CN102284537B - 微型件塑性成形装置及采用该装置成形微型件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型件塑性成形装置，用于解决现有的成形装置进给机构无法及时消除压电陶瓷驱动器收缩时产生的间隙的技术问题。通过控制压电陶瓷的伸长与缩短，配合弹簧-杠杆-楔块机构的自动进给，即可一次、连续完成零件的整个微塑性成形过程，不存在间隙问题。本发明还公开了利用上述微型件塑性成形装置成形微型件的方法。通过弹簧-杠杆-楔块机构将沿压电陶瓷驱动器的轴向力转移至顶盖上方的纵向压缩弹簧上，避免以往因楔块受力导致进给运动受限的情况，可轻松实现挤压过程的自动进给，及时消除压电陶瓷驱动器收缩时产生的间隙，从而保证微挤压过程的顺利进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种成形装置，特别是涉及一种微型件塑性成形装置。还涉及采用这种成形装置成形微型件的方法。
背景技术
20世纪80年代以来，电子行业及微机电系统的快速发展导致微型零件的需求量越来越大，低成本、高质量微型零件制备技术成为电子行业及微机电系统发展的重要基础，塑性微成形技术是微型零件制备的最佳选择之一，具有材料利用率高、生产效率高、产品力学性能优秀及精度高等优点。
参照图7，文献“CN101637785B的中国发明专利”公开了一种采用压电陶瓷为驱动器的超塑性微成形装置，该装置包括微成形模具、加热炉2、加载机构与进给机构、力与位移传感器，微成形模具由凸模25、凹模29、导柱3组成，凹模29采用螺纹连接固定于底板1上，凸模25的上端面与力传感器8的一个端面接触安装，导柱3用来完成凸模25与凹模29的对中，力传感器8的另一个端面与杠杆11的球面接触安装，位移传感器18的触头与凸模25上的支架19下表面相接触，支架19固连于凸模25圆柱面中心处，位移传感器18的底端固连在底板1上，压电陶瓷驱动器7下方为装置的进给机构，由楔块24、圆柱压杆10、横向压缩弹簧23、调节旋钮17、底板1组成，圆柱压杆10的垂直端面与压电陶瓷驱动器7的下端面接触，圆柱压杆10的斜面与楔块24的斜面接触，圆柱压杆10、楔块24可沿底板1体内的导轨自由滑动，横向压缩弹簧23在导轨内与楔块24的垂直端面接触，调节旋钮17与底板1螺纹连接，拧紧调节旋钮17消除各部位的间隙，压电陶瓷驱动器7通电伸长，圆柱压杆10和楔块24自锁，压电陶瓷驱动器7推动杠杆11，杠杆11推动力传感器8，力传感器8带动凸模25向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模29型腔，当压电陶瓷驱动器7达到设定的输出位移极限后，停止通电，伸长消失，产生间隙，此时横向压缩弹簧23自动顶紧上圆柱压杆10和楔块24，再次使圆柱压杆10与压电陶瓷驱动器7紧密接触，消除停止通电时压电陶瓷驱动器7收缩产生的间隙，然后进入下一个工作循环，通过压簧-楔块机构的自动进给配合压电陶瓷驱动器7的交替伸缩，完成微型件的微挤压成形，整个装置置于真空罩32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：压电陶瓷驱动器收缩时，沿压电陶瓷驱动器轴向仍存在较大压力，致使圆柱压杆与楔块之间存在较大摩擦，楔块的进给运动受到一定限制，甚至有可能出现自锁，无法及时消除压电陶瓷驱动器收缩时产生的间隙，影响微挤压过程的顺利进行；此外，该装置结构中的杠杆虽然放大了压电陶瓷驱动器行程，但同时挤压力损失较大，限制了可成形材料范围。
发明内容
为了克服现有的成形装置进给机构无法及时消除压电陶瓷驱动器收缩时产生的间隙的不足，本发明提供一种微型件塑性成形装置，在不损失挤压力的同时，通过弹簧-杠杆-楔块机构将沿压电陶瓷驱动器的轴向力转移至顶盖上方的纵向压缩弹簧上，避免因楔块受力导致进给运动受限的情况，实现挤压过程的轻松自动进给，配合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，可以提高微型件成形效率；压电陶瓷驱动器直接作用在凸模上，不存在挤压力损失的情况，可以扩大可成形材料的范围。
