CN111203479A - 一种面向微零件加工的模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向微零件加工的模具及方法，包括相对设置的上冲头和下形模，所述上冲头朝向下形模的端面上设有工件凸模，所述下形模朝向上冲头的端面上设有工件凹模，所述下形模的内部套设有凸缘下模，所述凸缘下模顶部端面抵压在凹模底端，共同形成一个开口朝向凸模的凹槽结构；所述支撑罩的顶部设有配合孔，所述上冲头沿轴向移动穿过配合孔后与下形模配合，用于使凸模和凹模配合对物料进行冲压成型，通过不同厚度的板料配合专用的冲压模具进行冲压成型，微零件成型的精度直接由模具精度控制，相较于传统的注塑、粉末成型等方式，能够提供更高的加工精度以及加工效率，从而满足现有对微零件的精度需求。

Description

一种面向微零件加工的模具及方法

技术领域

本申请涉及微成形领域，具体的说是一种面向微零件加工的模具及方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，微型零件及产品的在电子消费品、医疗、精密仪器、环境能源、电子信息、航空航天与武器装备等行业被广泛应用，与国家安全和环境健康紧密相关。微型产品的制造具有重要的科学意义和应用潜力，微成形(Micro forming)技术生产成本低、效率高、加工质量好，具有很大的发展潜力。微成形技术的为关键之一是模具的设计，一套好的模具能够高效加工出精度高的零件。

发明人发现，目前，微零件的制造有很多种，比如基于机械的制造工艺，包括微加工，微注塑、粉末注射成型和微成形。在这些加工工艺之中，微加工技术具有加工简单、成本低、成形效率高的优点，但是由于微零件精度要求高，需要通过精密加工得到，传统的宏观模具在制作时无法达到所需精度，并不适合微零件的加工，难以满足现有对微零件的精度需求。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种面向微零件加工的模具及方法，通过不同厚度的板料配合专用的冲压模具进行冲压成型，微零件成型的精度直接由模具精度控制，相较于传统的注塑、粉末成型等方式，能够提供更高的加工精度以及加工效率，从而满足现有对微零件的精度需求。

本申请的第一目的是提供一种面向微零件加工的模具，采用以下技术方案：

包括相对设置的上冲头和下形模，所述上冲头朝向下形模的端面上设有工件凸模，所述下形模朝向上冲头的端面上设有工件凹模，所述下形模的内部套设有凸缘下模，所述凸缘下模顶部端面抵压在凹模底端，共同形成一个开口朝向凸模的凹槽结构，所述下形模的外部设有支撑罩，所述支撑罩沿径向设有进料孔，所述进料孔与凹模所在下形模上端面平齐，用于从侧面进料孔填充物料至凹模位置；所述支撑罩的顶部设有配合孔，所述上冲头沿轴向移动穿过配合孔后与下形模配合，用于使凸模和凹模配合对物料进行冲压成型。

进一步地，所述支撑罩与下形模之间的环形空间配合有坯料支撑，所述坯料支撑底部设有支撑槽，所述支撑槽与下形模端面配合共同形成与进料孔走向一致的支撑孔，用于支撑凹模所在下形模端面周围的物料。

进一步地，所述坯料支撑沿轴线设有与配合孔配合且走向一致的延伸孔，所述通孔的内壁与沿轴向移动的上冲头外壁相配合。

进一步地，所述下形模安装在底座上，所述底座用于安装在外部冲压机工作台上，所述支撑罩底面与底座顶面贴合，所述坯料支撑的底面与底座顶面贴合。

进一步地，所述支撑罩配合底座形成顶部设有配合孔、侧面设有进料孔的空腔，所述下形模位于该空腔内。

进一步地，所述上冲头安装在基座上，所述基座用于安装在外部冲压机的执行机构上获取动力，所述基座在外部冲压机作用下驱动上冲头沿轴向往复移动；

优选的，所述的上冲头和下形模成对设置，其上的凸模和凹模对应，上冲头和下形模有多对，不同对上设有对应不同工件的凸模和凹模结构；所述的上冲头可拆卸连接在基座上，所述下形模可拆卸安装在底座上。

进一步地，所述上冲头内部同轴套设有通孔冲头，所述通孔冲头在外力作用下沿上抽头轴向往复滑动，用于探出凸模端面冲压坯料形成通孔。

进一步地，所述凸缘下模内部同轴设有排料孔，所述排料孔沿轴向贯穿凸缘下模，排料孔与沿轴向移动的通孔冲头配合，用于从凹模下方排出通孔冲头冲压坯料产生的废料；所述凸缘下模的顶端为阶梯圆柱结构，用于配合上冲头使物料形成阶梯孔特征结构。

本申请的第二目的是提供一种面向微零件的加工方法，利用如上所述的面向微零件加工的模具，包括以下步骤：

将上冲头安装在冲压机执行机构上，凸缘下模正对上冲头安装固定在冲压机工作台上，将下形模套设在凸缘下模外部，使凹模与凸缘下模顶部配合形成凹槽结构，将支撑罩套设在下形模外部，使上冲头移动时能够恰好穿过配合孔；

