CN107552981B - 一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的方法和装置。由高功率密度、纳秒级的短脉冲的激光辐照在吸收层诱导的激光冲击波，不仅作为冲裁工具，同时作为压边力作用于金属薄膜，实现了微零件的零间隙高精度冲裁；弹簧处于完全展开状态时，顶块的下端面与压块的上端面之间存在距离t，顶块的凹槽面与推拉式电磁铁的上端面之间存在间隙t3，金属薄膜厚度为t2，带料的厚度为t1，设定t2<t<t1且t<t3，可以保证在冲裁结束之后微零件已经与金属薄膜分离，但是受到激光冲击波作用部分的吸收层仍然未与带料分离，从而使微零件在冲裁结束后继续粘结在带料上，在传送机构的作用下，可实现微零件的连续冲裁。
Description
技术领域
本发明涉及微制造领域，具体地是指一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的方法和装置。
背景技术
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，是在微电子技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。其中微零件是MEMS的核心，为了确保MEMS系统的高可靠性和高精度，需要组成系统的各种微零件具有力学性能好、形状和尺寸精度高等特点并且在工业应用中，微零件需要实现大批量连续生产。
中国专利ZL201010505882.9提出了一种利用激光冲击波加载飞片之后间接冲击工件材料的方法。激光冲击后飞片获得能量向下运动，在型腔内运动一段时间与工件发生碰撞，此时获得最大速度，当碰撞压力超过材料的动态屈服强度时放于模具上的工件发生微变形。但是该方法只能造成零件的微变形并不能实现生产中常需要的冲断，并且较难实现微零件的连续加工过程。中国专利ZL201510048737.5提出来一种基于激光冲击波的微冲裁装置，金属薄膜上依次放置吸收层，掩膜和水膜，掩膜孔与凹模镶块的切断模孔形状类似，激光束透过水膜分别辐照在掩膜和吸收层上，在特定轮廓冲击波和凹模镶块的切断模孔作用下，金属薄膜和顶块同时向下运动，金属薄膜被切断，同时获得一个具有特定形状的平整的微零件，但是该发明不能实现对微零件的连续冲裁。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提供了一种微零件连续冲裁的方法和装置，在冲裁过程中，可以通过控制顶块与压块之间的距离介于金属薄膜厚度和吸收层、胶水、金属薄膜整体总厚度之间，实现一次冲裁之后微零件与金属薄膜分离，但吸收层没有断裂，并且微零件仍然与吸收层粘结，从而实现连续冲裁。具体技术方案如下：
一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的方法，包括以下步骤：
步骤一，利用传送机构将通过胶水粘结在一起的吸收层和金属薄膜的带料整体传送至工作位置，然后利用压轮装置将吸收层和金属薄膜压紧在凹模的上表面；
步骤二，高能脉冲激光透过水膜辐照在吸收层上，产生等离子爆炸，利用等离子体爆炸产生的冲击波作用于金属薄膜，在凹模的刃口以及顶块的共同作用下，金属薄膜与顶块的接触区域继续往下方运动直至弹簧被压缩至最低点，此时金属薄膜完全分离，获得特定形状的微零件；
步骤三，激光冲击波作用结束后，推拉式电磁铁的螺线管通电产生磁力，带动推杆向上运动，从而推动顶块复位，将微零件刚好顶出凹模，微零件通过胶水仍粘结在吸收层上，同时弹簧复位；
步骤四，顶块复位后，将推拉式电磁铁的螺线管断电，推拉式电磁铁上表面向下复位，送料机构(12)将通过胶水仍然粘在吸收层上的微零件带离工作位置，同时送料机构将带料传送到下一个工位；
步骤五，重复步骤二至步骤四，直到整个带料完全处理完成；
步骤六，将处理完毕的带料放在丙酮溶液中进行超声清洗，丙酮使胶水失去粘性，从而使粘在吸收层上的微零件和吸收层分离，获得微零件。
