CN103769460B - 一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法及装置，其适用于板材的微成形技术领域。所述的方法是，先利用激光对工件加热，再利用压缩机产生的高压气体驱动金属板，使金属板及其下面的弹性介质同时向下运动，被软化的工件在弹性介质与微型模具间受到挤压，使工件产生塑性变形，复制出微型模具的形貌，实现工件的快速精密成形，最后，弹性介质回弹，在成形结束后带动金属板返回到初始位置，更换工件，可实现重复批量生产。本发明能够提高板材的成形性能，保证了工件表面质量，利用弹性介质代替凸模，简化了工艺，也使得加载压力更加均匀，成形能力得到增强，可以实现低成本和大批量的板材微成形。

Description

一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法及装置

技术领域

本发明涉及微成形技术领域，具体地说涉及一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法及装置。

背景技术

随着工业技术的快速发展，越来越多具有轻、薄、短、小、多功能特点的微器件产品被广泛应用于航空航天、精密仪器、生物和医疗器械、电信电子以及国防等多个领域，与之相关的金属微器件产品的加工工艺也显得越来越重要，从而促进了金属微成形技术的快速发展，这里所谓的微成形是指通过材料的塑性变形来获得的零件尺寸至少在两维方向上达到毫米量级以下的技术。

现有成形微构件的微机械加工技术，是利用在集成电路工业中发展起来的材料和加工技术在硅和其他相关材料表面上加工微小结构的技术,主要依赖于LIGA、光刻、硅微加工和化学蚀刻等MEMS技术,无法满足三维复杂形状微器件的加工,也限制了加工材料的多样性。另外,由于微器件成形工艺复杂,周期长,设备投资大,而且成形的可重复性差,不适合微型器件的批量生产。

因此，国内外众多学者在现有的微成形工艺的基础上开始积极探索新的微成形工艺，人们已经开始将气压成形技术用于塑性成形，板材在气体驱动作用下变形更均匀，因此能获得更大的变形量，提高成形零件的性能和质量。例如专利CN1911552A提出了一种液压或气压成形板料的方法，能够获得均匀的充模压力，但其成形过程需经过多工序，比较复杂、成形效率比较低，而且没有涉及板材的微成形；专利CN1903473A公开了一种镁合金手机外壳的温热成形方法及其专用模具，主要应用于镁合金板材温热拉伸工艺成形。虽然其方法工艺参数控制准确，材料利用率高，但并未涉及镁合金以外其它材料的成形，适用范围狭窄；专利CN2774673提出了一种利用温热液压成形的方法，但是对模具的密封性要求很高，同样不适合微成形；专利CN101318204A提出了一种利用红外加热金属箔板气压成形的方法，利用红外热源对金属箔板精确加热，再利用高压气体对软化的金属箔板加压,配合微型模具，实现金属箔板的精密成形，其工艺简化，冲模能力得到提高，但是更换待加工板材比较麻烦，而且采用红外加热效率低，其采用模具虽为阵列特征，但其单孔冲击成形，每次只能成形特定的一个形状，成形效率低。

由以上可以看出，气压成形可应用于塑性成形，但仍存成形工艺复杂，应用范围狭窄，成形效率低等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法及装置，能够精确复制微模具上的微细特征到工件上，其适用于板材的快速成形，可以实现微器件的低成本批量化生产。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机通过控制激光器辐射激光对工件进行加热，同时，通过计算机控制测温仪，测温仪把测量到的温度信息反馈到计算机，计算机能够实时控制加热的时间，以保证加热温度在加工需要的范围，避免过热和加热不足；

步骤2：当温度达到工件的软化温度，通过计算机控制空气压缩机，打开空气压缩机并调节压力大小，高压气体经过气压喷头喷射，驱动气压喷头下方的金属板，带动金属板下方的弹性介质一起向下运动；

步骤3：被软化的工件在弹性介质与微型模具之间受到挤压，使工件产生塑性变形，配合微型模具，复制出微型模具的形貌，实现工件的快速精密成形；

步骤4：在工件成形之后，弹性介质回弹，带动金属板恢复到初始位置，更换工件，可多次重复加工工件使其成形。

所述的工件是板材。

一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，该装置包括底座、微型模具、外壁、环形卡套、弹性介质、金属板、气压喷头、空气压缩机、计算机、测温仪、激光器、光路系统和分光器；

