CN105216190B - 一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，包括中部设置有容置槽的下模板，容置槽内设置有热电偶固定板，热电偶固定板上设置有微型腔镶块，微型腔镶块上方覆盖有上模板；上模板中部设置有进料孔，进料孔侧面与一开放式摄像孔连通，开放孔内侧壁固定有一透明隔热装置，透明隔热装置外部设置有高速摄影机，用于采集加工图像；在微型腔镶块中部开设有模腔，且模腔正下方的设有热电偶放置槽，内部放置有热电偶，用于检测加工温度。根据该装置，本发明还提出了一种操作加工的成型方法。本发明解决了超声成型中的温度测量和无法可视化加工的问题。

Description

一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置及成型方法

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是一种超声塑化成型装置和成型方法。

背景技术

Micro-UPM(超声粉末模压成型工艺，全程是micro ultrasonic powder molding，简写为micro-UPM)成型工艺是利用高频超声振动使得填充且压实于料筒内的粉末颗粒(包括高聚物粉末和低熔点金属粉末)之间产生剧烈滑动摩擦热而快速塑化，之后在超声冲头压力的作用下迅速填充微型腔，从而形成微零件。高聚物粉末颗粒直接在料筒和微型腔中超声熔融塑化，可避免热熔体在流动过程中发生大分子构象的变化，所制备的微塑件也不会出现传统注塑微成型制品所容易产生的熔接痕、塑化不均和硬质点等缺陷。微塑件其内应力低，形状尺寸稳定高，特别适于成型尺寸要求严格的精密零部件。但在塑化成型的在线实时测量方面，存在以下两类问题：

1)超声塑化成型时间极短，同时超声波在纵向传递过程中其强度会出现很大程度的衰减，导致了微零件各区域的成型温度不均，这种温度不均只能通过实验结果来验证；

2)在粉末颗粒的动态超声塑化过程中，粉末之间的动态挤压、压缩变形、相互摩擦和聚合物熔体动态填充微型腔都无法直接用肉眼观测。

发明内容

本发明提出一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置及成型方法，以解决塑化成型过程中的温度检测和塑化过程可视化的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：其包括下模板，所述下模板中部设置有容置槽，所述容置槽内放置有热电偶固定板，所述热电偶固定板上放置有微型腔镶块，所述微型腔镶块上方覆盖有上模板，所述上模板通过固定装置与所述下模板固定，将所述固热电偶固定板与微型腔镶块夹持于所述容置槽内；所述上模板中部设置有进料孔，所述进料孔侧面与一开放式摄像孔连通，所述开放孔内侧壁固定有一透明隔热装置，所述透明隔热装置外部设置有用于采集塑化成型图像的高速摄影机；

所述微型腔镶块中部开设有模腔，且模腔正下方的所述热电偶固定板上开设有至少三个热电偶放置槽，其内部放置有微型热电偶，且热电偶放置槽之间呈90°夹角。

该装置通过在微型腔镶块沟槽内布置热电偶来实时记录在micro-UPM成型过程中微塑件不同区域点位的温度曲线。若测量微零件顶部或者侧壁的温度，可将所述热电偶固定在所述微型腔镶块正中间的模腔侧壁。同时，高速摄影机采集塑化成型的图像变化，并通过显示模块显示微零件成型粉末在micro-UPM成型过程中的塑化动态图像，记录下粉末被超声冲头压实和塑化、熔体填充微型腔，之后保压冷却的整个过程。

优选地，所述容置槽的深度为H，所述热电偶固定板的厚度为A，所述微型腔镶块的厚度为B，A+B＞H＞A。

优选地，所述透明隔热装置为石英玻璃。

优选地，所述微型腔镶块通过细微电火花、微电解或者慢走丝线切割加工而成。

优选地，所述微型热电偶为K型微热电偶。

根据上述带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，本发明还提出一种塑化成型方法，其包括如下步骤：

步骤一：将所述带有测温模块的可视化超声塑化成型装置固定，并将超声冲头对准进料孔；

步骤二：将微零件成型粉末填入模腔中，并在未开启超声振动之前，利用所述超声冲头上下反复压实；所述微零件成型粉末的平均粒径)C与熔点为T满足：0＜C≤400μm，0＜t≤200℃。

步骤三：启动超声振动，使粉末之间产生摩擦和压缩变形将自身快速熔化，并在超声冲头的压力下迅速充满模腔，多余的熔体向上溢出形成飞边；所述热电偶采集塑化成型的温度信息，并通过电路处理后，由显示模块显示，所述高速摄影机采集塑化成型的图像变化，并通过显示模块显示。

