CN108405727A - 一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置及方法，它涉及一种微弯曲成形装置及方法。以解决现有微弯曲成形过程中，由于工件夹持困难，定位精度差，回弹量大且难以控制等造成的成形困难问题，它包括模具组件、加载装置、脉冲电源系统和控制系统，模具组件安装在加载装置内，脉冲电源系统与模具组件连接并向模具组件提供脉冲，加载装置和脉冲电源系统均与控制系统连接，通过控制系统对模具组件、加载装置和脉冲电源系统进行自动控制。微弯曲成形方法步骤：步骤一：微小工件的安装；步骤二：凸模与微小工件接触；步骤三：对微小工件的加载；步骤四：完成微小工件的微弯曲成形。本发明适合于常规微弯曲方法难成形或不能成形材料的微弯曲成形。

Description

一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微弯曲成形装置及方法，具体涉及一种脉冲电流辅助微弯曲成形装置及成形方法；属于机械制造及塑性微成形技术领域。

背景技术

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的快速发展和逐步进入实用化，对微型零件的需求日益增加，特别是应用到微电子领域微型薄板接插件、弹簧配件以及微小钳夹件等，其零件尺寸或特征尺寸在亚毫米或微米量级，属于介观尺度范畴，在微弯曲成形过程中产生了明显的力学性能尺度效应和回弹尺度效应，严重影响了微弯曲成形件几何精度。同时，由于尺度效应的存在，传统宏观弯曲成形模具设计方法和工艺规范难以通过相似性原理直接应用到金属薄板微弯曲成形工艺中，金属薄板微弯曲成形回弹与精度控制成为制约该类零件成形关键技术瓶颈。

发明内容

本发明是为解决现有微弯曲成形过程中，由于工件夹持困难，定位精度差，回弹量大且难以控制等造成的成形困难问题，进而提供一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置包括模具组件、加载装置、脉冲电源系统和控制系统，模具组件安装在加载装置内，脉冲电源系统与模具组件连接并向模具组件提供脉冲，加载装置和脉冲电源系统均与控制系统连接，通过控制系统对模具组件、加载装置和脉冲电源系统进行自动化控制。

进一步地，模具组件包括上模板、上绝缘板、铜电极、凸模、凹模、定位板、下绝缘板、下模板、导套和导柱；上模板的上部中心位置开孔并安装有模柄，模柄的上下两端分别与加载装置的压力机滑块和上模板相连；上绝缘板安装在上模板的下端，凸模通过铜电极安装在上绝缘板的下端；下模板安装在上模板的正下方，下模板与上模板之间通过导套和导柱连接，下绝缘板安装在下模板上，凹模安装在下绝缘板上，微小工件通过定位板安装在凹模上。

进一步地，加载装置包括压力机上板、压力机滑块、压力机导轨、压力机平台、压力传感器、位移传感器、压电陶瓷和增压传动装置；压力机上板、压力机滑块和压力机平台由上至下依次通过压力机导轨连接，模具组件安装在加载装置的压力机滑块和压力机平台之间；压力机上板和压力机滑块之间由上至下依次安装有增压传动装置和压电陶瓷，压力传感器安装在压力机滑块的压力采集点上，位移传感器安装在模柄2的位移采集点上。

进一步地，微小工件的材质为钛、镁、铝、铜的金属及其合金，或者不锈钢、镍基高温合金和高强度钢；微小工件为厚度t＝0.05-1mm的薄板。

进一步地，凸模与凹模采用部分接触的结构，凸模的顶端外形为半径为R的球状，合模后凸模与凹模接触部分的长度为R+(1.5-2)t，合模后凸模与凹模未接触部分之间的距离为(0.8-1)t。

进一步地，脉冲电源系统包括脉冲电流发生器、电源导线、电极接触装置和脉冲电流控制器；脉冲电流发生器的输出端通过电源导线分别与模具组件的铜电极和模具组件的凹模上的电极接触装置相连接，脉冲电流发生器的输入端与脉冲电流控制器的输出端连接，脉冲电流控制器将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器，脉冲电流发生器根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过凸模和凹模作用于微小工件。

进一步地，控制系统包括脉冲数据采集器、A/D转化器、微型计算机、D/A转化器、成形载荷控制器和陶瓷驱动器；脉冲数据采集器的一端与电源导线连接，脉冲数据采集器的另一端与微型计算机相连，脉冲数据采集器将采集到的脉冲参数数据输送至微型计算机进行实时显示；A/D转化器的输入端与压力传感器和位移传感器连接，A/D转化器的输出端连接至微型计算机，压力传感器和位移传感器将采集到信号传输给A/D转化器，A/D转化器将信号转化后输送至所述微型计算机进行实时显示；成形载荷控制器的输出端与陶瓷驱动器相连接，成形载荷控制器的输入端通过D/A转化器连接至微型计算机，陶瓷驱动器的输出端与压电陶瓷相连接。