本发明还提供利用该微型件塑性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：一种微型件塑性成形装置，包括导柱3、压电陶瓷驱动器7、力传感器8、圆柱压杆10、杠杆11、位移传感器18、支架19、横向压缩弹簧23和楔块24，其特点是由杠杆11、杠杆支点12、顶盖13、纵向压缩弹簧15、垫片16、调节旋钮17、拉杆20、法兰套筒21、外套筒22、横向压缩弹簧23以及楔块24组成进给机构，杠杆11下端面左侧与圆柱压杆10相对应的位置开有圆形槽11-1、杠杆11上端面与滚动圆弧段12-1相对应的位置开有若干三角槽11-2、杠杆11右侧与拉杆20相对应的位置开有阶梯状直通孔11-3，圆柱压杆10与拉杆11上的圆形槽11-1间隙配合，杠杆支点12下端的滚动圆弧段12-1与杠杆11上的三角槽11-2紧密配合，杠杆支点12通过螺纹14固连于顶盖13下端面，顶盖13采用螺纹固连于楔块导轨9上，拉杆20下端依次穿过杠杆右侧阶梯直通孔11-3与顶盖13上的直通孔13-1，拉杆20上端依次从纵向压缩弹簧15、垫片16与调节旋钮17的中心通过，纵向压缩弹簧15下端与顶盖13接触，纵向压缩弹簧15另一端与垫片16下端面接触，垫片16上端面与调节旋钮17下端面接触，纵向压缩弹簧15和垫片16与拉杆20均为间隙配合，调节旋钮17与拉杆20上端为螺纹配合，位移传感器18的触头与拉杆20的上端面相接触，位移传感器18通过支架19固连于顶盖13，楔块24斜面与杠杆11右端弧形面时刻保持接触，楔块24可沿楔块导轨9内的水平导轨自由滑动，横向压缩弹簧23左右两端面在导轨内分别与楔块24的垂直端面和外套筒22的垂直内端面接触，外套筒22内圆柱面与法兰套筒21外圆柱面之间为螺纹配合，法兰套筒21通过螺纹连接固连于楔块导轨9上；挤压桶固定圈26、凹模固定圈28和模座30通过螺纹连接依次固定于底板1上，挤压桶27和凹模29分别依靠挤压桶固定圈和凹模固定圈固定在模座30上，底板1边缘对称分布2个底板导孔1-1，模架活动板5两端亦对称分布2个模架活动板导孔5-1，导柱3一端与底板1上的底板导孔1-1过盈配合，导柱3另一端与导套4间隙配合，导套4与模架活动板5上的模架活动板导孔5-1过盈配合，凸模29、压电陶瓷驱动器7、力传感器8及圆柱压杆分别装配在凸模导套6及楔块导轨9的内槽中，凸模导套6和楔块导轨9采用螺纹连接固定在模架活动板5上，凸模29的上端面与压电陶瓷驱动器7的下端面接触，压电陶瓷的上端面与力传感器8接触，力传感器8上端面与圆柱压杆10接触。
一种利用上述微塑性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29型腔内，并通过导柱3完成对凸模25的对中；
(b)控制加热炉2，将坯料温度加热至250℃，保温10～15s；
(c)拧紧调节旋钮17，纵向压缩弹簧15受压产生弹力，拉杆20在该弹力作用下向上运动，带动杠杆11右端上移，旋合外套筒22，使得横向压缩弹簧23被压紧，给楔块24一个向左的力，使楔块24在杠杆11右端上移后能够向左移动，楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11右端一直向上运动、左端一直向下运动，使圆柱压杆10与力传感器8紧密接触，产生预紧力，力传感器8检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧调节旋钮17；
(d)压电陶瓷驱动器7通电后伸长，杠杆11右端面与楔块24自锁，杠杆11与圆柱压杆10保持不动，压电陶瓷驱动器7只能产生向下的形变量，推动凸模25向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模29型腔；
(e)当压电陶瓷驱动器7达到设定的输出位移极限后，停止通电，纵向压缩弹簧15自动顶紧拉杆20，拉杆20右端上移、左端下移，同时横向压缩弹簧23自动顶紧楔块24，使得楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11左端在向下运动过程中再次使圆柱压杆10与力传感器8紧密接触紧密接触，消除停止通电时压电陶瓷驱动器7收缩产生的间隙，完成一次进给运动；
(f)重复步骤(d)～步骤(e)，完成微型件的成形。
