CN110802147B - 阵列微结构增量辊压成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列微结构增量辊压成形装置及方法，包括用以放置待成形目标件的工作台、用以给所述待成形目标件施加作用力以使其成形的工作辊、及用以驱动所述工作辊、以改变所述工作辊与所述待成形目标件的相对位置的驱动机构，所述工作辊朝向所述待成形目标件的一面设置有若干个微结构，所述微结构的高度依次递增或递减。通过在工作辊上设置有若干个微结构，微结构的高度依次递增或递减，以使得工作辊在与待成形目标件接触时，微结构逐个与待成型目标件接触，使得待成型目标件的局部一次成形时的塑性变形量较小，因而变形抗力较小，能够在较小的力条件下实现高深宽比、大面积阵列微结构的制备。

Description

阵列微结构增量辊压成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种阵列微结构增量辊压成形装置及方法，属于表面微结构低成本精密制造技术领域。

背景技术

大面积阵列微结构在传热、传质以及表面功能等方面具有特殊的性能，受到国内外学者和工业界人士的高度关注。比如，表面微沟槽等结构能够限制亚音速飞机壁面低速区小涡流生成和猝发的相关雷诺应力，从而降低摩擦阻力，并且该方法简单易行、不需额外增加重量，成为航空器减阻的主要途径之一。表面微结构主要采用刻蚀、压印、高能束以及机械去除加工等工艺方法制备，但存在效率低、成本高等不足。因而，近年来基于压印技术提出了表面微结构辊压成形工艺，具有连续生产、效率高、成本低等优势，受到国内外工业届人士的高度重视，并在手机屏幕表面微结构聚合物板导光板等制造领域获得了很好的应用。然而，在金属表面微结构制造时，由于金属材料变形抗力大，微结构辊必须采用高强度材料如热处理强化的合金钢，加工非常困难、成本高，大面阵列微结构辊加工更加困难，因此显著降低了加工难度；另一方面，大面积金属表面微结构辊压成形时，所需的成形力很大，尤其是一些难变形材料时，对设备等提出了更高要求。比如，辊会产生弯曲变形，板中心部分的微结构成形深度较小。传统的薄板成形时，一般通过增加支撑辊来减小工作辊的弯曲变形。但两者辊之间需要刚性接触，提高很大的支撑力，不适于微结构辊支撑，因为会破坏辊表面的微结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列微结构增量辊压成形装置及方法，其可显著降低成形力，提高成形微结构的高宽比。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种阵列微结构增量辊压成形装置，包括用以放置待成形目标件的工作台、用以给所述待成形目标件施加作用力以使其成形的工作辊、及用以驱动所述工作辊、以改变所述工作辊与所述待成形目标件的相对位置的驱动机构，所述工作辊朝向所述待成形目标件的一面设置有若干个微结构，所述微结构的高度依次递增或递减。

进一步地，每相邻两个所述微结构之间的高度差相同，每相邻两个所述微结构之间的间距相等。

进一步地，所述微结构为不平整面，所述不平整面为波浪形面、弧形面、斜坡形面及楔形面中的任一种。

进一步地，若干个所述微结构的纵长长度小于所述工作辊的纵长长度。

进一步地，所述工作辊具有用以约束所述待成形目标件的边缘部，所述边缘部的纵长长度范围为2-10mm。

进一步地，所述驱动机构包括与所述工作辊连接的高度调节组件、与所述高度调节组件连接的纵向调节组件及与所述纵向调节组件连接的横向调节组件。

进一步地，所述高度调节组件包括第一电机及用以将所述第一电机的旋转运动转换为直线运动的第一丝杠；所述纵向调节组件包括与所述第一电机连接的第一滑块、与所述第一滑块滑动配合的第一滑轨、用以驱动所述第一滑块沿所述第一滑轨滑动的第二电机及用以连接所述第二电机及第一滑块的第二丝杠；所述横向调节组件包括与所述第二电机连接的第二滑块、与所述第二滑块滑动配合的第二滑轨、用以驱动所述第二滑块沿所述第二滑轨滑动的第三电机及用以连接所述第三电机及第二滑块的第三丝杠，其中，所述第二滑轨与所述第一滑轨垂直设置。

进一步地，所述阵列微结构增量辊压成形装置还包括至少一个用以连接所述驱动机构与工作辊、以给所述工作辊刚性支撑力的支撑辊。

本发明还提供了一种阵列微结构增量辊压成形方法，采用如上所述的阵列微结构增量辊压成形装置，包括如下步骤：

启动所述驱动机构，驱动机构驱动所述工作辊位于所述待成形目标件的一侧，此时，于所述阵列微结构增量辊压成形装置的高度方向上，高度最小的所述微结构靠近所述待成形目标件设置；