进一步地，微型计算机通过D/A转化器将控制信号输送至成形载荷控制器，成形载荷控制器控制增压传动装置和压力机滑块向下运动，完成凸模进给；成形载荷控制器控制陶瓷驱动器通过压电陶瓷使凸模以微纳米级位移精度向下运动，完成凸模加载。

本发明还提供了一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形方法，它包括以下步骤：

步骤一：微小工件的安装

将微小工件用定位板和定位销进行固定、定位；

步骤二：凸模与微小工件接触

启动加载装置和控制系统，操作微型计算机控制成形载荷控制器，通过增压传动装置作用于压力机滑块使凸模匀速向下运动至与微小工件接触；

步骤三：对微小工件的加载

然后打开脉冲电源系统，根据所成形微小工件的材质、厚度和形状的不同，选择不同的脉冲电流参数并输入至脉冲电流控制器，脉冲电流控制器控制脉冲电流发生器将对应的脉冲电流通过凹模和凸模作用于微小工件，此时，采用压电陶瓷作为微驱动器使凸模向下运动完成对微小工件的加载；

步骤四：完成微小工件的微弯曲成形

完成微小工件的微弯曲成形后，切断脉冲电源系统，通过增压传动装置使凸模回程，松开定位销和定位板将弯曲件从凹模上取出，关闭加载装置和控制系统。

进一步地，步骤三中的脉冲电流参数为：其中，脉冲宽度10-500μs、频率100-6000Hz、电流密度幅值为30-1000A/mm²。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明利用电流通过凸模和凹模作用于坯料时产生的焦耳热作用对坯料弯曲部分进行快速局部加热，达到成形温度后进行快速的原位微弯曲成形，同时模具组件便于工件夹持和定位，有效避免了传统微塑性成形工艺中整体式加热热量在模具等部件损耗大的问题；

2、本发明在微弯曲成形过程中施加脉冲电流有助于减小成形缺陷的形成和尺度效应的影响，同时电流在一定程度上也会进一步提高材料的塑性变形能力；

3、本发明操作简单，应用范围广，易于改装，只要通过调整脉冲电流参数就可成形不同材质材料，也可通过更换凹模和凸模完成不同形状工件的微弯曲成形；

4本发明提出的光脉冲电流辅助微弯曲成形装置及方法降低了金属薄板室温微弯曲回弹尺度效应，实现了金属薄板微弯曲工艺几何精度控制。同时，解决了微小弯曲试样夹持困难和模具定位精度差的问题。

5、本发明适合于常规微弯曲方法难成形或不能成形材料的微弯曲成形，成本低廉，能耗低，可批量化生产。成本减少30％以上。

附图说明

图1是本发明脉冲电流辅助微弯曲成形装置结构示意图。

图2是本发明装置的凹模和凸模合模后的结构示意图

图3是本发明的电极接触装置的示意图；

图4是本发明装置的加载装置、脉冲电源系统和控制系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明进行详细说明。

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置包括模具组件、加载装置、脉冲电源系统和控制系统，模具组件安装在加载装置内，脉冲电源系统与模具组件连接并向模具组件提供脉冲，加载装置和脉冲电源系统均与控制系统连接，通过控制系统对模具组件、加载装置和脉冲电源系统进行自动化控制。