本发明的有益效果是：通过弹簧-杠杆-楔块机构将沿压电陶瓷驱动器的轴向力转移至顶盖上方的纵向压缩弹簧上，避免因楔块受力导致进给运动受限的情况，实现挤压过程的轻松自动进给，及时消除压电陶瓷驱动器收缩时产生的间隙，从而保证微挤压过程的顺利进行。压电陶瓷驱动器直接作用在凸模上，不存在挤压力损失的情况，可成形材料的范围较广。在本装置的基础上，改变凸模与凹模的结构即可成形不同结构的微型件，扩大了其应用范围。此外，压电陶瓷驱动器可实现微小位移、低速、恒速的精确控制，避免了进给量和加载速度不稳定给微型件带来显著的误差，保证了本装置加工的微型件的精度和质量。
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是本发明微型件塑性成形装置结构示意图。
图2是图1中底板俯视图。
图3是图1中模架活动板俯视图。
图4是图1中杠杆剖视图。
图5是图1中杠杆支点剖视图。
图6是图1中顶盖俯视图
图7是现有专利超塑性微成形装置结构示意图。
图中，1-底板，2-加热炉，3-导柱，4-导套，5-模架活动板，6-凸模导套，7-压电陶瓷驱动器，8-力传感器，9-楔块导轨，10-圆柱压杆，11-杠杆，12-杠杆支点，13-顶盖，14-螺栓，15-纵向压缩弹簧，16-垫片，17-调节旋钮，18-位移传感器，19-支架，20-拉杆，21-法兰套筒，22-外套筒，23-横向压缩弹簧，24-楔块，25-凸模，26-挤压桶固定圈，27-挤压桶，28-凹模固定圈，29-凹模，30-模座，31-顶杆，32-真空罩，1-1-底板导孔，5-1-模架活动板导孔，11-1-圆形槽，11-2-三角槽，11-3-阶梯直通孔，12-1-滚动圆弧段，13-1-直通孔。
具体实施方式
以下实施例参照图1～6。
装置实施例：本发明微型件塑性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。微成形模具组件由凸模25、挤压桶固定圈26、挤压桶27、凹模固定圈28、凹模29、模座30、顶杆31、凸模导套6、模架活动板5、导套4、导柱3、底板1组成，挤压桶固定圈26、凹模固定圈28和模座30通过螺纹连接依次固定于底板1上，挤压桶27和凹模29分别依靠挤压桶固定圈和凹模固定圈固定在模座30上，底板1边缘对称分布2个底板导孔1-1，模架活动板5两端亦对称分布2个模架活动板导孔5-1，导柱3一端与底板1上的底板导孔1-1过盈配合，导柱3另一端与导套4间隙配合，导套4与模架活动板5上的模架活动板导孔5-1过盈配合，凸模29、压电陶瓷驱动器7、力传感器8及圆柱压杆分别装配在凸模导套6及楔块导轨9的内槽中，凸模导套6和楔块导轨9采用螺纹连接固定在模架活动板5上，凸模29的上端面与压电陶瓷驱动器7的下端面接触，压电陶瓷的上端面与力传感器8接触，力传感器8上端面与圆柱压杆10接触；所述进给机构由杠杆11、杠杆支点12、顶盖13、纵向压缩弹簧15、垫片16、调节旋钮17、拉杆20、法兰套筒21、外套筒22、横向压缩弹簧23、楔块24组成，杠杆11下端面左侧与圆柱压杆10相对应的位置开有圆形槽11-1、上端面与滚动圆弧段12-1相对应的位置开有三角槽11-2、右侧与拉杆20相对应的位置开有阶梯状直通孔11-3，为了探索不同杠杆放大倍数下的成形效果，在三角槽11-2左右两侧分别开有一个与之结构相同的三角槽，圆柱压杆10与拉杆11上的圆形槽11-1间隙配合，杠杆支点12下端的滚动圆弧段12-1与杠杆11上的三角槽11-2紧密配合，杠杆支点12通过螺纹14固连于顶盖13下端面，顶盖13采用螺纹固连于楔块导轨9上，拉杆20下端依次穿过杠杆右侧阶梯直通孔11-3与顶盖13上的直通孔13-1，拉杆20上端依次从纵向压缩弹簧15、垫片16与调节旋钮17的中心通过，纵向压缩弹簧15下端与顶盖13接触，纵向压缩弹簧15另一端与垫片16下端面接触，垫片16上端面与调节旋钮17下端面接触，纵向压缩弹簧15和垫片16与拉杆20均为间隙配合，调节旋钮17与拉杆20上端为螺纹配合，位移传感器18的触头与拉杆20的上端面相接触，位移传感器18通过支架19固连于顶盖13，楔块24斜面与杠杆11右端弧形面时刻保持接触，楔块24可沿楔块导轨9内的水平导轨自由滑动，横向压缩弹簧23左右两端面在导轨内分别与楔块24的垂直端面和外套筒22的垂直内端面接触，外套筒22内圆柱面与法兰套筒21外圆柱面之间为螺纹配合，法兰套筒21通过螺纹连接固连于楔块导轨9上。
