CN103722061B - 自适应式微弯曲成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自适应式微弯曲成形装置及方法，包括两个固定底座和两个加载架，每个固定底座上对应安装一个加载架，两个加载架的顶端通过安装板连接为一体，安装板上装两个步进电机Ⅰ；加载架上装方形导轨和丝杠，丝杠通过联轴器和步进电机Ⅰ相连；每个丝杠上连接有滑动面板，两个滑动面板之间连接有张紧的金属丝束，安装台上设有二维移动台，二维移动台上装凹模固定板，凹模固定板装凹模，凹模上装定位块。使用时只需根据微弯曲件厚度和凹模宽度尺寸及凹模模槽角度将金属丝张紧在自适应式凸模组件上，即可成形出合格的微弯曲件。本发明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而频繁更换凸模的问题。
Description
技术领域
本发明所涉及的技术领域是微塑性成形领域，特指一种自适应式微弯曲成形装置及方法，主要适用于微小器件中薄板的弯曲成形。
背景技术
随着科学技术的不断进步，现代工业的范围不仅向深度方面延伸，也在不断扩大其范围，在此过程当中，产品微型化这个新领域正在不断的发展。尤其是当今微机电系统，集成化技术等学科的突破性发展，对微塑性成形的需求也越来越大。与此同时，在电子，医药，精密仪器等领域，微形器件也发挥着越来越大的作用。但因为产品微小，所以在加工工艺上的困难程度也大大增加，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等因素对最终产品质量的影响都很大。很明显，传统的加工方法无法适用。
微弯曲成形作为微塑性成形的重要组成部分，在实际应用中也非常广泛。比如在微机电系统中的一些微型机械构件中的线条，连接头，连杆等，以及在一些电子传感器中的簧片等。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，近期光刻也被应用在这一领域。但目前对于微弯曲的研究大多集中在微弯曲的原理方面，对微弯曲具体的成形方法和装置研究略显不足，本设计就是针对于这一方面。
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US6983658，该装置仅用作微拉伸试验，难以应用在微弯曲上。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，但是是针对超塑性材料设计的工艺装置，适用面窄。
总结以上的研究和报道，现在已有的微弯曲成形技术存在以下缺点：1．在激光方面，利用了材料的温度梯度效应，通过激光加热，使得材料表面温度不均匀，材料变形不均匀，产生弯曲。由于现在激光技术尚不成熟，激光加热程度难以控制，最后成形工件精度不高，因此，这种技术仍在实验阶段；其次，激光加热能耗很高，不符合可持续发展的现代化生产理念，生产成本也很高。2．电化学的方法加工成本比较高，专业化程度高，且生产周期太长，不利于广泛应用。而且电化学方法生产的弯曲件材料表面质量不高，强度也比较低。3．超塑性微成形方法的前提是采用具有超塑性的材料，原材料受限，能够满足微器件要求的材料就更少，生产成本高，无法批量生产。另外超塑性材料需要特定的条件才能表现出超塑性，条件较苛刻，生产成本更高。4．采用传统模具的方法生产微弯曲件，模具制造很困难，而且由于微器件非常小，凸模的刚度就比较差，使用性能比较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的自适应式微弯曲成形装置及成形方法。
本设计的基本物理学原理：如图1所示，对于金属丝，在张紧状态下，如果给其任意一个方向（不妨设为横截面）加载一个力，那么金属丝会趋向于向阻力小的方向运动，并且会产生形变。运用这一原理，如果对于一束金属丝，在同样受力时，金属丝束横截面则会呈现出向阻力小的方向流动的现象，横截面的形状就会根据约束条件发生变化。