电流辅助成形指在塑性变形的同时对坯料施加连续电流或者脉冲电流的一种加工工艺。当前研究表明：在微成形过程中施加电流可以减小尺度效应的影响，针对微弯曲变形电流可使弯曲回弹减小甚至消失；通过控制电流流动方向，可实现对待成形坯料制定区域的局部加热，在缺陷控制方面具有较大的发展潜力；电流可能还会产生非热的电致塑性效应，会进一步提高材料的塑性变形能力。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的模具组件包括上模板4、上绝缘板6、铜电极7、凸模9、凹模13、定位板11、下绝缘板14、下模板16、导套8和导柱12；上模板4的上部中心位置开孔并安装有模柄2，模柄2的上下两端分别与加载装置的压力机滑块3和上模板4相连；上绝缘板6安装在上模板4的下端，凸模9通过铜电极7安装在上绝缘板6的下端；下模板16安装在上模板4的正下方，下模板16与上模板4之间通过导套8和导柱12连接，下绝缘板14安装在下模板16上，凹模13安装在下绝缘板14上，微小工件10通过定位板11安装在凹模13上。如此设置，能够为微小工件10提供工件夹持和定位，保证对微小工件的成形。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，本实施方式的加载装置包括压力机上板1、压力机滑块3、压力机导轨5、压力机平台15、压力传感器22、位移传感器21、压电陶瓷23和增压传动装置24；压力机上板1、压力机滑块3和压力机平台15由上至下依次通过压力机导轨5连接，模具组件安装在加载装置的压力机滑块3和压力机平台15之间；压力机上板1和压力机滑块3之间由上至下依次安装有增压传动装置24和压电陶瓷23，压力传感器22安装在压力机滑块3的压力采集点上，位移传感器21安装在模柄2的位移采集点上。如此设置，便于实现对模具组件的加载。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2说明本实施方式，本实施方式的微小工件10的材质为钛、镁、铝、铜的金属及其合金，或者不锈钢、镍基高温合金和高强度钢，微小工件10为厚度t＝0.05-1mm的薄板。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式凸模9与凹模13采用部分接触的结构，凸模9的顶端外形为半径为R的球状，合模后凸模9与凹模13接触部分的长度为R+(1.5-2)t，合模后凸模9与凹模13未接触部分之间的距离为(0.8-1)t。如此设置，便于对待成形坯料制定区域的局部快速加热，实现缺陷的有效控制。其它组成和连接关系与具体实施方式一至四任意一个实施方式相同。

具体实施方式六：结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的脉冲电源系统包括脉冲电流发生器17、电源导线19、电极接触装置20和脉冲电流控制器26；脉冲电流发生器17的输出端通过电源导线19分别与模具组件的铜电极7和模具组件的凹模13上的电极接触装置20相连接，脉冲电流发生器17的输入端与脉冲电流控制器26的输出端连接，脉冲电流控制器26将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器17，脉冲电流发生器17根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过凸模9和凹模13作用于微小工件10。如此设置，即可实现脉冲电源系统的实时控制。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五任意一个实施方式相同。

具体实施方式七：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的控制系统包括脉冲数据采集器25、A/D转化器27、微型计算机28、D/A转化器29、成形载荷控制器30和陶瓷驱动器31；脉冲数据采集器25的一端与电源导线19连接，脉冲数据采集器25的另一端与微型计算机28相连，脉冲数据采集器25将采集到的脉冲参数数据输送至微型计算机28进行实时显示；A/D转化器27的输入端与压力传感器22和位移传感器21连接，A/D转化器27的输出端连接至微型计算机28，压力传感器22和位移传感器21将采集到信号传输给A/D转化器27，A/D转化器27将信号转化后输送至所述微型计算机28进行实时显示；成形载荷控制器30的输出端与陶瓷驱动器31相连接，成形载荷控制器30的输入端通过D/A转化器29连接至微型计算机28，陶瓷驱动器31的输出端与压电陶瓷23相连接。如此设置，便于微弯曲成形过程的自动化控制。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六任意一个实施方式相同。

具体实施方式八：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的微型计算机28通过D/A转化器29将控制信号输送至成形载荷控制器30，成形载荷控制器30控制增压传动装置24和压力机滑块3向下运动，完成凸模9进给；成形载荷控制器30控制陶瓷驱动器31通过压电陶瓷23使凸模9以微纳米级位移精度向下运动，完成凸模9加载。如此设置，能够保证凸模移动的位移精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七任意一个实施方式相同。

结合图1说明，上述任意一个实施方式的电流辅助微弯曲成形装置各部件采用螺栓固定均满足绝缘需要。如此设置，出于人员设备安全及电流作用部位的考虑。

结合图1至图4说明，上述任意一个实施方式可以通过调整脉冲电流参数以满足不同材质材料的微弯曲成形，并相应通过改变凸模9和凹模13的形状满足不同形状的微弯曲成形。如此设置，利于装置应用方向的拓展及设备改装需要。如钛合金微弯曲成形时须将电流频率和电流密度幅值调整至高数量值。又如通过将凹模13和凸模9分别更改成U型槽和U型压头即可实施薄板U微弯曲成形。通过将凹模13和凸模9分别更改成V型槽和V型压头(凸模9顶端外形为半径为R的球状)即可实施薄板V微弯曲成形。