优选地，所述超声冲头的功率为2600W，变幅杆输出频率为20kHz，底部端面直径为5.0mm。

优选地，所述微零件成型粉末为UHMWPE粉末。

本发明的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置及成型方法解决了超声成型中的温度测量和无法可视化加工的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例的组装结构剖视图；

图2为本发明优选实施例的爆炸结构示意图；

图3为本发明优选实施例的热电偶放置结构示意图；

标号说明：超声冲头1，紧固螺钉2，上模板3，进料孔31，开放式摄像孔32，透明隔热装置4，微型腔镶块5，模腔51，热电偶固定板6，热电偶61，下模板7，容置槽71，微零件成型粉末8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置包括下模板7，所述下模板7中部设置有容置槽71，所述容置槽71内放置有热电偶固定板6，所述热电偶固定板6上放置有微型腔镶块5，所述微型腔镶块5上方覆盖有上模板3，所述上模板3通过固定装置与所述下模板7固定，将所述固热电偶固定板6与微型腔镶块5夹持于所述容置槽71内；所述上模板3中部设置有进料孔31(即料筒孔)，所述进料孔31侧面与一开放式摄像孔32连通，所述开放孔32内侧壁固定有一透明隔热装置4，所述透明隔热装置4外部设置有用于采集塑化成型图像的高速摄影机；

所述微型腔镶块5中部开设有模腔51，且模腔51正下方的所述热电偶固定板6上开设有至少三个热电偶放置槽，其内部放置有微型热电偶61，且热电偶放置槽之间呈90°夹角。

使用时，热电偶61采集塑化成型过程中的温度信息，并将温度信号进行信号处理后传递至显示装置显示出来；高速摄影机则采集塑化成型过程中的图像信号，经过处理后由显示模块显示处理。

透明隔热装置4可以采用石英玻璃，并通过螺钉等常用固定件固定在上。一方面高速摄影机可透过透明隔热装置4摄像，另一方面起到隔热作用，确保高速摄影机的正常工作。

容置槽71的深度为H，其最佳深度应稍大于热电偶固定板6。当热电偶固定板6置入容置槽71后，仍留有部分高度空间，便于定位微型腔镶块5的固定位置。故热电偶固定板6的厚度为A，微型腔镶块5的厚度为B时，其各部件的厚度满足：A+B＞H＞A。

微型腔镶块5由于体积小，成型精度高，可以通过细微电火花、微电解或者慢走丝线切割等方式加工而成。

微型热电偶可以采用K型微热电偶，测量微零件底部的温度时，可将K型热电偶固定在底部热电偶固定板6的放置槽内。测量微零件顶部或者侧壁的温度时，可如图3所示，将K型热电偶固定在微型腔镶块5正中间的模腔51内侧壁，即图示中的固定位61所示。

根据上述成型装置，本发明还提出一种带有测温模块的可视化超声塑化成型方法，其包括如下步骤：

步骤一：将上述带有测温模块的可视化超声塑化成型装置固定，并将超声冲头1对准进料孔31；

步骤二：将微零件成型粉末8填入模腔51中，并在未开启超声振动之前，利用所述超声冲头1上下反复压实；所述微零件成型粉末的平均粒径C与熔点为T满足：0＜C≤400μm，0＜t≤200℃。

步骤三：启动超声振动，使粉末之间产生摩擦和压缩变形将自身快速熔化，并在超声冲头1的压力下迅速充满模腔51，多余的熔体向上溢出形成飞边；所述热电偶采集塑化成型的温度信息，并通过电路处理后，由显示模块显示，所述高速摄影机采集塑化成型的图像变化，并通过显示模块显示。

超声冲头1的功率至少在200W以上，冲头底端直径根据成型塑件的尺寸而定，塑件尺寸大则采用较大的冲头，相应的，功率也越大。在本发明的优选方案中，所选用深圳红日超声设备有限公司生产的RS2026型PLC智能控制超声波塑料焊接机作为超声塑化成型的冲头，该设备功率为2600W，变幅杆输出频率为20kHz。其气缸直径63.0mm，加工出的超声冲头底部端面直径5.0mm，经过计算可知气缸内的压缩空气压力传递至超声冲头底部端面将放大约160倍。如果设置气缸内压缩空气压力为0.1MPa，将使得冲头工作底部端面超声塑化压力约放大到16.0MPa。

在步骤一之前，需预先组装带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，以图2所示的布置方式将三个K型热电偶置入热电偶固定板6的放置槽内，或固定在微型腔镶块5正中间的模腔51内侧壁，同时将热电偶线感温线引入外部电路，再将模具压板和垫板用紧固螺钉固定成为组合式微模具。

