CN104625559A - 一种金属微热压印成形模具装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种金属微热压印成形模具装置及方法，它涉及一种成形模具装置及使用该装置的成形方法。本发明为了解决微热压印脱模难度大、硅模具容易损坏以及模具寿命低等问题。装置：上模板和下模板通过上隔热板和下隔热板与微成形设备的连接，压头、上垫板依次安装在上模板上，上模板上设真空泵螺纹管，硅模具通过真空吸附固定在压头上，自适应调整平台底座固定在下模板上，坯料固定座固定在调整平台上，坯料固定座与调整平台之间设有中间隔热板，加热圈安装在坯料固定座上，坯料安装在坯料固定座中的凹槽内，压头固定板和固定板之间通过导柱和导套连接。方法：坯料准备：选定用于成形的压力机型号；模具装置安装与调试：微热压印成形试验。本发明用于金属微热压印成形。

Description

一种金属微热压印成形模具装置及方法

技术领域

本发明涉及一种成形模具装置及使用该装置的成形方法，具体涉及一种金属微热压印成形模具装置及方法，属于塑性微成形技术领域。

背景技术

微压印工艺是一种采用微复制模具成形微结构的高精度微纳制造技术，具有产品稳定性好、成本低以及适合大批量生产等优点，在光学传感器、生物MEMS、微型热交换器以及微能源领域具有广泛应用。然而，该技术主要应用到聚氯乙烯、聚苯乙烯以及聚碳酸酯等高分子材料，对于金属材料的微热压印技术还处于研究阶段。微热压印技术采用具有微结构的硅模具，在一定温度下，通过压力加载和保持，最终将微结构复制到金属材料上。由于金属热压印过程中所需的压力很大，具有微结构的模具表面和坯料表面的平行度显著影响着压印成品的质量。若模具与坯料之间的不平行误差过大，则无法保证模具与坯料的均匀一致性接触，也就无法得到均匀一致的微结构，脱模时也有可能对已经压印成形的微结构造成破坏；如果不平行度超过一定限度，还会引起模具的损伤，造成制造成本的增加。另外，由于硅模具很脆，常规机械夹持会引起破碎，且硅模具的精确定位也对压印过程有着显著影响。

综上所述，现有微结构的模具与坯料之间的不平行误差过大，无法得到均匀一致的微结构，脱模时对已经压印成形的微结构易造成破坏；另外，由于硅模具很脆，常规机械夹持会引起破碎，存在影响硅模具精确定位的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微结构的模具与坯料之间的不平行误差过大，无法得到均匀一致的微结构，脱模时对已经压印成形的微结构易造成破坏；另外，由于硅模具很脆，常规机械夹持会引起破碎，存在影响硅模具精确定位的问题，进而提供一种金属微热压印成形模具装置及方法。

本发明的技术方案是：一种金属微热压印成形模具装置包括上隔热板、上模板、上垫板、压头、压头固定板、真空泵连接螺纹管、硅模具、加热圈、坯料固定座、压板、多个导柱、多个导套、固定板、下模板、下隔热板、自适应调平底座、调整弹簧、调整平台、中间隔热板、多个顶丝、坯料、定位顶针、顶针弹簧和固定螺栓，上模板和下模板上下设置且分别通过上隔热板和下隔热板进行隔热保护并与微成形设备的连接，上垫板安装在上模板上，压头通过压头固定板固定在上垫板上，上模板上的真空泵螺纹管的一端与真空泵相连，真空泵螺纹管的另一端依次穿过上垫板和压头后通过真空吸附的方式将硅模具固定在压头上，硅模具通过设置在压头上的定位顶针、顶针弹簧和固定螺栓进行定位；自适应调整平台底座通过固定板固定在下模板上，且自适应调整平台底座位于压头的正下方，坯料固定座通过螺栓固定在调整平台上，坯料固定座与调整平台之间设有中间隔热板，成形时通过自适应调整平台底座和调整平台之间的球面接触与均匀分布的调整弹簧配合连接，压板压在调整平台、调整弹簧和固定板上，加热圈通过多个顶丝安装在坯料固定座上，坯料安装在坯料固定座中的凹槽内，压头固定板和固定板之间通过多个导柱和多个导套进行定位和导向。