按上述方式完成各部件的连接装配，使用硅油对待加工的ZnA122坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模29型腔内，并通过导柱3完成对凸模25的对中；通过加热炉2将坯料温度加热至250℃，保温10～15s拧紧调节旋钮17，纵向压缩弹簧15受压产生弹力，拉杆20在该弹力作用下向上运动，带动杠杆11右端上移，旋合外套筒22，使得横向压缩弹簧23被压紧，给楔块24一个向左的力，使楔块24在杠杆11右端上移后能够向左移动，楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11右端一直向上运动、左端一直向下运动，使圆柱压杆10与力传感器8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8检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧调节旋钮17，完成上述工作后，继续下面的操作。通电后压电陶瓷驱动器7通电伸长，杠杆11右端面与楔块24自锁，杠杆11与圆柱压杆10保持不动，压电陶瓷驱动器7只能产生向下的形变量，推动凸模25向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模29型腔；当压电陶瓷驱动器7达到设定的输出位移极限后，停止通电，纵向压缩弹簧15自动顶紧拉杆20，拉杆20右端上移、左端下移，同时横向压缩弹簧23自动顶紧楔块24，使得楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11左端在向下运动过程中再次使圆柱压杆10与力传感器8紧密接触紧密接触，消除停止通电时压电陶瓷驱动器7收缩产生的间隙，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；完成微型件的成形过程后，退出凸模25，使用顶杆31将零件从凹模29工作带下方的退让槽向上顶出，得到制得的微型件。
方法实施例：利用上述微型件塑性成形装置成形微型件的方法，具体采用以下步骤成形：
(1)选用硅油做润滑剂，将待加工的ZnA122坯料加以润滑后放入微成形模具的凹模29型腔内，并通过导柱3完成对凸模25的对中。
(2)控制加热炉2，将坯料温度加热至250℃，保温10～15s。
(3)拧紧调节旋钮17，纵向压缩弹簧15受压产生弹力，拉杆20在该弹力作用下向上运动，带动杠杆11右端上移，旋合外套筒22，使得横向压缩弹簧23被压紧，给楔块24一个向左的力，使楔块24在杠杆11右端上移后能够向左移动，楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11右端一直向上运动、左端一直向下运动，使圆柱压杆10与力传感器8紧密接触，产生预紧力，力传感器8检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧调节旋钮17。
(4)压电陶瓷驱动器7通电后伸长，杠杆11右端面与楔块24自锁，杠杆11与圆柱压杆10保持不动，压电陶瓷驱动器7只能产生向下的形变量，推动凸模25向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模29型腔。
(5)当压电陶瓷驱动器7达到设定的输出位移极限后，停止通电，纵向压缩弹簧15自动顶紧拉杆20，拉杆20右端上移、左端下移，同时横向压缩弹簧23自动顶紧楔块24，使得楔块24斜面时刻保持与杠杆11右端接触，杠杆11左端在向下运动过程中再次使圆柱压杆10与力传感器8紧密接触紧密接触，消除停止通电时压电陶瓷驱动器7收缩产生的间隙，完成一次进给运动。
(6)重复步骤(4)～(5)，这样通过控制压电陶瓷驱动器7的多次通、断电并与弹簧-杠杆-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。
(7)完成微型件的成形过程后，退出凸模25，使用顶杆31将零件从凹模29工作带下方的退让槽向上顶出。
Claims (4)