上述方式中优选地是：压力机为深圳三思纵横科技股份有限公司SUNS-UTM6104(10kN),增压传动装置24、成形载荷控制器30由压力机配备。脉冲电流发生器17为上海翼升电子科技有限公司YS9000DD系列高频脉冲电源，脉冲数据采集器25、脉冲电流控制器26集成在YS9000DD高频脉冲电源的控制箱上。其他组件优选型号与规格：压力传感器22(上海力恒LH-S05)、位移传感器21(斯铭威SMW-WYDC)、陶瓷驱动器31(哈尔滨芯明天E00.D3)、A/D转化器27(Linear LTC2191)、D/A转化器29(Linear LTC2757A)。

具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形方法，它包括以下步骤：

步骤一：微小工件10的安装

将微小工件10用定位板11和定位销18进行固定、定位；

步骤二：凸模9与微小工件10接触

启动加载装置和控制系统，操作微型计算机28控制成形载荷控制器30，通过增压传动装置24作用于压力机滑块3使凸模9匀速向下运动至与微小工件10接触；

步骤三：对微小工件10的加载

然后打开脉冲电源系统，根据所成形微小工件10的材质、厚度和形状的不同，选择不同的脉冲电流参数并输入至脉冲电流控制器26，脉冲电流控制器26控制脉冲电流发生器17将对应的脉冲电流通过凹模13和凸模9作用于微小工件10，此时，采用压电陶瓷23作为微驱动器使凸模9向下运动完成对微小工件10的加载；

步骤四：完成微小工件10的微弯曲成形

完成微小工件10的微弯曲成形后，切断脉冲电源系统，通过增压传动装置24使凸模9回程，松开定位销18和定位板11将弯曲件从凹模13上取出，关闭加载装置和控制系统。

具体实施方式十：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的步骤三中的脉冲电流参数为：其中，脉冲宽度10-500μs、频率100-6000Hz、电流密度幅值为30-1000A/mm²。如此设置，即可根据金属薄板材质与厚度不同选择不同的脉冲电流参数。

例如，微小工件10材质为TC4钛合金，厚度为h＝0.2mm的薄板，凸模9的顶端半径R为1mm，选用脉冲电流参数为脉冲宽度80μs、频率200Hz、电流密度幅值60A/mm²、脉冲作用时间10s，相比无脉冲作用，脉冲电流辅助下获得的微弯曲件回弹减小35％以上。

其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。

本发明的脉冲电流通过凹模和凸模作用于微小工件，利用脉冲电流的电致塑性效应，使坯料快速达到变形所需的条件；将脉冲电源系统、加载装置和微弯曲成形组件相结合，通过使用压电陶瓷实现凸模对坯料的加载，通过脉冲电源系统实现不同参数脉冲对坯料的作用，完成微小工件的微弯曲成形。本发明的方法适合于常规微弯曲方法难成形或不能成形材料的微弯曲成形，可显著提高坯料的成形效率、增加材料塑性。

Claims (10)

1.一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：它包括模具组件、加载装置、脉冲电源系统和控制系统，模具组件安装在加载装置内，脉冲电源系统与模具组件连接并向模具组件提供脉冲，加载装置和脉冲电源系统均与控制系统连接，通过控制系统对模具组件、加载装置和脉冲电源系统进行自动控制。

2.根据权利要求1所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：模具组件包括上模板(4)、上绝缘板(6)、铜电极(7)、凸模(9)、凹模(13)、定位板(11)、下绝缘板(14)、下模板(16)、导套(8)和导柱(12)；

上模板(4)的上部中心位置开孔并安装有模柄(2)，模柄(2)的上下两端分别与加载装置的压力机滑块(3)和上模板(4)相连；上绝缘板(6)安装在上模板(4)的下端，凸模(9)通过铜电极(7)安装在上绝缘板(6)的下端；

下模板(16)安装在上模板(4)的正下方，下模板(16)与上模板(4)之间通过导套(8)和导柱(12)连接，下绝缘板(14)安装在下模板(16)上，凹模(13)安装在下绝缘板(14)上，微小工件(10)通过定位板(11)安装在凹模(13)上。

3.根据权利要求2所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：加载装置包括压力机上板(1)、压力机滑块(3)、压力机导轨(5)、压力机平台(15)、压力传感器(21)、位移传感器(22)、压电陶瓷(23)和增压传动装置(24)；

