CN107030189A - 金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属箔材技术领域，尤其涉及一种金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法。成形设备包括成形系统、压力系统和测控系统：压力系统的压力表与气体通道相连，使压力系统与微成形模具的凹模型腔气孔连通；测控系统的控制器与伺服电机连接，用于凸模运动控制、凸模行程的控制及调节、成形压力实时监测及脱模气体控制。成形方法为：S1、凸模与凹模分离，将材料放置在载物台；S2、控制凸模与凹模刚好接触；S3、伺服电机加载一个行程步长；S4、观察材料的成形情况，若尚未成形，则继续增加成形行程的步长，直到完全成形。最后使用残余气体退料。本发明的金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法，能够在高温高压条件下进行金属箔材拉深。

Description

金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法

技术领域

本发明涉及金属箔材技术领域，尤其涉及一种金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统的迅速发展，电子、医疗、通讯等领域对于零部件的需求呈小型化的趋势。微机电系统由于其零部件体积小、质量轻、易于封装集成等特点，被广泛应用在微电子、通讯、医疗等领域。在这种趋势的推动下，亟需能够稳定生产高精度低成本微型零部件的微金属成形工艺以及完善的加工设备。因此，提高介观尺度下微型零部件的成形性已经成为近年来微成形领域的研究热点。

由于微加工工艺的发展，对于能够稳定制造介观尺度精密零部件的加工设备也产生了相应的需求。迄今为止，国内外的研究人员开发了很多实用性的微加工设备，如日本的科研人员研发的液压微拉深设备，能够产生稳定的流体压力，有效提高微杯件成形性，改善成形过程中的微观尺度效应对成形性造成的不利影响。在此基础上，使用不同的压力介质会对金属箔材的成形性能造成一定影响。然而，传统液压微拉深由于其液体介质燃点等的限制，导致其不适用于高温条件下的金属箔材拉深，一定程度上限制了金属箔材成形技术的发展。

因此，亟需发明一种能够在高温条件下进行金属箔材拉深的金属箔材气压微拉深成形设备。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种能够在高温条件下进行金属箔材拉深、节省成本、无污染的金属箔材气压微拉深成形设备及成形方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种金属箔材气压微拉深成形设备，包括成形系统、压力系统和测控系统：成形系统包括顺次连接的伺服电机、减速机、联轴器、丝杠螺母组件和微成形模具，微成形模具包括凸模和凹模，凸模内部装有压力传感器和成形芯轴，凹模内部有型腔、气体通道和加热棒孔；压力系统包括顺次连接的高压气瓶、开关阀、安全阀、减压阀、高压软管、不锈钢管和压力表；测控系统包括测量单元和控制单元，测量单元包括顺次连接的压力传感器、数据采集仪和信号放大器，控制单元包括控制器、控制软件和控制开关，控制开关与控制器连接，控制器与成形系统的伺服电机连接；压力系统的压力表与气体通道相连，使压力系统与微成形模具的凹模气体连通；测控系统用于凸模运动控制、凸模行程测量及调节、成形压力测量及脱模气体控制。

根据本发明，成形系统还包括：上支撑板、机架底板、活动平板、导柱组件、第一金属平台和第二金属平台；伺服电机连接减速机，减速机安装在第一金属平台上，第一金属平台安装在上支撑板上，联轴器与减速机连接，安装在上支撑板与第一金属平台之间；丝杠螺母组件的丝杠与联轴器连接，丝杠螺母组件的螺帽安装在第二金属平台上，第二金属平台安装在活动平板上，螺帽带动活动平板沿丝杠上下运动；导柱组件包括四根导柱，导柱下端与机架底板连接，活动平板沿导柱上下滑动；微成形模具的凸模安装在活动平板上，沿丝杠上下运动，微成形模具的凹模安装在机架底板上，置于凸模的正下方，凸模与凹模之间放置金属箔材。

根据本发明，成形系统还包括：机架、上限位器、下限位器和加热设备；上限位器和下限位器安装在机架侧壁上，分别位于活动平板所能活动的上、下两个极限位置；加热设备包括加热开关和加热棒，加热棒安装在加热棒孔中。