本发明采取的技术方案为：一种自适应式微弯曲成形装置，包括两个固定底座和两个加载架，固定底座安装在安装台上，所述每个固定底座上对应安装一个加载架，所述两个加载架的顶端通过安装板连接为一体，所述安装板上板面上安装两个步进电机Ⅰ，所述每个步进电机Ⅰ上分别设置有电机手柄；所述每个加载架上安装有方形导轨和丝杠，所述两个丝杠通过所述安装板下面的固定板实现定位，所述每个丝杠的分别通过联轴器和所述两个步进电机Ⅰ相连；所述每个丝杠上连接有滑动面板，所述两个滑动面板之间连接有张紧的金属丝束，所述滑动面板通过丝杠的转动沿所述方形导轨上下移动；所述安装台上正对所述金属丝束的下方设有二维移动台，所述二维移动台上表面安装有凹模固定板，所述凹模固定板上设有凹模，所述凹模上设有定位块。
进一步地，所述滑动面板为T形滑动面板，所述滑动面板上端设有螺栓Ⅰ和配套螺母Ⅲ，所述滑动面板左端设有丝杠孔，用来与所述丝杠配合连接，所述滑动面板右端设有螺栓Ⅱ和配套螺母Ⅱ，所述螺栓Ⅱ中部套有导向板，所述导向板为U形导向板，所述导向板的两平行面上开有与所述螺栓Ⅱ配合的通孔，所述导向板的侧面上开有金属丝孔，所述导向板内腔设有两个与所述螺栓Ⅱ相配合的两个螺母Ⅰ，所述螺母Ⅰ和所述螺栓Ⅱ配合将所述导向板固定在所述滑动面板上；所述金属丝束的两端分别穿过所述导向板侧面上的金属丝孔并对应缠绕在两个滑动面板的螺栓Ⅰ上。
进一步地，所述二维移动台通过步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ实现两个维度的位移移动。
进一步地，所述固定板的正中位置固定有CCD摄像机摄像机，所述摄像机用来实现监测金属丝束与凹模之间的位置是否对中。
进一步地，所述两个步进电机Ⅰ、所述步进电机Ⅱ和所述步进电机Ⅲ分别通过步进电机控制器接入计算机；所述每个滑动面板上安装有位移传感器，所述两个位移传感器通过变送器Ⅰ和多功能数据采集卡连入计算机；所述CCD摄像机摄像机通过图像采集卡接入计算机；所述凹模固定板和所述凹模之间安装力传感器，所述力传感器通过变送器变送器Ⅱ和多功能数据采集卡连入计算机。
进一步地，所述金属丝束选用钢丝或钼丝。
进一步地，为了加强加载架刚度，所述每个加载架的两侧还设置有角铁固定块。
一种自适应式微弯曲成形方法，将金属丝束张紧在滑动面板上，将被张紧的金属丝束用作微弯曲成形时的凸模，与滑动面板一起构成自适应式凸模组件；将凹模固定板安装在二维移动台上，凹模固定板上设有凹模和定位块；利用CCD摄像机摄像机测试金属丝束与凹模的位置关系，通过调整二维移动台，实现金属丝束和凹模的对中，经安装在凹模上的定位块对工件定位，以步进电机Ⅰ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凸模组件上下移动，实现被张紧的金属丝束对凹模上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。
进一步地，所述工件厚度h、所述凹模宽度w和所述金属丝直径d之间的关系为： w≧（5~10）d，h≧（3~8）d；金属丝的数量n满足：S＜1.25ns＜1.5S，其中S为凹模凹槽横截面面积，s为金属丝截面积。
本设计所提出的自适应式微弯曲成形技术，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束作为微弯曲成形的凸模进行弯曲成形：1.根据工件材料的硬度和材料，选取金属丝的材料；根据工件的尺寸，选择金属丝的直径，张紧后能有效的成形普通方法无法成形的微弯曲零件。 2.根据工件形状以及凹模形状的要求，通过调整两个滑动面板的高度，调整金属丝束的角度，以满足不同工件的需求。3.因为金属丝比较软，刚性不足，为能利用金属丝束作为凸模成形弯曲件，本设计采取的张紧方式是金属丝束两边经过导向板后缠紧在螺栓上，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。4.根据工件的尺寸和材料以及位移传感器，力传感器，步进电机反馈的信息通过计算机的处理，控制位移大小和力的大小。