压力机上板(1)、压力机滑块(3)和压力机平台(15)由上至下依次通过压力机导轨(5)连接，模具组件安装在加载装置的压力机滑块(3)和压力机平台(15)之间；

压力机上板(1)和压力机滑块(3)之间由上至下依次安装有增压传动装置(24)和压电陶瓷(23)，压力传感器(22)安装在压力机滑块(3)的压力采集点上，位移传感器(21)安装在模柄(2)的位移采集点上。

4.根据权利要求3所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：微小工件(10)的材质为钛、镁、铝、铜的金属及其合金，或者不锈钢、镍基高温合金和高强度钢，微小工件(10)的厚度(t)＝0.05-1mm的薄板。

5.根据权利要求4所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：凸模(9)与凹模(13)采用部分接触的结构，凸模(9)的顶端外形为半径为R的球状，合模后凸模(9)与凹模(13)接触部分的长度为R+(1.5-2)t，合模后凸模(9)与凹模(13)未接触部分之间的距离为(0.8-1)t。

6.根据权利要求5所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：脉冲电源系统包括脉冲电流发生器(17)、电源导线(19)、电极接触装置(20)和脉冲电流控制器(26)；

脉冲电流发生器(17)的输出端通过电源导线(19)分别与铜电极(7)和凹模(13)上的电极接触装置(20)相连接，脉冲电流发生器(17)的输入端与脉冲电流控制器(26)的输出端连接，脉冲电流控制器(26)将设定的程序化脉冲电流参数信号发送至脉冲电流发生器(17)，脉冲电流发生器(17)根据接收到的脉冲电流控制信号输出相应的脉冲电流，脉冲电流通过凸模(9)和凹模(13)作用于微小工件(10)。

7.根据权利要求6所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：控制系统包括脉冲数据采集器(25)、A/D转化器(27)、微型计算机(28)、D/A转化器(29)、成形载荷控制器(30)和陶瓷驱动器(31)；

脉冲数据采集器(25)的一端与电源导线(19)连接，脉冲数据采集器(25)的另一端与微型计算机(28)相连，脉冲数据采集器(25)将采集到的脉冲参数数据输送至微型计算机(28)进行实时显示；

A/D转化器(27)的输入端与压力传感器(22)和位移传感器(21)连接，A/D转化器(27)的输出端连接至微型计算机(28)，压力传感器(22)和位移传感器(21)将采集到信号传输给A/D转化器(27)，A/D转化器(27)将信号转化后输送至所述微型计算机(28)进行实时显示；

成形载荷控制器(30)的输出端与陶瓷驱动器(31)相连接，成形载荷控制器(30)的输入端通过D/A转化器(29)连接至微型计算机(28)，陶瓷驱动器(31)的输出端与压电陶瓷(23)相连接。

8.根据权利要求7所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置，其特征在于：微型计算机(28)通过D/A转化器(29)将控制信号输送至成形载荷控制器(30)，成形载荷控制器(30)控制增压传动装置(24)和压力机滑块(3)向下运动，完成凸模(9)进给；

成形载荷控制器(30)控制陶瓷驱动器(31)通过压电陶瓷(23)使凸模(9)以微纳米级位移精度向下运动，完成凸模(9)加载。

9.一种使用权利要求1-8任意一项权利要求所述金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形装置的成形方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：微小工件(10)的安装

将微小工件(10)用定位板(11)和定位销(18)进行固定、定位；

步骤二：凸模(9)与微小工件(10)接触

启动加载装置和控制系统，操作微型计算机(28)控制成形载荷控制器(30)，通过增压传动装置(24)作用于压力机滑块(3)使凸模(9)匀速向下运动至与微小工件(10)接触；

步骤三：对微小工件(10)的加载

然后打开脉冲电源系统，根据所成形微小工件(10)的材质、厚度和形状的不同，选择不同的脉冲电流参数并输入至脉冲电流控制器(26)，脉冲电流控制器(26)控制脉冲电流发生器(17)将对应的脉冲电流通过凹模(13)和凸模(9)作用于微小工件(10)，此时，采用压电陶瓷(23)作为微驱动器使凸模(9)向下运动完成对微小工件(10)的加载；

步骤四：完成微小工件(10)的微弯曲成形

完成微小工件(10)的微弯曲成形后，切断脉冲电源系统，通过增压传动装置(24)使凸模(9)回程，松开定位销(18)和定位板(11)将弯曲件从凹模(13)上取出，关闭加载装置和控制系统。

10.根据权利要求9所述一种金属薄板脉冲电流辅助微弯曲成形方法，其特征在于：步骤三中的脉冲电流参数为：其中，脉冲宽度10-500μs、频率100-6000Hz、电流密度幅值为30-1000A/mm²。