根据本发明，在机架的侧壁、上支撑板和活动平板开孔；机架的底部设置四个由相同的梯形块作边角的支撑腿，梯形块上开有四个尺寸相同的地脚螺栓孔。

根据本发明，信号放大器的数据可以通过USB接口导出。

根据本发明，伺服电机为永磁交流伺服电机，额定功率200W，额定转速3000r/min；联轴器为十字滑块联轴器；丝杠螺母组件为滚珠丝杠；加热开关为红外温控感应器；高压气瓶采用高压空气压缩机对高压存储气瓶充气，预存储气压为40MPa；控制器为PLC控制器；数据采集仪为单通道动态电阻应变仪；信号放大器为无纸记录仪。

本发明再提供一种如上述技术方案所述的金属箔材气压微拉深成形方法，分为以下步骤：

S1、接通电源，控制伺服电机反转回到原点位置，至微成形模具的凸模与凹模分离出一定空间，将试模材料放置在凹模上的载物台；

S2、控制伺服电机正转下压微成形模具至凸模与凹模刚好接触；

S3、控制伺服电机正转加载一个行程步长，使凸模下压，试模材料进行微拉深成形；

S4、控制压力系统，释放一定压力的气体用于退料；

S5、控制伺服电机反转回到原点位置，观察试模材料的成形情况，若试模材料尚未成形，则继续增加成形行程的步长，直到试模材料完全成形。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、采用空气为压力介质，由于空气的可压缩性大，采用高压力气泵装置打入高压气瓶，存储方便、节省制造成本。

2、压力介质从微成形模具凹模型腔直接排入大气，相比于液压微拉深工艺无需设置液压油回收装置，不污染环境。

3、退料方便，在气压微拉深成形结束后，可以利用适当的气体压力将微杯件顶出，方便可靠。

4、可以利用本发明的气压微拉深设备进行其他金属材料的气压微拉深实验，研究成形条件对于不同金属材料的影响程度。同时，通过大量的实验可以得到不同材料的最优加工成形条件。

附图说明

图1为金属箔材气压微拉深成形设备的系统组成图；

图2为金属箔材气压微拉深成形设备的成形系统的主视图；

图3为金属箔材气压微拉深成形设备的成形系统的左视图；

图4为金属箔材气压微拉深成形设备的成形系统的俯视图。

【附图标记说明】

1：伺服电机；

2：减速机；

3：联轴器；

4：丝杠螺母组件；

5：丝杠；

6：螺帽；

7：上支撑板；

8：活动平板；

9：机架底板；

10：第一金属平台；

11：第二金属平台；

12：导柱；

13：凸模；

14：凹模；

15：载物台；

16：气体通道；

17：上限位器；

18：下限位器；

19：机架；

20：把手；

21：第一螺栓；

22：第二螺栓；

23：第三螺栓；

24：减载孔；

25：支撑腿；

26：圆孔；

27：微成形模具。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1为本发明的一种金属箔材气压微拉深成形设备的系统组成图，该设备包括成形系统、压力系统和测控系统。成形系统包括伺服电机1、减速机2、联轴器3、丝杠螺母组件4和微成形模具27；压力系统包括高压气瓶、开关阀、安全阀、减压阀、高压软管、不锈钢管、压力表，高压气瓶；测控系统包括测量单元和控制单元，测量单元包括压力传感器、数据采集仪和信号放大器，控制单元包括控制器、控制软件和控制开关。

其中，微成形模具27包括凸模13和凹模14，凸模13内部装有压力传感器和成形芯轴，凹模14内部有型腔、气体通道16和加热棒孔，伺服电机1、减速机2、联轴器3、丝杠螺母组件4和微成形模具27顺次连接；高压气瓶、开关阀、安全阀、减压阀、高压软管、不锈钢管和压力表顺次连接；压力传感器、数据采集仪和信号放大器顺次连接，控制开关与控制器连接。压力系统的压力表与气体通道16相连，使压力系统与微成形模具27的凹模14气体连通；测控系统用于凸模13运动控制、凸模13行程测量及调节、成形压力测量及脱模气体控制。由此，成形系统、压力系统和测控系统构成本发明的金属箔材气压微拉深成形设备。