在本优选实施例中，所述微零件成型粉末可以选用韩国Samsung公司生产的UHMWPE粉末，牌号为Z1700，平均分子重量3.5×10⁶g/mol，平均粒径约为150μm。

在具体实施例中，上模板3中间的料筒孔(即进料孔31)直径为5.0mm，与超声冲头1为过渡配合；微型腔镶块5的厚度为1.0mm，中间的方形塑化腔尺寸为2.0mm×2.0mm；下模板7厚度为5.0mm，中间的定位槽深度为0.4mm，定位槽的正中间放置微型腔镶块5。超声塑化时，先将K热电偶61置入微型腔镶块5或热电偶固定板6内固定，之后将热电偶固定板6放入容置槽71的正中间，然后将微型腔镶块5置于热电偶固定板6的正上方，再用上模板3将两者固定。固定时需保证料筒孔对准微塑化腔(即模腔51)，最后将热电偶感温线从组合式微模具的侧面接入温度数据采集模块。料筒孔侧面的图像采集窗口是为了方便采光和拍摄图像而设计，其开口距离约为0.63mm。

利用K型热电偶和NI数据采集卡组成的测温模块来实时记录粉末颗粒在超声塑化成型过程中不同区域的温度变化曲线，由于测温的对象是毫米量级的微塑件，可选用美国OMEGA TC-TT-K-36-36型热电偶，此型号热电偶的线芯直径只有0.127mm，其测温范围从-200至+260℃。

数据采集模块可以为NI公司的USB 9213测量套件(包含测量模块和NICompactDAQ机箱)，该套模块在高速模式下的采样率总计最高为1200S/s，测量灵敏度最高为0.02℃。图像采集使用的是佳能EOS 70D单反机身和MP-E微距镜头，该镜头能够放大一至五倍动态拍摄，透过石英玻璃拍摄料筒和微型腔内的粉末动态塑化全过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：其包括下模板(7)，所述下模板(7)中部设置有容置槽(71)，所述容置槽(71)内放置有热电偶固定板(6)，所述热电偶固定板(6)上放置有微型腔镶块(5)，所述微型腔镶块(5)上方覆盖有上模板(3)，所述上模板(3)通过固定装置与所述下模板(7)固定，将所述热电偶固定板(6)与微型腔镶块(5)夹持于所述容置槽(71)内；所述上模板(3)中部设置有进料孔(31)，所述进料孔(31)侧面与一开放式摄像孔(32)连通，所述开放孔(32)内侧壁固定有一透明隔热装置，所述透明隔热装置外部设置有用于采集塑化成型图像的高速摄影机；

所述微型腔镶块(5)中部开设有模腔(51)，且模腔(51)正下方的所述热电偶固定板(6)上开设有至少三个热电偶放置槽，其内部放置有微型热电偶，且热电偶放置槽之间呈90°夹角。

2.如权利要求1所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：所述容置槽(71)的深度为H，所述热电偶固定板(6)的厚度为A，所述微型腔镶块(5)的厚度为B，A+B＞H＞A。

3.如权利要求1所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：所述透明隔热装置为石英玻璃。

4.如权利要求1所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：所述微型腔镶块(5)通过细微电火花、微电解或者慢走丝线切割加工而成。

5.如权利要求1所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型装置，其特征在于：所述微型热电偶为K型微热电偶。

6.一种利用权利要求1-5任一项带有测温模块的可视化超声塑化成型装置的塑化成型方法，其特征在于：其包括如下步骤：

步骤一：将权利要求1-5任一项带有测温模块的可视化超声塑化成型装置固定，并将超声冲头(1)对准进料孔(31)；

步骤二：将微零件成型粉末填入模腔(51)中，并在未开启超声振动之前，利用所述超声冲头(1)上下反复压实；所述微零件成型粉末的平均粒径C与熔点为T满足：0＜C≤400μm，0＜T ≤200℃。

步骤三：启动超声振动，使粉末之间产生摩擦和压缩变形将自身快速熔化，并在超声冲头(1)的压力下迅速充满模腔(51)，多余的熔体向上溢出形成飞边；所述热电偶采集塑化成型的温度信息，并通过电路处理后，由显示模块显示，所述高速摄影机采集塑化成型的图像变化，并通过所述显示模块显示。

7.如权利要求6所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型方法，其特征在于：所述超声冲头(1)的功率为2600W，变幅杆输出频率为20kHz，底部端面直径为5.0mm。

8.如权利要求6所述的带有测温模块的可视化超声塑化成型方法，其特征在于：所述微零件成型粉末为UHMWPE粉末。