1.一种微型件塑性成形装置，包括导柱(3)、压电陶瓷驱动器(7)、力传感器(8)、圆柱压杆(10)、杠杆(11)、位移传感器(18)、支架(19)、横向压缩弹簧(23)和楔块(24)，其特征在于由杠杆(11)、杠杆支点(12)、顶盖(13)、纵向压缩弹簧(15)、垫片(16)、调节旋钮(17)、拉杆(20)、法兰套筒(21)、外套筒(22)、横向压缩弹簧(23)以及楔块(24)组成进给机构，杠杆(11)下端面左侧与圆柱压杆(10)相对应的位置开有圆形槽(11-1)、杠杆(11)上端面与滚动圆弧段(12-1)相对应的位置开有三角槽(11-2)、杠杆(11)右侧与拉杆(20)相对应的位置开有阶梯状直通孔(11-3)，圆柱压杆(10)与拉杆(11)上的圆形槽(11-1)间隙配合，杠杆支点(12)下端的滚动圆弧段(12-1)与杠杆(11)上的三角槽(11-2)紧密配合，杠杆支点(12)通过螺纹(14)固连于顶盖(13)下端面，顶盖(13)采用螺纹固连于楔块导轨(9)上，拉杆(20)下端依次穿过杠杆右侧阶梯直通孔(11-3)与顶盖(13)上的直通孔(13-1)，拉杆(20)上端依次从纵向压缩弹簧(15)、垫片(16)与调节旋钮(17)的中心通过，纵向压缩弹簧(15)下端与顶盖(13)接触，纵向压缩弹簧(15)另一端与垫片(16)下端面接触，垫片(16)上端面与调节旋钮(17)下端面接触，纵向压缩弹簧(15)和垫片(16)与拉杆(20)均为间隙配合，调节旋钮(17)与拉杆(20)上端为螺纹配合，位移传感器(18)的触头与拉杆(20)的上端面相接触，位移传感器(18)通过支架(19)固连于顶盖(13)，楔块(24)斜面与杠杆(11)右端弧形面时刻保持接触，楔块(24)可沿楔块导轨(9)内的水平导轨自由滑动，横向压缩弹簧(23)左右两端面在导轨内分别与楔块(24)的垂直端面和外套筒(22)的垂直内端面接触，外套筒(22)内圆柱面与法兰套筒(21)外圆柱面之间为螺纹配合，法兰套筒(21)通过螺纹连接固连于楔块导轨(9)上；挤压桶固定圈(26)、凹模固定圈(28)和模座(30)通过螺纹连接依次固定于底板(1)上，挤压桶(27)和凹模(29)分别依靠挤压桶固定圈和凹模固定圈固定在模座(30)上，底板(1)边缘对称分布两个底板导孔(1-1)，模架活动板(5)两端亦对称分布两个模架活动板导孔(5-1)，导柱(3)一端与底板(1)上的底板导孔(1-1)过盈配合，导柱(3)另一端与导套(4)间隙配合，导套(4)与模架活动板(5)上的模架活动板导孔(5-1)过盈配合，凸模(25)、压电陶瓷驱动器(7)、力传感器(8)及圆柱压杆分别装配在凸模导套(6)及楔块导轨(9)的内槽中，凸模导套(6)和楔块导轨(9)采用螺纹连接固定在模架活动板(5)上，凸模(25)的上端面与压电陶瓷驱动器(7)的下端面接触，压电陶瓷的上端面与力传感器(8)接触，力传感器(8)上端面与圆柱压杆(10)接触。
2.根据权利要求1所述的微型件塑性成形装置，其特征在于：所述三角槽(11-2)是一个。
3.根据权利要求1所述的微型件塑性成形装置，其特征在于：所述三角槽(11-2)是三个。
4.一种利用权利要求1所述微型件塑性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(29)型腔内，并通过导柱(3)完成对凸模(25)的对中；
(b)控制加热炉(2)，将坯料温度加热至250℃，保温10～15s；
(c)拧紧调节旋钮(17)，纵向压缩弹簧(15)受压产生弹力，拉杆(20)在该弹力作用下向上运动，带动杠杆(11)右端上移，旋合外套筒(22)，使得横向压缩弹簧(23)被压紧，给楔块(24)一个向左的力，使楔块(24)在杠杆(11)右端上移后能够向左移动，楔块(24)斜面时刻保持与杠杆(11)右端接触，杠杆(11)右端一直向上运动、左端一直向下运动，使圆柱压杆(10)与力传感器(8)紧密接触，产生预紧力，力传感器(8)检测预紧力的大小，当预紧力达到设定值时停止旋紧调节旋钮(17)；
(d)压电陶瓷驱动器(7)通电后伸长，杠杆(11)右端面与楔块(24)自锁，杠杆(11)与圆柱压杆(10)保持不动，压电陶瓷驱动器(7)只能产生向下的形变量，推动凸模(25)向下运动，挤压坯料，使坯料发生塑性变形，填充凹模(29)型腔；
(e)当压电陶瓷驱动器(7)达到设定的输出位移极限后，停止通电，纵向压缩弹簧(15)自动顶紧拉杆(20)，拉杆(20)右端上移、左端下移，同时横向压缩弹簧(23)自动顶紧楔块(24)，使得楔块(24)斜面时刻保持与杠杆(11)右端接触，杠杆(11)左端在向下运动过程中再次使圆柱压杆(10)与力传感器(8)紧密接触紧密接触，消除停止通电时压电陶瓷驱动器(7)收缩产生的间隙，完成一次进给运动；
(f)重复步骤(d)～步骤(e)，完成微型件的成形。
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