实施连续冲裁方法的装置，其特征在于，吸收层覆盖在金属薄膜上，吸收层和金属薄膜之间用胶水粘接；由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料覆盖在凹模上，金属薄膜的下表面与凹模的上表面接触；水膜覆盖在吸收层的上表面；激光束透过水膜辐照在吸收层的上表面；顶块通过圆柱形配合面与凹模的圆柱形配合面安装在凹模内，顶块处于上极限位置时，顶块的上表面与凹模的上表面对齐；弹簧安装在顶块的凹槽面与推拉式电磁铁之间；压块的外圆柱面通过外螺纹与凹模的下内圆柱面的内螺纹配合安装在凹模内；推拉式电磁铁包括推杆、衔铁、螺线管、轭铁，推杆从弹簧中间穿过，衔铁由永磁铁构成，衔铁上端与推杆固定连接，下端与螺线管内部活动配合，螺线管固定在轭铁内；推拉式电磁铁的下端面通过螺栓联接固定于凹模的下端面；弹簧处于完全展开状态时，顶块下端面与压块的上端面之间存在距离t，顶块的凹槽面与推拉式电磁铁的上表面之间存在间隙t3，金属薄膜厚度为t2，带料的厚度为t1，设定t2<t<t1且t<t3，垫片安装在压块的调节面与凹模的调节面之间；激光束正对凹模的刃口；压轮装置的一对压轮将由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料压紧在凹模上表面；由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料安装在送料机构上；激光束的直径d大于凹模刃口最大径向尺寸d1的3倍，即d>3*d1。
所述的激光束为聚焦后的脉冲激光束，其光源为钕玻璃-YAG激光器，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-100J，激光束的光斑直径为2～4mm；
所述的水膜厚度为0.8～1mm；
所述的吸收层的材质为黑漆，厚度为50～200μm；
所述的胶水的厚度为5～10μm；
所述的金属薄膜的厚度为10-150μm；
所述的弹簧能提供的预紧力范围为0.1～2N；
所述的推拉式电磁铁的下端面与凹模的下端面在同一平面内。
本发明的原理为：由吸收层、胶水、和金属薄膜组成薄膜的带料安装在传送机构上，并用压轮压紧在凹模表面；聚焦后的高功率密度、短脉冲的激光透过水膜辐照在吸收层表面时，吸收层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属薄膜表面，该冲击波的压力远大于顶块提供的向上的支持力，金属薄膜和顶块同时向下运动压缩弹簧直至到达最低点；弹簧处于完全展开状态时，顶块的下端面与压块的上端面之间存在距离t，顶块的凹槽面与推拉式电磁铁的上端面之间存在间隙t3，金属薄膜厚度为t2，带料的厚度为t1，由于t2<t<t1且t<t3，可以保证在冲裁结束之后微零件已经与金属薄膜分离，但是受到激光冲击波作用部分的吸收层仍然未与带料分离，从而使微零件在冲裁结束后继续粘结在带料上；同时，激光冲击波作用于冲裁区域时，在冲裁区域外面的部分也受到激光冲击波的作用，该冲击波提供了一个与冲裁微零件外形完全契合的压紧力，由于激光束的直径d大于凹模刃口最大径向尺寸d1的3倍，也就是d>3*d1，保证了在微冲裁过程中压紧力的可靠性；激光冲击波作用结束后，推拉式电磁铁的螺线管通电产生磁力，带动推杆向上运动，从而推动顶块复位，将微零件刚好顶出凹模，同时弹簧复位；顶块复位后，将推拉式电磁铁的螺线管断电，之后利用传送机构将带料和微零件整体运离工作位置，并移动到下一个工作位置进行下一次冲裁，实现微零件的连续冲裁，直至整个带料冲裁完毕，之后将冲裁完毕的带料放置于在丙酮溶液中进行超声清洗，使所有微零件与带料分离。
实施本发明的有益效果为：在微零件向下运动时，由于顶块的支撑作用，保证微冲裁可以获得平整的微零件；由于激光束的直径d大于凹模刃口最大径向尺寸d1的3倍，由等离子爆炸的激光冲击波一部分用来冲裁微零件，另一部分作为可靠的压边力使用，实现了微零件的零间隙冲裁，可大幅度提高微零件的冲裁精度；弹簧处于完全展开状态时，顶块的下端面与压块的上端面之间存在距离t，顶块的凹槽面与推拉式电磁铁的上端面之间存在间隙t3，金属薄膜厚度为t2，带料的厚度为t1，由于t2<t<t1且t<t3，可以保证在冲裁结束之后微零件已经与金属薄膜分离，但是受到激光冲击波作用部分的吸收层仍然未与带料分离，从而使微零件在冲裁结束后继续粘结在带料上，并通过传送机构实现连续冲裁；调节垫片的厚度，可以用来调节顶块和压块之间的距离t，从而使本发明适合不同厚度的微零件的冲裁；推拉式电磁铁的使用解决了弹簧回复力不足的问题，可以实现将顶块可靠复位。
附图说明
图1：微零件连续冲裁的方法和装置。
图中包括，1激光束、2水膜、3吸收层、4胶水、5金属薄膜、6顶块、7弹簧、8垫片、9压块、10凹模、11推拉式电磁铁、12传送机构、13压轮。
图2：顶块示意图。
图中包括，61上表面、62圆柱形配合面、63凹槽面、64下端面。
图3：压块示意图。
图中包括，91上表面、92调节面、93外圆柱面。
图4：凹模示意图。