图2为本发明的金属箔材气压微拉深成形设备的成形系统的主视图，该成形系统包括伺服电机1、减速机2、联轴器3、丝杠螺母组件4和微成形模具27，还包括：上支撑板7、机架底板9、活动平板8、导柱组件、第一金属平台10和第二金属平台11。伺服电机1连接减速机2，减速机2安装在第一金属平台10上，第一金属平台10安装在上支撑板7上，联轴器3与减速机2连接，安装在上支撑板7与第一金属平台10之间；丝杠螺母组件4的丝杠5与联轴器3连接，丝杠螺母组件4的螺帽6安装在第二金属平台11上，第二金属平台11安装在活动平板8上，螺帽6带动活动平板8沿丝杠5上下运动；导柱组件包括四根导柱12，导柱12下端与机架底板9连接，活动平板8沿导柱12上下滑动；微成形模具27的凸模13用四个内角螺栓连接在安装在活动平板8上，沿丝杠5上下运动，微成形模具27的凹模14安装在机架底板9上，置于凸模13的正下方，凸模13与凹模14之间放置金属箔材。伺服电机1提供动力传给减速机2，变化后的速度通过联轴器3把动力传给丝杠5，通过丝杠5的转动带动螺帽6的上下移动并带动活动平板8沿导柱12上下滑动，将金属箔材放在成形模具的凸模13与凹模14之间的载物台15上，通过活动平板8的滑动来带动微成形模具27的凸模13的向下滑动，从而给成形模具的凹模14施加压力，从而完成金属箔材的拉深变形过程。

进一步，该成形系统还包括：机架19、上限位器17、下限位器18和加热设备；上限位器17和下限位器18安装在机架19侧壁上，分别位于活动平板8所能活动的上、下两个极限位置；加热设备包括加热开关和加热棒，加热棒安装在加热棒孔中。安装上限位器17和下限位器18的作用是避免下压过程中行程过大，给成形模具造成不可挽回的损失。上限位器17的位置确定为工作的零点位置。加热设备包括加热开关和加热棒，加热棒安装在凹模14内部的加热棒孔中。优选的，加热设备选择全固态感应加热设备，加热开关采用红外温控感应器，对预设温度进行控制实时满足试验温度，易于控制成形过程气体的温度。可以进行常温与高温的对比试验，以便研究温度对金属成形性能的影响。但本发明不局限于此，其他加热装置和开关适用于本发明。采用加热棒对模具进行局部加热，使用红外温控感应器对成形过程的温度进行控制，相比对整体模具加热，局部模具加热操作方便、温升较快、易于控制。

优选的，伺服电机1为永磁交流松下伺服电机1MHMJ0221G1U，无电刷和换向器，因此工作可靠、对维护和保养要求低、定子绕组散热比较方便、惯量小、易于提高系统的快速性，适用于高速大力矩的工作状态，相同功率下有较小的体积和重量。

优选的，联轴器3为型号WK4-01的十字滑块联轴器，主体轴套采用铝合金，体积轻巧，中间十字滑块可供多种不同颜色选择，安装方便、免维护、可抗油污抗腐蚀和电气绝缘，结构简单的高扭矩、高刚性、高灵敏度联轴器3，容许大的径向和轴向偏差，吸收较大的传动扭力，寿命长，性能安全可靠。

优选的，丝杠螺母组件4为台湾型号SFU03205-4DGC5L210P2TBI滚珠丝杠。成形过程中，伺服电机1带动丝杠5转动，将绕轴向的转动转化为沿轴向的直线运动，实现微成形模具27的压下进给。气压微拉深设备中沿轴向的运动精度要求较高，沿丝杠5轴向不能有较大的运动误差，所以要求滚珠丝杠加工的预压精度等级要达到P2等级。根据金属箔材微加工行程确定丝杠的长度为210mm，根据丝杠所能承受的静动载荷确定丝杠直径为32mm。