所述的空气压缩机一端连接计算机，另一端与气压喷头相连，空气压缩机由计算机控制；气压喷头的下面设有金属板，金属板的下面设有弹性介质，所述的弹性介质包括上下两层，弹性介质的上层与外壁相连，弹性介质的下面设有微型模具，弹性介质与微型模具不相连，所述的微型模具上设有至少两个均匀分布的凹坑，工件一次性可以成形多个凹坑，实现大面积微成形，微型模具设于底座上，工件设于微型模具的上面，环形卡套设于工件的上面，工件通过环形卡套固定其位置；

微型模具的下面设有加热系统，所述的加热系统包括激光器、光路系统、分光器和测温仪，所述的激光器一端与计算机相连；激光器根据计算机发出的指令工作，另一端与光路系统的一端相连，光路系统的另一端与分光器相连，测温仪设于分光器的一侧，测温仪与计算机相连，测温仪将检测的温度数据反馈于计算机。所述的空气压缩机、激光器和测温仪均通过数据线与计算机连接。

所述的工件是板材，所述的板材为金属箔板或者复合材料板，

所谓弹性介质，若某物体在外力作用下产生形变；当外力去掉之后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小，物体的这种性质称为弹性。具有这种性质的物质，称之为弹性介质。所述的弹性介质可以是天然橡胶或者合成橡胶。

所述的弹性介质的上下两层是同种材料，弹性介质的上层与弹性介质的下层的中部粘结成一体。弹性介质分两层是因为弹性介质如果分层太多不利于成形，冲击力小；不分层的话，工件质量不好。弹性介质的上层主要拉伸和回弹的作用，下层主要是可以作为工件成形中的柔性冲头，在冲击过程中弹性介质与工件互相贴合在一起，使得工件受力均匀，成形能力增强，由于弹性介质的硬度比工件硬度低的多，所以工件不会产生擦伤，提高了工件质量。在工件成形前，所述弹性介质能支撑起金属板，而工件成形后，弹性介质回弹可使金属板返回至初始位置。

有益效果：传统的成形需要凸模和凹模，本发明通过高压气体的成形不需要凹模即可成形出所需要的工件；本发明能够提高工件的成形性能，保证了工件表面质量，利用弹性介质代替凸模，简化了工艺，也使得加载压力更加均匀，成形能力得到增强，可以实现低成本和大批量的板材微成形。

附图说明

图1为本发明的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置的结构示意图

图中：1:底座；2：微型模具；3: 工件；4：外壁；5：环形卡套； 6:弹性介质；7:金属板；8:气压喷头；9:空气压缩机；10:计算机；11:测温仪；12：激光器；13：光路系统；14：分光器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例

如图1所示，一种基于高压气体驱动使板材微成形的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机10通过控制激光器12辐射激光对工件3进行加热，同时，通过计算机10控制测温仪11，测温仪11把测量到的温度信息反馈到计算机10，计算机10能够实时控制加热的时间，以保证加热温度在加工需要的范围，避免过热和加热不足；

步骤2：当温度达到工件3的软化温度，通过计算机10控制空气压缩机9，打开空气压缩机9并调节压力大小，高压气体经过气压喷头8喷射，驱动气压喷头8下方的金属板7，带动金属板7下方的弹性介质6一起向下运动；

步骤3：被软化的工件3在弹性介质6与微型模具2之间受到挤压，使工件3产生塑性变形，配合微型模具2，复制出微型模具2的形貌，实现工件3的快速精密成形；

步骤4：在工件3成形之后，弹性介质6回弹，带动金属板7恢复到初始位置，更换工件3，可多次重复加工工件3使其成形。

所述的工件3是板材。

一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，该装置包括底座1、微型模具2、外壁4、环形卡套5、弹性介质6、金属板7、气压喷头8、空气压缩机9、计算机10、测温仪11、激光器12、光路系统13和分光器14；