本设计具有以下的技术优势：1.采用张紧的金属丝或金属丝束作为凸模，解决了传统凸模微型化后制造困难的难题。2.采用张紧的金属丝束作为凸模，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.根据微弯曲件的形状以及凹模凹槽的角度，只需要调整两个滑动面板的相对高度，就可以调整金属丝束的角度，生产出不同形状的工件，更有利于批量化生产。5.整个装置的支承系统采取H型的结构，精度高。6.装置中金属丝束与凹模槽的平行度问题可以通过导向板得到解决，提高了定位效率和精度。7.对于金属丝的张紧，金属丝束两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。8.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。9.采用CCD摄像机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和距离，调整二维移动台实现金属丝束和凹模对中，方便可靠。
附图说明
图1是自适应式微弯曲加工基本原理图。
图2是本发明装置的结构示意图。
图3 是CCD摄像机摄像机与滑动面板对中示意图。
图4是本发明滑动面板主视图。
图5是本发明滑动面板俯视图。
图6是本发明凸模组件主视结构图。
图7是本发明凸模组件俯视结构图。
图8是本发明导向板主视图。
图9是本发明导向板俯视图。
图10是本发明导向板左视图。
图11是本发明凹模组件结构图。
图12是本发明凸模组件和凹模组件的配合工作示意图。
图中：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位移传感器 10滑动面板 11变送器Ⅰ 12工业图像采集卡 13多功能数据采集卡 14计算机 15变送器Ⅱ 16步进电机控制器 17凹模 18力传感器 19凹模固定板 20步进电机Ⅱ 21安装台 22固定底座 23角铁固定块 24二维移动台 25步进电机Ⅲ 26定位块 27CCD摄像机 28螺栓Ⅰ 29螺栓Ⅱ 30垫圈 31导向板 32螺母Ⅰ 33螺母Ⅱ 34螺母Ⅲ。
具体实施方式
以下将结合附图，具体说明本设计装置的具体细节，装配及工作情况。
本发明所提出的成形装置包括六个部分：安装台、平移加载工作台、数据采集系统、自适应式凸模组件、凹模组件和控制系统。动力源由平移加载工作台提供，数据采集系统提供控制所需的信息，自适应式凸模组件与凹模组件共同完成成形弯曲，控制系统主要根据加工需要控制位移，速度以及对中等。下面将结合图具体介绍每一部分的细节：
结合图2和图3，平移加载工作台由固定底座21、角铁固定块23、加载架1、方形导轨2、丝杠8、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8转动，丝杠带动滑动面板沿方形导轨2移动，步进电机手柄4用来手动驱动丝杠8，实现滑动面板沿方形导轨2移动。数据采集系统包括位移传感器9、力传感器18、变送器11、多功能数据采集卡13和计算机14，位移传感器9、力传感器18采集位移和力的模拟信号，经变送器11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。控制系统由CC摄像机27、图像采集卡12、步进电机控制器16和计算机14组成，CCD摄像机27和工业图像采集卡12和计算机14用于观测金属丝束与凹模之间位置关系，步进电机控制器16用于控制步进电机Ⅰ3、步进电机Ⅱ20和步进电机Ⅲ25的运动，保证成形力以及金属丝束34与凹模21对中。
自适应式凸模组件如图6和图7所示，主要包括滑动面板10（如图4和图5所示），所述滑动面板10为T形滑动面板，所述滑动面板10上端设有螺栓Ⅰ28和配套螺母Ⅲ34，所述滑动面板10左端设有丝杠孔，用来与所述丝杠8配合连接，所述滑动面板10右端设有螺栓Ⅱ29和配套螺母Ⅱ33，所述螺栓Ⅱ29中部套有导向板31（如图8图9和图10），所述导向板31为U形导向板，所述导向板31的两平行面上开有与所述螺栓Ⅱ29配合的通孔，所述导向板31的侧面上开有金属丝孔，所述导向板31内腔设有两个与所述螺栓Ⅱ29相配合的两个螺母Ⅰ32，所述螺母Ⅰ32和所述螺栓Ⅱ29配合将所述导向板31固定在所述滑动面板10上；所述金属丝束的两端分别穿过所述导向板31侧面上的金属丝孔并对应缠绕在两个滑动面板10的螺栓Ⅰ28上，调节螺栓Ⅰ28使得金属丝张紧，用螺母Ⅲ34固定住螺栓Ⅰ2828并防止金属丝束松动，张紧后的金属丝束用作微弯曲成形的凸模。