图中包括，101上表面、102圆柱形配合面、103调节面、104下内圆柱面、105下端面、106刃口。
图5：推拉式电磁铁示意图。
图中包括：111上表面、112推杆、113衔铁、114螺线管、115轭铁、116下端面。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的方法和装置进行详细说明。
本发明的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，包括激光束1、水膜2、吸收层3、胶水4、金属薄膜5、顶块6、弹簧7、垫片8、压块9、凹模10、推拉式电磁铁11、传送机构12、压轮13；具体动作过程如下：由吸收层3、胶水4、和金属薄膜5组成薄膜的带料安装在传送机构12上，并用压轮13压紧在凹模10表面；激光束1透过水膜2辐照在吸收层3表面时，吸收层3吸收激光束1的能量在水膜2的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，金属薄膜5和顶块6同时向下运动压缩弹簧7直至到达最低点；弹簧7处于完全展开状态时，顶块6的下端面64与压块9的上端面91之间存在距离t，顶块6的凹槽面63与推拉式电磁铁11的上端面111之间存在间隙t3，金属薄膜5厚度为t2，带料的厚度为t1，由于t2<t<t1且t<t3，可以保证在冲裁结束之后微零件已经与金属薄膜5分离，但是受到激光冲击波作用部分的吸收层3仍然未与带料分离，从而使微零件在冲裁结束后继续粘结在带料上；同时在冲裁区域外面的部分也受到激光冲击波的作用，该冲击波提供了一个与冲裁微零件外形完全契合的压紧力，由于激光束1的直径d大于凹模10刃口最大径向尺寸d1的3倍，保证了在微冲裁过程中压紧力的可靠性；推拉式电磁铁11通电产生磁力推动顶块6复位，将微零件刚好顶出凹模10，同时弹簧7复位；顶块6复位后，将推拉式电磁铁11断电，送料机构12将通过胶水4仍然粘在吸收层3上的微零件带离工作位置，同时送料机构12将带料传送到下一个工位进行下一次冲裁，如此重复直到整个带料冲裁完毕；之后将冲裁完毕的带料放置于在丙酮溶液中进行超声清洗，使所有微零件与带料分离，获得批量微零件。
实施实例一：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，脉冲能量5J，聚焦后光斑直径为2mm；吸收层3为厚度为100μm的黑色聚酯胶带；金属薄膜5为A304不锈钢薄膜，厚度为60μm；胶水4厚度为10μm；顶块6的材质为20Cr钢，顶块6下表面与压块9上表面的距离为80μm；弹簧7提供的预紧力为1.2N；垫片8的厚度为75μm；压块9的材质为20Cr钢；凹模10的材质为T7钢，刃口的形状为圆形，直径为200μm。
采用本发明的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置进行冲裁后，成功地制备出了大批量的A304不锈钢厚度为60μm，直径为200μm圆形微零件。
实施实例二：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，脉冲能量5J，聚焦后光斑直径为3mm；吸收层3为厚度为150μm的黑色聚酯胶带；金属薄膜5为H62黄铜薄膜，厚度为100μm；胶水4厚度为10μm；顶块6的材质为20Cr钢，顶块6下表面与压块9上表面的距离为120μm；弹簧7提供的预紧力为1.2N；垫片8的厚度为115μm；压块9的材质为20Cr钢；凹模10的材质为T7钢，刃口的形状为齿轮，外径为1mm。
采用本发明的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置进行冲裁后，成功地制备出了大批量的H62黄铜外径为1mm，厚度为100μm的微齿轮。
实施实例三：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，脉冲能量5J，聚焦后光斑直径为4mm；吸收层3为厚度为200μm的黑色聚酯胶带；金属薄膜5为T2紫铜薄膜，厚度为150μm；胶水4厚度为10μm；顶块6的材质为20Cr钢，顶块6下表面与压块9上表面的距离为170μm；弹簧7提供的预紧力为1.2N；垫片8的厚度为165μm；压块9的材质为20Cr钢；凹模10的材质为T7钢，刃口形状为边长为300μm的正方形。
采用本发明的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置进行冲裁后，成功地制备出了大批量的边长为300μm，厚度为150μm的T2紫铜正方形微零件。