优选的，导柱组件有四根表面光滑导柱12，为实心高强度合金材料，表面光滑有助于活动平板8的上下移动，最大限度的减少成形时的误差，并且保证了下压过程时水平方向的精度。

优选的，微成形模具27为日本的液压微拉深设备，能够产生稳定的流体压力，有效提高微杯件成形性，改善成形过程中的微观尺度效应对成形性造成的不利影响。

进一步，高压气瓶采用高压空气压缩机对高压存储气瓶充气，预存储气压一般为40MPa，此气压设备理论输出压力上最高能达到30MPa，最低能达到0.5MPa。可使用小型空气压缩机对高压气瓶充气，方便快捷、易于操作。数据采集仪为BZ2203单通道动态电阻应变仪，外界干扰较小、价格便宜、灵敏度较好、易于接线和操作。信号放大器为型号MIK-200D无纸记录仪。控制单元的控制器为PLC控制器，在控制软件中的控制程序界面中通过修改对应的速度位移等参数，可以控制实验过程中的微成形模具27下压速度和成形行程。信号放大器的数据可以通过USB接口导出到电脑，以便进行更加详细的分析。

图3是成形系统的左视图，把手20设置在机架19的上端，以方便将设备移动位置，机架19的侧壁设置第一螺栓21以便固定机架19的上支撑板7和机架底板9，机架19的侧壁设置第二螺栓22以便安装上限位器17和下两个限位器，机架19的侧壁设置第三螺栓23以便固定小下地板，防止设备头重脚轻的现象。为了设备的稳定性，在机架19底部设置四个由相同的梯形块作边角的支撑腿25，并开四个尺寸相同的地脚螺栓孔，以便于设备的固定。在机架19侧壁的位置上开两个减载孔24，旨在于减轻机体的重量。

图4是成形系统的俯视图，在上支撑板7上开4个相同尺寸的圆孔26，在活动平板8上开4个相同尺寸的圆孔(图中未示出)，在满足承重条件的基础上最大限度的减轻机体的重量。

本发明的金属箔材气压微拉深成形方法分为以下步骤：

S1、接通电源，控制伺服电机1反转回到原点位置，至微成形模具27的凸模13与凹模14分离出一定空间，将试模材料放置在凹模14上的载物台15；

S2、控制伺服电机1正转下压微成形模具27至凸模13与凹模14刚好接触；

S3、控制伺服电机1正转加载一个行程步长，使凸模13下压，试模材料进行微拉深成形；

S4、控制压力系统，释放一定压力的气体用于退料；

S5、控制伺服电机1反转回到原点位置，观察试模材料的成形情况，若试模材料尚未成形，则继续增加成形行程的步长，直到试模材料完全成形。

进一步，装在凸模13里的压力传感器实时感应受力情况，通过桥盒传给数据采集仪，数据采集仪经过采集处理后输出给信号放大器，即可实时观察到成形过程的受力情况。本发明为单行程拉深变形，因此该操作方法可以调节控制较大的回程速度，以便提高试验效率。

进一步，上述方法是以常温试验为例，做高温对比试验时，可以选择直接加热气体的方法，也可以采用电热棒局部加热模具的方法进行温度控制，操作方法与上述方法相同。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于，其包括成形系统、压力系统和测控系统：

所述成形系统包括顺次连接的伺服电机(1)、减速机(2)、联轴器(3)、丝杠螺母组件(4)和微成形模具(27)，所述微成形模具(27)包括凸模(13)和凹模(14)，所述凸模(13)内部装有所述压力传感器和成形芯轴，所述凹模(14)内部有型腔、气体通道(16)和加热棒孔；