如图11所示，凹模组件由二维移动台24、步进电机Ⅲ25、步进电机Ⅱ20、凹模固定板19、凹模17和定位块26组成，通过步进电机控制器16控制步进电机Ⅲ25和步进电机Ⅱ20，调整二维移动台24，从而保证安装在二维移动台24上的凹模17和自适应式凸模组件中金属丝束的位置关系对中，起定位的作用。
具体安装方式：根据需要把固定底座22安装在安装台21上，然后将角铁固定块23安装在固定底座22上，再将加载架1安装在角铁固定块23右侧，并将滑动面板10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，固定板7用来固定两个丝杠8；并在加载架1上面安装安装板5，在安装板5上面左右对称安装步进电机Ⅰ3和步进电机手柄4，再将两个步进电机Ⅰ3分别接入步进电机控制器16，最后接入计算机14；然后在两块滑动面板10上安装力传感器9，再将两个力传感器9与变送器11连接，再接入多功能数据采集卡13，最后接入计算机14；将CCD摄像机27安装在固定板正中间位置，朝下，再将CCD摄像机27接入工业图像采集卡12，最后接入计算机14；将步进电机Ⅱ20和步进电机Ⅲ25连同二维移动台24安装在安装台21上，并将凹模固定板19安装在二维移动台24上，在凹模固定板19上安装力传感器18、凹模17和定位块26，将步进电机Ⅱ20和步进电机Ⅲ25连接到步进电机控制器16上，并将步进电机控制器16连接到计算机13中；根据微弯曲件的尺寸要求，选用与之相配直径的金属丝束，并设计尺寸匹配的凹模17；金属丝束的一端缠绕系在螺栓Ⅰ28上，然后经过导向片31中间的孔，根据两个滑动面板的相对位置调整导向板的角度，再用螺栓Ⅱ29和垫圈30以及螺母Ⅰ32将导向板固定，另一侧以相同的方式固定，再调节螺栓Ⅰ28使得金属丝张紧，用螺母固定住螺栓并防止金属丝束松动，张紧后的金属丝束用作微弯曲成形的凸模。然后利用计算机14和步进电机控制器16控制步进电机Ⅰ3，使自适应式凸模组件处于适当的位置，打开CCD摄像机27，通过计算机14观测金属丝束和凹模17的相对位置，并使用计算机14和步进电机控制器16控制步进电机Ⅱ20和步进电机Ⅲ25，使凹模17与自适应式凸模组件中的金属丝束对中，然后将定位块26安装在凹模17上，通过定位块26把工件平放于凹模17上；利用计算机14和步进电机控制器16控制步进电机Ⅰ3，使金属丝束通过凹模17对工件加载成形；与此同时，通过位移传感器9和力传感器18所测得的位移和力的模拟信号，经过变送器11和15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及凹模模槽角度，更换匹配直径的金属丝，调节两块滑动面板的相对位置，使金属丝束呈现相应的角度，最后将金属丝张紧在自适应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自适应式微弯曲成形方法及装置，将张紧的金属丝束作为微弯曲的凸模，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，便可以重复利用自适应式凸模组件，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)