Claims (7)
1.一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：所述装置包括激光束、水膜、吸收层、胶水、金属薄膜、顶块、弹簧、垫片、压块、凹模、推拉式电磁铁、传送机构和压轮；吸收层覆盖在金属薄膜上，吸收层和金属薄膜之间用胶水粘接；由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料覆盖在凹模上，金属薄膜的下表面与凹模的上表面接触；水膜覆盖在吸收层的上表面；激光束透过水膜辐照在吸收层的上表面；顶块通过圆柱形配合面与凹模的圆柱形配合面安装在凹模内，顶块处于上极限位置时，顶块的上表面与凹模的上表面对齐；弹簧安装在顶块的凹槽面与推拉式电磁铁之间；压块的外圆柱面通过外螺纹与凹模的下内圆柱面的内螺纹配合安装在凹模内；推拉式电磁铁包括推杆、衔铁、螺线管、轭铁，推杆从弹簧中间穿过，衔铁由永磁铁构成，衔铁上端与推杆固定连接，下端与螺线管内部活动配合，螺线管固定在轭铁内；推拉式电磁铁的下端面通过螺栓联接固定于凹模的下端面；弹簧处于完全展开状态时，顶块下端面与压块的上端面之间存在距离t，顶块的凹槽面与推拉式电磁铁的上表面之间存在间隙t3，金属薄膜厚度为t2，带料的厚度为t1，设定t2<t<t1且t<t3，垫片安装在压块的调节面与凹模的调节面之间；激光束正对凹模的刃口；压轮装置的一对压轮将由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料压紧在凹模上表面；由吸收层、胶水和金属薄膜组成的带料安装在传送机构上。
2.如权利要求1所述的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：激光束的直径d大于凹模刃口最大径向尺寸d1的3倍，即d>3*d1。
3.如权利要求1所述的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：所述的激光束为聚焦后的脉冲激光束，其光源为钕玻璃-YAG激光器，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-100J，激光束的光斑直径为2～4mm。
4.如权利要求1所述的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：所述的水膜厚度为0.8～1mm；所述的吸收层的材质为黑漆，厚度为50～200μm；所述的胶水的厚度为5～10μm；所述的金属薄膜的厚度为10-150μm。
5.如权利要求1所述的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：所述的弹簧能提供的预紧力范围为0.1～2N。
6.如权利要求1所述的一种电磁铁辅助的微零件连续冲裁的装置，其特征在于：所述的推拉式电磁铁的下端面与凹模的下端面在同一平面内。
7.利用如权利要求1所述装置实施微零件连续冲裁的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，利用传送机构将通过胶水粘结在一起的吸收层和金属薄膜的带料整体传送至工作位置，然后利用压轮装置将吸收层和金属薄膜压紧在凹模的上表面；
步骤二，高能脉冲激光透过水膜辐照在吸收层上，产生等离子体爆炸，利用等离子体爆炸产生的冲击波作用于金属薄膜，在凹模的刃口以及顶块的共同作用下，金属薄膜与顶块的接触区域继续往下方运动直至弹簧被压缩至最低点，此时金属薄膜完全分离，获得特定形状的微零件；
步骤三，激光冲击波作用结束后，推拉式电磁铁的螺线管通电产生磁力，带动推杆向上运动，从而推动顶块复位，将微零件刚好顶出凹模，微零件通过胶水仍粘结在吸收层上，同时弹簧复位；
步骤四，顶块复位后，将推拉式电磁铁的螺线管断电，推拉式电磁铁上表面向下复位，传送机构将通过胶水仍然粘在吸收层上的微零件带离工作位置，同时传送机构将带料传送到下一个工位；
步骤五，重复步骤二至步骤四，直到整个带料完全处理完成；
步骤六，将处理完毕的带料放在丙酮溶液中进行超声清洗，丙酮使胶水失去粘性，从而使粘在吸收层上的微零件和吸收层分离，获得微零件。
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2017
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