所述压力系统包括顺次连接的高压气瓶、开关阀、安全阀、减压阀、高压软管、不锈钢管和压力表；

所述测控系统包括测量单元和控制单元，所述测量单元包括顺次连接的压力传感器、数据采集仪和信号放大器，所述控制单元包括控制器、控制软件和控制开关，所述控制开关与控制器连接，所述控制器与所述成形系统的伺服电机(1)连接；

所述压力系统的压力表与所述气体通道(16)相连，使所述压力系统与所述微成形模具的凹模气体连通；所述测控系统用于凸模运动控制、凸模行程测量及调节、成形压力测量及脱模气体控制。

2.根据权利要求1所述的金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于：

所述成形系统还包括：上支撑板(7)、机架底板(9)、活动平板(8)、导柱组件、第一金属平台(10)和第二金属平台(11)；

所述伺服电机(1)连接所述减速机(2)，所述减速机(2)安装在第一金属平台(10)上，所述第一金属平台(10)安装在所述上支撑板(7)上，所述联轴器(3)与所述减速机(2)连接，安装在所述上支撑板(7)与所述第一金属平台(10)之间；

所述丝杠螺母组件(4)的丝杠(5)与所述联轴器(3)连接，所述丝杠螺母组件(4)的螺帽(6)安装在第二金属平台(11)上，所述第二金属平台(11)安装在所述活动平板(8)上，所述螺帽(6)带动所述活动平板(8)沿丝杠(5)上下运动；

所述导柱组件包括四根导柱(12)，所述导柱(12)下端与所述机架底板(9)连接，所述活动平板(8)沿所述导柱(12)上下滑动；

所述微成形模具(27)的凸模(13)安装在所述活动平板(8)上，沿所述丝杠(5)上下运动，所述微成形模具(27)的凹模(14)安装在所述机架底板(9)上，置于所述凸模(13)的正下方，所述凸模(13)与凹模(14)之间放置所述金属箔材。

3.根据权利要求2所述的金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于：

所述成形系统还包括：机架(19)、上限位器(17)、下限位器(18)和加热设备；

所述上限位器(17)和下限位器(18)安装在所述机架(19)侧壁上，分别位于所述活动平板(8)所能活动的上、下两个极限位置；

所述加热设备包括加热开关和加热棒，所述加热棒安装在所述加热棒孔中。

4.根据权利要求3所述的金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于：

在所述机架(19)的侧壁、所述上支撑板(7)和所述活动平板(8)开孔；

所述机架(19)的底部设置四个由相同的梯形块作边角的支撑腿(25)，所述梯形块上开有四个尺寸相同的地脚螺栓孔。

5.根据权利要求4所述的金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于：

所述信号放大器的数据可以通过USB接口导出。

6.根据权利要求5所述的金属箔材气压微拉深成形设备，其特征在于：

所述伺服电机(1)为永磁交流伺服电机，额定功率200W，额定转速3000r/min；

所述联轴器(3)为十字滑块联轴器；

所述丝杠螺母组件(4)为滚珠丝杠；

所述加热开关为红外温控感应器；

所述高压气瓶采用高压空气压缩机对高压存储气瓶充气，预存储气压为40MPa；

所述控制器为PLC控制器；

所述数据采集仪为单通道动态电阻应变仪；

所述信号放大器为无纸记录仪。

7.一种如上述权利要求1-6任一项所述的金属箔材气压微拉深成形方法，其特征在于，分为以下步骤：

S1、接通电源，控制伺服电机(1)反转回到原点位置，至微成形模具(27)的凸模(13)与凹模(14)分离出一定空间，将试模材料放置在所述凹模(14)上的载物台(15)；

S2、控制所述伺服电机(1)正转下压所述微成形模具(27)至凸模(13)与凹模(14)刚好接触；

S3、控制所述伺服电机(1)正转加载一个行程步长，使凸模(13)下压，试模材料进行微拉深成形；

S4、控制压力系统，释放一定压力的气体用于退料；

S5、控制伺服电机(1)反转回到原点位置，观察所述试模材料的成形情况，若所述试模材料尚未成形，则继续增加成形行程的步长，直到所述试模材料完全成形。