所述的空气压缩机9一端与计算机10相连，另一端与气压喷头8相连，空气压缩机9由计算机10控制；气压喷头8的下面设有金属板7，金属板7的下面设有弹性介质6，所述的弹性介质6包括上下两层，弹性介质6的上层与外壁4相连，弹性介质6的下面设有微型模具2，弹性介质6与微型模具2不相连，所述的微型模具2上设有至少两个均匀分布的凹坑，工件3一次性可以成形多个凹坑，实现大面积微成形，微型模具2设于底座1上，工件3设于微型模具2的上面，环形卡套5设于工件3的上面，工件3通过环形卡套5固定其位置；

微型模具2的下面设有加热系统，所述的加热系统包括激光器12、光路系统13、分光器14和测温仪11，所述的激光器12一端与计算机10相连，激光器12根据计算机10发出的指令工作，另一端与光路系统13的一端相连，光路系统13的另一端与分光器14相连，测温仪11设于分光器14的一侧，测温仪11与计算机10相连，测温仪11将检测的温度数据反馈于计算机10。所述的空气压缩机9、激光器12和测温仪11通过数据线与计算机10相连。

 所述的工件3是板材，所述的板材为金属箔板或者复合材料板。

所述的弹性介质6可以是天然橡胶或者合成橡胶。

所述的弹性介质6的上下两层是同种材料，弹性介质6的下层与弹性介质6的上层的中部粘结成一体，弹性介质6分两层是因为弹性介质如果分层太多不利于成形，冲击力小；不分层的话，工件质量不好。弹性介质6的上层主要拉伸和回弹的作用，下层主要是可以作为工件成形中的柔性冲头，在冲击过程中弹性介质6与工件3互相贴合在一起，使得工件3受力均匀，由于弹性介质6的硬度比工件3的硬度低的多，所以工件3不会产生擦伤，提高了工件质量，在高压气体成形前，所述弹性介质6能支撑起金属板7，而工件3成形后，弹性介质6回弹可使金属板7返回至初始位置。

具体实施过程如下：

首先，将微型模具2固定在底座1上，把工件3放在微型模具2上方，放至好位置后，用环形卡套5将工件3固定；其次，利用计算机10控制激光器12对微型模具2上面的工件3进行加热，同时用计算机10控制测温仪11，测温仪11将测量的温度信息反馈到计算机10，当加热温度达到工件3的软化温度，利用计算机10打开空气压缩机9并控制压力大小，高压气体经过气压喷头8喷射，气压喷头8下方的金属板7及弹性介质6向下运动，被软化的工件3在弹性介质6与微型模具2间受到挤压，使工件3产生塑性变形，结合微型模具2上的凹坑，使得工件3复制出凹坑的形状实现工件3的快速精密成形；最后，弹性介质6回弹，带动金属板7恢复到初始位置，更换工件3，可实现重复生产。

Claims (7)

1.一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：该装置包括底座、微型模具、外壁、环形卡套、弹性介质、金属板、气压喷头、空气压缩机、计算机、测温仪、激光器、光路系统和分光器；

所述的空气压缩机一端连接计算机，另一端与气压喷头相连，空气压缩机由计算机控制；气压喷头的下面设有金属板，金属板的下面设有弹性介质，所述的弹性介质包括上下两层，弹性介质的上层与外壁相连，弹性介质的下面设有微型模具，弹性介质与微型模具不相连，微型模具设于底座上，工件设于微型模具的上面，环形卡套设于工件的上面；

微型模具的下面设有加热系统，所述的加热系统包括激光器、光路系统、分光器和测温仪，所述的激光器一端与计算机相连；激光器根据计算机发出的指令工作，另一端与光路系统的一端相连，光路系统的另一端与分光器相连，测温仪设于分光器的一侧，测温仪与计算机相连，测温仪将检测的温度数据反馈于计算机。

2.如权利要求1所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的弹性介质的上下两层是同种材料，弹性介质的上层与弹性介质的下层的中部粘结成一体。

3.如权利要求1所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的工件是板材。

4.如权利要求1所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的微型模具上设有至少两个均匀分布的凹坑。

5.如权利要求1所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的空气压缩机、激光器和测温仪均通过数据线与计算机相连。

6.如权利要求3所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的板材为金属箔板或者复合材料板。

7.如权利要求1或者2所述的一种基于高压气体驱动使板材微成形的装置，其特征在于：所述的弹性介质是天然橡胶或者合成橡胶。