本发明还提供了一种使用金属微热压印成形模具装置的成形方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤一：坯料准备：

选定用来成形微型零件的块体坯料，并加工为直径10mm，厚度3mm的坯料，采用机械抛光与电解抛光结合的方式处理坯料，保证坯料的表面质量；

步骤二：选定用于成形的压力机型号；

步骤三：模具装置安装与调试：

第一，在合模状态下分别将上模板、下模板与压力机连接端固定，确保上模板、下模板中心重合后拧紧固定螺钉，并将真空系统与加热系统分别连接到装置中；

第二，将硅模具放置于压头的底端，利用定位顶针进行定位，打开真空泵，将硅模具吸附于真空压头上；

第三、上移压力机横梁，带动上模运动，当坯料固定座有足够空间时，放入坯料，坯料放置于坯料固定座上的定位凹槽内，并将顶丝拧紧，达到固定坯料的作用；

第四、设置电子万能试验机参数，进行上下模具导向测试；

步骤四：微热压印成形试验：

第一、打开加热开关，设置目标温度，对成形部分进行加热，当温度达到目标温度后温控系统进入保温程序；

第二、设定电子万能试验机加载方式，确定加载速度、载荷大小以及保压时间等工艺参数；

第三、下移压力机横梁，使硅模具与坯料轻微接触，启动压力机成形控制程序，进行微压印成形实验；

第四、试验结束后，压力机卸载，横梁上移过程中完成脱模；等坯料冷却后取出成形后零件，至此，完成了坯料的金属微热压印成形。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

采用本发明方法能够实现硅模具与坯料平行度的自适应调整，球面接触方式能够实现快速调平与对中，且调平过程中无侧向位移，保证了硅模具与坯料表面的平行度，避免由于偏心或者受力不均而导致硅模具损坏，硅模具的使用寿命提高了十倍。通过采用真空吸附方式夹持硅模具，能够实现硅模具的快速更换与无损夹持，不仅实现了金属微热压印工艺的顺利脱模，还缩短了模具更换生产周期并提高了模具寿命；另外，装置的其他部件设计为通用化零件，针对不同微型通道类零件，成形时只需更换硅模具，从而大大降低了生产成本。

附图说明

图1为微型通道类零件热压印成形装置结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种金属微热压印成形模具装置，其上模板2与下模板14分别与上隔热板1和下隔热板1相连，防止高温工作时对压力机传感器造成损伤。通过四根导柱11和四个导套12对模具进行精确定位和导向，保证硅模具7和坯料固定座9的同心度。上模板2上的连接的真空泵螺纹管6与真空泵相连，采用真空吸附的方式将硅模具7固定在压头5上，通过定位顶针22、顶针弹簧23和固定螺栓24对硅模具7进行定位，该定位方式可以实现硅模具的柔性定位，有利于保护硅模具不受损伤。压头4通过压头固定板5固定在上垫板3上，压头固定板5、上垫板3和上模板2通过螺栓固定，采用销钉进行精确定位。自适应调整平台底座16通过固定板13固定在下模板14上，成形时通过自适应调整平台底座16和调整平台18之间的球面接触与均匀分布的调整弹簧17配合，实现硅模具7与坯料21的平行度自适应调整。由于旋转中心在坯料上表面中心，因此在调平过程中硅模具与坯料之间只存在纯转动，而无侧向位移，故能够保证硅模具中的微结构不会损伤，确保压印成形零件的尺寸精度。整个自动调整平台通过压板10固定在固定板13上。坯料固定座9通过螺栓固定在调整平台上，并通过中间隔热板19进行隔热保护，采用销钉进行精确定位。加热圈8套置在坯料固定座9上，与高精度控温装置相连，实现微压印加热及温度控制。坯料固定座9侧壁有三个夹角互为120°的顶丝20对坯料进行固定，坯料固定座9中的凹槽用于坯料21的精确定位。

