；
(g)重复步骤(e)～步骤(f)，完成微型零件的成形。
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