所述驱动机构驱动所述工作辊移动，所述工作辊的移动方向与若干个所述微结构的高度递减方向相同；

所述驱动机构驱动所述工作辊从所述待成形目标件的一侧移动至另一侧，此时，于所述阵列微结构增量辊压成形装置的高度方向上，高度最大的所述微结构靠近所述待成形目标件设置。

进一步地，所述方法还包括如下步骤：

当高度最小的所述微结构靠近所述待成形目标件设置时，高度最小的所述微结构的最低点低于所述待成形目标件的上表面。

本发明的有益效果在于：通过在工作辊上设置有若干个微结构，微结构的高度依次递增或递减，以使得工作辊在与待成形目标件接触时，微结构逐个与待成型目标件接触，使得待成型目标件的局部一次成形时的塑性变形量较小，因而变形抗力较小，能够在较小的力条件下实现高深宽比、大面积阵列微结构的制备。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的阵列微结构增量辊压成形装置的结构示意图。

图2为图1的部分结构示意图。

图3为图1的工作状态示意图。

图4为图1的另一工作状态示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1至图4，本发明的一较佳实施例中的一种阵列微结构31增量辊压成形装置，包括用以放置待成形目标件2的工作台1、用以给所述待成形目标件2施加作用力以使其成形的工作辊3、及用以驱动所述工作辊3、以改变所述工作辊3与所述待成形目标件2的相对位置的驱动机构5，在本实施例中，所述待成形目标件2为金属薄板。诚然，在其他实施例中，所述待成形目标件2也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。其中，工作辊3的纵长长度较短，只需对工作辊3施加较小的力，即可在金属薄板上成形微结构，方便快捷。

所述驱动机构5包括与所述工作辊3连接的高度调节组件51、与所述高度调节组件51连接的纵向调节组件及与所述纵向调节组件连接的横向调节组件52，即所述驱动机构5能够调节所述工作辊3在X轴、Y轴及Z轴方向上移动。其中，所述高度调节组件51包括第一电机511及用以将所述第一电机511的旋转运动转换为直线运动的第一丝杠512；所述纵向调节组件包括与所述第一电机511连接的第一滑块、与所述第一滑块滑动配合的第一滑轨、用以驱动所述第一滑块沿所述第一滑轨滑动的第二电机及用以连接所述第二电机及第一滑块的第二丝杠；所述横向调节组件52包括与所述第二电机连接的第二滑块、与所述第二滑块滑动配合的第二滑轨、用以驱动所述第二滑块沿所述第二滑轨滑动的第三电机521及用以连接所述第三电机521及第二滑块的第三丝杠522，其中，所述第二滑轨与所述第一滑轨垂直设置。所述驱动机构5为常规结构，在其他实施例中，其也可为其他形式，例如齿轮齿条与电机等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

所述阵列微结构31增量辊压成形装置还包括至少一个用以连接所述驱动机构5与工作辊3、以给所述工作辊3刚性支撑力的支撑辊4，设置有支撑辊4的目的在于：工作辊3在给金属薄板施加力的同时，金属薄板会给工作辊3施加反作用力，工作辊3在反作用力下发生弯曲，使得金属薄板的中间位置及两侧位置的变形量不一致。支撑辊4与工作辊3紧密连接，以给工作辊3支撑力，减小工作辊3的弯曲变形。在本实施例中，所述支撑辊4为表面光滑的棍体，诚然，在其他实施例中，所述支撑辊4的表面也可为不光滑面，且支撑辊4的个数不做具体限定，根据实际情况而定。

所述工作辊3朝向所述待成形目标件2的一面设置有若干个微结构31，所述微结构31的高度依次递增或递减，在本实施例中，每相邻两个所述微结构31之间的高度差相同，以给金属薄板相同的作用力，使其变形均匀。诚然，在其他实施例中，每相邻两个所述微结构31之间的高度差也可不同，但是其会导致金属薄板的受力不均，从而可能会破坏金属薄板。每相邻两个所述微结构31之间的间距相等，以方便驱动机构5在驱动工作辊3移动的过程中，下一个微结构31能够对准前一个微结构31在金属薄板上形成的微结构31槽。

所述微结构31为不平整面，所述不平整面31为波浪形面、弧形面、斜坡形面及楔形面中的任一种。诚然，在其他实施例中，所述微结构31也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。

若干个所述微结构31的纵长长度小于所述工作辊3的纵长长度，所述工作辊3具有用以约束所述待成形目标件2的边缘部，所述边缘部的纵长长度范围为2-10mm。设置有边缘部的目的在于：约束金属薄板，避免其在辊压成形时已变形区域对未变形区域产生影响。

本发明还提供了一种阵列微结构31增量辊压成形方法，采用如上所述的阵列微结构31增量辊压成形装置，包括如下步骤：

启动所述驱动机构5，驱动机构5驱动所述工作辊3位于所述待成形目标件2的一侧，此时，于所述阵列微结构31增量辊压成形装置的高度方向上，高度最小的所述微结构31靠近所述待成形目标件2设置。更为具体的，高度最小的所述微结构31的最低点低于所述待成形目标件2的上表面。