在进行成形实验时，首先将上模板2与下模板14通过螺栓分别与压力机上横梁与底座连接。启动真空泵，将硅模具7置于压头底部，通过定位顶针4进行位置调整，真空泵压力表示数达到目标真空度标明硅模具已经固定于压头底部。接着将坯料21放置于坯料固定座9的中心凹槽中，打开温度控制系统开关，设定目标温度，此时加热圈8将按照预定模式加热到目标温度，到达目标温度后自动进行保温。

在装置进行加热的过程中，设置压力机加载方式，主要参数包括压力大小、加载速度、保压时间等。当系统温度达到目标温度后，将压力机载荷清零，手动调整横梁缓慢下移，使硅模具7与坯料21上表面接触。启动加载和保压程序进行压印成形实验。在压印过程中，当坯料与硅模具之间存在微小倾斜角度时，切向均匀分布的6根调整弹簧17根据坯料固定座9角度的变化发生伸长或压缩，使调整平台18产生相应旋转，坯料固定座9将进行轻微转动，实现硅模具7与坯料21之间实现平行度自适应调整。由于弹簧的对称分布方式，调整平台18在转动过程中不会出现失稳现象，另外，在自适应调平底座16中开设有油槽，上下球面通过二硫化钼润滑脂进行润滑，减小坯料固定座9转动阻力。

保压过程结束后，设备开模。在此过程中实现硅模具7与坯料21分离。脱模过程完成后，关闭真空泵，取出硅模具7。拧松顶丝20，取出微压印成形的微通道零件。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的多个顶丝20以环形的方式安装在坯料固定座9的侧壁上。如此设置，便于顶住坯料21。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的多个顶丝20的数量为3个。如此设置，拧紧3个夹角互为120°的顶丝20，保证脱模时坯料能够保持原始位置不变。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的成形方法包括以下步骤：

步骤一：坯料21准备：

选定用来成形微型零件的块体坯料，并加工为直径10mm，厚度3mm的坯料21，采用机械抛光与电解抛光结合的方式处理坯料，保证坯料的表面质量；测试用实验坯料21的材质为纯铝；另外，也可以实现铝合金、纯铜以及镁合金材料微热压印成形；

步骤二：选定用于成形的压力机型号；

压力机型号为Zwick/RoellZ010电子万能试验机；

步骤三：模具装置安装与调试：

第一，在合模状态下分别将上模板2、下模板14与压力机连接端固定，确保上模板2、下模板14中心重合后拧紧固定螺钉，并将真空系统与加热系统分别连接到装置中；

第二，将硅模具7放置于压头4的底端，利用定位顶针22进行定位，打开真空泵，将硅模具7吸附于真空压头上；

第三、上移压力机横梁，带动上模运动，当坯料固定座9有足够空间时，放入坯料21，坯料21放置于坯料固定座9上的定位凹槽内，并将顶丝20拧紧，达到固定坯料的作用；

第四、设置电子万能试验机参数，进行上下模具导向测试；

步骤四：微热压印成形试验：

第一、打开加热开关，根据材料性能不同，设置目标温度，对成形部分进行加热，当温度达到目标温度后温控系统进入保温程序；其中，纯铝微热压印温度为200-250℃；

第二、设定电子万能试验机加载方式，确定加载速度、载荷大小以及保压时间等工艺参数；采用匀速加载方式；其中，纯铝微热压印加载速度为0.01mm/min,最大载荷5000N，保压时间5分钟；

第三、下移压力机横梁，使硅模具7与坯料21轻微接触，启动压力机成形控制程序，进行微压印成形实验；

第四、试验结束后，压力机卸载，横梁上移过程中完成脱模；等坯料21冷却后取出成形后零件，至此，完成了坯料21的金属微热压印成形。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种金属微热压印成形模具装置，其特征在于：它包括上隔热板(1)、上模板(2)、上垫板(3)、压头(4)、压头固定板(5)、真空泵连接螺纹管(6)、硅模具(7)、加热圈(8)、坯料固定座(9)、压板(10)、多个导柱(11)、多个导套(12)、固定板(13)、下模板(14)、下隔热板(15)、自适应调平底座(16)、调整弹簧(17)、调整平台(18)、中间隔热板(19)、多个顶丝(20)、坯料(21)、定位顶针(22)、顶针弹簧(23)和固定螺栓(24)，