1.一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，包括两个固定底座(22)和两个加载架(1)，固定底座(22)安装在安装台(21)上，每个所述固定底座(22)上对应安装一个加载架(1)，两个所述加载架(1)的顶端通过安装板(5)连接为一体，所述安装板(5)上板面上安装两个步进电机Ⅰ(3)，每个所述步进电机Ⅰ(3)上分别设置有电机手柄(4)；每个所述加载架(1)上安装有方形导轨(2)和丝杠(8)，两个所述丝杠(8)通过顶端的固定板(7)来实现定位；每个所述丝杠(8)分别通过联轴器(6)和两个所述步进电机Ⅰ(3)相连；每个所述丝杠(8)上连接有滑动面板(10)，两个所述滑动面板(10)之间连接有张紧的金属丝束，所述滑动面板(10)通过丝杠(8)的转动沿所述方形导轨(2)上下移动；所述安装台(21)上正对所述金属丝束的下方设有二维移动台(24)，所述二维移动台(24)上表面安装有凹模固定板(19)，所述凹模固定板(19)上设有凹模(17)，所述凹模(17)上设有定位块(26)；所述滑动面板(10)为T形滑动面板，所述滑动面板(10)上端设有螺栓Ⅰ(28)和配套螺母Ⅲ(34)，所述滑动面板(10)左端设有丝杠孔，用来与所述丝杠(8)配合连接，所述滑动面板(10)右端设有螺栓Ⅱ(29)和配套螺母Ⅱ(33)，所述螺栓Ⅱ(29)中部套有导向板(31)，所述导向板(31)为U形导向板，所述导向板(31)的两平行面上开有与所述螺栓Ⅱ(29)配合的通孔，所述导向板(31)的侧面上开有金属丝孔，所述导向板(31)内腔设有两个与所述螺栓Ⅱ(29)相配合的两个螺母Ⅰ(32)，所述螺母Ⅰ(32)和所述螺栓Ⅱ(29)配合将所述导向板(31)固定在所述滑动面板(10)上；所述金属丝束的两端分别穿过所述导向板(31)侧面上的金属丝孔并对应缠绕在两个滑动面板(10)的螺栓Ⅰ(28)上。
2.根据权利要求1所述的一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，所述二维移动台(24)通过步进电机Ⅱ(20)和步进电机Ⅲ(25)实现两个维度的位移移动。
3.根据权利要求2所述的一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，所述固定板(7)的正中位置固定有CCD摄像机(27)。
4.根据权利要求3所述的一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，所述两个步进电机Ⅰ(3)、所述步进电机Ⅱ(20)和所述步进电机Ⅲ(25)分别通过步进电机控制器(16)接入计算机(14)；所述每个滑动面板(10)上安装有位移传感器(9)，所述两个位移传感器(9)通过变送器Ⅰ(11)和多功能数据采集卡(13)连入计算机(14)；所述CCD摄像机(27)通过图像采集卡(12)接入计算机(14)；所述凹模固定板(19)和所述凹模(17)之间安装力传感器(18)，所述力传感器(18)通过变送器Ⅱ(15)和多功能数据采集卡(13)连入计算机(14)。
5.根据权利要求1所述的一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，所述金属丝束选用钢丝或钼丝。
6.根据权利要求1所述的一种自适应式微弯曲成形装置，其特征在于，所述每个加载架(1) 的两侧还设置有角铁固定块(23)。
7.一种利用权利要求1中所述的自适应式微弯曲成形装置进行自适应式微弯曲成形的方法，其特征在于，将金属丝束张紧在滑动面板上，将被张紧的金属丝束用作微弯曲成形时的凸模，与滑动面板一起构成自适应式凸模组件；将凹模固定板(19)安装在二维移动台(24)上，凹模固定板(19)上设有凹模(17)和定位块(26)；利用CCD摄像机(27)测试金属丝束与凹模的位置关系，通过调整二维移动台，实现金属丝束和凹模的对中，经安装在凹模上的定位块(26)对工件定位，以步进电机Ⅰ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凸模组件上下移动，实现被张紧的金属丝束对凹模上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；工件厚度h、凹模宽度w和金属丝直径d之间的关系为：w≧(5～10)d，h≧(3～8)d；金属丝的数量n满足：S＜1.25ns＜1.5S，其中S为凹模凹槽横截面面积，s为金属丝截面积。
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