所述驱动机构5驱动所述工作辊3移动，所述工作辊3的移动方向与若干个所述微结构31的高度递减方向相同；其中，工作辊3移动的距离等同于每相邻两个微结构31之间的间距。

所述驱动机构5驱动所述工作辊3从所述待成形目标件2的一侧移动至另一侧，此时，于所述阵列微结构31增量辊压成形装置的高度方向上，高度最大的所述微结构31靠近所述待成形目标件2设置。

下面以一个具体实施例对本发明的阵列微结构31增量辊压成形装置及方法做具体说明，该实施例中的成形目标是在厚度2mm的铝合金表面辊压成形出阵列等腰三角形微结构31，边长为0.1mm，每个三角形微结构31紧密连接，即间距为0。

将铝合金放置在工作台1上，工作辊3朝向所述铝合金的一面上设置有5个等腰三角形微结构31，每个三角形的底边长均为0.1mm，5个等腰三角形的高度依次递减，每相邻两个等腰三角形微结构31时间的高度差为0.2mm。工作辊3的边缘部为3mm，边缘部与等腰三角形微结构31的底边的高度一致。在辊压成形时，高度最小的等腰三角形微结构31首先对铝合金进行辊压成形，然后工作辊3移动一个微结构31间距，即0.1mm，然后载辊压成形，这样，刚成形的等腰三角形微结构31深度又向下递增了0.2mm。以此类推，经过5次的增量辊压成形，使得铝合金上的微结构31的高度等同于高度最大的等腰三角形微结构31。重复上述过程，直至铝合金表面全部成形阵列等腰三角形微结构31。

综上所述：通过在工作辊3上设置有若干个微结构31，微结构31的高度依次递增或递减，以使得工作辊3在与待成形目标件2接触时，微结构31逐个与待成型目标件接触，使得待成型目标件的局部一次成形时的塑性变形量较小，因而变形抗力较小，能够在较小的力条件下实现高深宽比、大面积阵列微结构31的制备；

只需在工作辊3的表面上设置有少量微结构31，工作辊3表面微结构31的容易加工、成本很低，采用增量成形，即微结构31的深度逐渐增加，可以显著降低成形力，提高成形微结构31的高宽比，并且，通过移动工作辊3的位置，同样可以实现大面积阵列微结构31的辊压成形。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种阵列微结构增量辊压成形装置，其特征在于，

包括用以放置待成形目标件的工作台、用以给所述待成形目标件施加作用力以使其成形的工作辊、及用以驱动所述工作辊、以改变所述工作辊与所述待成形目标件的相对位置的驱动机构，所述驱动机构包括与所述工作辊连接的高度调节组件、与所述高度调节组件连接的纵向调节组件及与所述纵向调节组件连接的横向调节组件；

所述工作辊朝向所述待成形目标件的一面设置有若干个微结构，所述微结构的高度依次递增或递减，每相邻两个所述微结构之间的高度差相同，每相邻两个所述微结构之间的间距相等；

所述阵列微结构增量辊压成形装置还包括至少一个用以连接所述驱动机构与工作辊、以给所述工作辊刚性支撑力的支撑辊；

工作时所述工作辊的移动方向与若干个所述微结构的高度递减方向相同，其中，所述工作辊移动的距离等同于每相邻两个所述微结构之间的间距。

2.如权利要求1所述的阵列微结构增量辊压成形装置，其特征在于，

所述微结构为不平整面，所述不平整面为波浪形面、楔形面中的任一种。

3.如权利要求1所述的阵列微结构增量辊压成形装置，其特征在于，

若干个所述微结构的纵长长度小于所述工作辊的纵长长度。

4.如权利要求1所述的阵列微结构增量辊压成形装置，其特征在于，

所述工作辊具有用以约束所述待成形目标件的边缘部，所述边缘部的纵长长度范围为2-10mm。

5.如权利要求1所述的阵列微结构增量辊压成形装置，其特征在于，

所述高度调节组件包括第一电机及用以将所述第一电机的旋转运动转换为直线运动的第一丝杠；所述纵向调节组件包括与所述第一电机连接的第一滑块、与所述第一滑块滑动配合的第一滑轨、用以驱动所述第一滑块沿所述第一滑轨滑动的第二电机及用以连接所述第二电机及第一滑块的第二丝杠；所述横向调节组件包括与所述第二电机连接的第二滑块、与所述第二滑块滑动配合的第二滑轨、用以驱动所述第二滑块沿所述第二滑轨滑动的第三电机及用以连接所述第三电机及第二滑块的第三丝杠，其中，所述第二滑轨与所述第一滑轨垂直设置。

Images