上模板(2)和下模板(14)上下设置且分别通过上隔热板(1)和下隔热板(15)进行隔热保护并与微成形设备的连接，上垫板(3)安装在上模板(2)上，压头(4)通过压头固定板(5)固定在上垫板(3)上，上模板(2)上的真空泵螺纹管(6)的一端与真空泵相连，真空泵螺纹管(6)的另一端依次穿过上垫板(3)和压头(4)后通过真空吸附的方式将硅模具(7)固定在压头(5)上，硅模具(7)通过设置在压头(4)上的定位顶针(22)、顶针弹簧(23)和固定螺栓(24)进行定位；

自适应调整平台底座(16)通过固定板(13)固定在下模板(14)上，且自适应调整平台底座(16)位于压头(4)的正下方，坯料固定座(9)通过螺栓固定在调整平台(18)上，坯料固定座(9)与调整平台(18)之间设有中间隔热板(19)，成形时通过自适应调整平台底座(16)和调整平台(18)之间的球面接触与均匀分布的调整弹簧(17)配合连接，压板(10)压在调整平台(18)、调整弹簧(17)和固定板(13)上，加热圈(8)通过多个顶丝(20)安装在坯料固定座(9)上，坯料(21)安装在坯料固定座(9)中的凹槽内，

压头固定板(5)和固定板(13)之间通过多个导柱(11)和多个导套(12)进行定位和导向。

2.根据权利要求1所述的一种金属微热压印成形模具装置，其特征在于：多个顶丝(20)以环形的方式安装在坯料固定座(9)的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的一种金属微热压印成形模具装置，其特征在于：多个顶丝(20)的数量为3个。

4.一种使用权利要求1所述的金属微热压印成形模具装置的成形方法，其特征在于：成形方法包括以下步骤：

步骤一：坯料(21)准备：

选定用来成形微型零件的块体坯料，并加工为直径10mm，厚度3mm的坯料(21)，采用机械抛光与电解抛光结合的方式处理坯料，保证坯料的表面质量；

步骤二：选定用于成形的压力机型号；

步骤三：模具装置安装与调试：

第一，在合模状态下分别将上模板(2)、下模板(14)与压力机连接端固定，确保上模板(2)、下模板(14)中心重合后拧紧固定螺钉，并将真空系统与加热系统分别连接到装置中；

第二，将硅模具(7)放置于压头(4)的底端，利用定位顶针(22)进行定位，打开真空泵，将硅模具(7)吸附于真空压头上；

第三、上移压力机横梁，带动上模运动，当坯料固定座(9)有足够空间时，放入坯料(21)，坯料(21)放置于坯料固定座(9)上的定位凹槽内，并将顶丝(20)拧紧，达到固定坯料的作用；

第四、设置电子万能试验机参数，进行上下模具导向测试；

步骤四：微热压印成形试验：

第一、打开加热开关，设置目标温度，对成形部分进行加热，当温度达到目标温度后温控系统进入保温程序；

第二、设定电子万能试验机加载方式，确定加载速度、载荷大小以及保压时间等工艺参数；

第三、下移压力机横梁，使硅模具(7)与坯料(21)轻微接触，启动压力机成形控制程序，进行微压印成形实验；

第四、试验结束后，压力机卸载，横梁上移过程中完成脱模；等坯料(21)冷却后取出成形后零件，至此，完成了坯料(21)的金属微热压印成形。

5.根据权利要求4所述的一种使用金属微热压印成形模具装置的成形方法，其特征在于：步骤一中的坯料(21)材料为纯铝及铝合金、纯铜或镁合金。