将物料沿支撑罩径向的进料孔送入支撑罩内，使物料底面与下形模端面平齐；

上冲头协同凸模沿轴向下落，穿过配合孔后凸模接触物料；

凹模周围的下形模端面对物料进行支撑，凸模继续下落形成剪切力，配合凹模将物料挤压剪切；

从物料剪切下的物料进入凹模内形成工件坯料，上冲头继续下落对坯料进行冲压成型，使坯料在凸模、凸缘下模顶端的共同作用下形成特征结构；

撤回上冲头，将成型后的工件取出，调整物料位置，重复上述过程。

进一步地，所述的特征结构为阶梯孔结构。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

(1)传统的冲压模具时采用固定式冲头，只能进行单一零件的制造，并且传统的微型齿轮制造一般依托于微加工机床以及LIGA等技术，制造成本高，生产效率低；而本申请采用可更换冲头的夹具设计，配合利用材料的塑性成形的特性进行零件的微成形加工，可以进行多种零件的加工、通用性高，节省了零件加工工时，降低了零件的生产成本；

(2)在冲压塑性成形的过程中，采用闭式成形模具，上部凸模与下部凹模相配合的结构，将成形过程分为三步进行，首先进行坯料的挤压剪切，然后通过继续挤压配合凸缘下模顶部的阶梯圆柱结构形成阶梯特征结构，最后利用通孔冲头冲压形成通孔结构，有效控制成形过程中的应力应变，相较于传统的开式冲压结构，大大提高成形零件的精度；

(3)作为优选的，外部冲压机与该模具之间设有力传感器，从而监测冲压成型过程中的应力与应变，进而控制成形速度以及冲压压力，使整个成形过程更为可控，提供工件的成形质量；

(4)在上部凸模和下部凸模挤压形成特征结构后，再进行通孔的冲压成型，利用凸模和凹模之间的夹持力和环向的约束力进一步对坯料进行稳固，减少了冲孔过程中坯料的非正常形变。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1的模具的整体结构示意图；

图2为本申请实施例1的下形模和凸缘下模配合的结构示意图；

图3为本申请实施例1的支撑罩的结构示意图；

图4为本申请实施例1的通孔冲头与凸模配合的结构示意图；

图5为本申请实施例1的上冲头的结构示意图；

图6为本申请实施例2加工得到产品的结构示意图。

其中：1、上冲头；2、凸缘下模；3、凸模；4、下形模；5、支撑罩；6、进料孔；7、配合孔；8、坯料支撑；9、延伸孔；10、支撑孔；11、底座；12、基座；13、通孔冲头；14、排料孔；15、凹模。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术加工工艺之中，微加工技术具有加工简单、成本低、成形效率高的优点，但是由于微零件精度要求高，需要通过精密加工得到，传统的宏观模具在制作时无法达到所需精度，并不适合微零件的加工，难以满足现有对微零件的精度需求，针对上述技术问题，本申请提出了一种面向微零件加工的模具及方法。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图6所示，提出了一种面向微零件加工的模具。

所述模具整体分为上、下两部分的结构：

其中，上模具部分安装在外部冲压机的执行机构上，在机构的作用下沿竖直方向做往复运动；

包括：上冲头1、通孔冲头13和基座12，所述基座位于上冲头的顶端，上冲头通过基座安装在外部冲压机上，上冲头的低端设有工件凸模3，所述通孔冲头与上冲头同轴设置，上冲头位于通孔冲头的外部，所述通孔冲头在外力作用下沿上抽头轴向往复滑动；

当然，可以理解的是，所述的上冲头结构以可拆卸的方式安装在基座上，根据所加工工件的不同更换不同的上冲头，不同的上冲头上配合有不同的凸模，所述凸模配合凹模对板料进行冲压成型；所述的上冲头为阶梯状结构，提高了冲头的强度；

在选料时，所述的基座可以选用铝合金材质，从而减轻上模具的重量；所述的上冲头结构和凸模结构选用不锈钢材料，作为冲压元件用于良好的硬度。

其中，下模具部分安装在外部冲压机的工作台上，承载各个元件的重量以及对板料形成支撑结构，方便凸模和凹模的配合冲压成型；

包括：下形模4、支撑罩5、凸缘下模2和底座11，所述下形模朝向上冲头的端面上设有工件凹模15，凸缘下模与下形模同轴配合，凹模为贯通结构，配合凸缘下模顶部端面后，形成一个顶部开口的凹槽结构，所述下形模的外部设有支撑罩，所述支撑罩沿径向设有进料孔6，所述进料孔与凹模所在下形模端面平齐，在上料时直接从侧面进料孔填充物料至凹模位置；所述支撑罩的顶部设有配合孔7，所述上冲头沿轴向移动穿过配合孔后与下形模配合，从而使凸模和凹模配合对物料进行冲压成型；

当然，可以理解的是，所述的下形模也是通过可拆卸的方式安装在底座上，下形模有多个，不同的下形模其顶部端面上的凹模部分不同；凸模和凹模要相互配合布置，形成对应关系。

进一步地，所述支撑罩与下形模之间的环形空间配合有坯料支撑8，所述坯料支撑底面上设有与进料孔配合且走向一致的支撑槽，所述支撑槽配合下形模顶面形成支撑孔10结构，从而约束并支撑凹模所在下形模端面周围的物料；

所述坯料支撑沿轴线方向设有与配合孔配合且走向一致的延伸孔9，所述通孔的内壁与沿轴向移动的上冲头外壁相配合；

所述的坯料支撑用于对物料进行辅助支撑，避免在冲压成型时，下形端面未支撑区域的非正常变形，在不影响物料进给和排出的情况下，达到对物料成型过程中的良好支撑，有利于物料的连续供应。

进一步地，对于底座、下形模和支撑罩的配合方式，所述下形模安装在底座上，所述底座用于安装在外部冲压机工作台上，所述支撑罩底面与底座顶面贴合，所述下形模底面与底座顶面贴合，所述凸缘下模与底座配合固定，所述坯料支撑的底面与下形模顶面贴合；

所述支撑罩配合底座形成顶部设有配合孔、侧面设有进料孔的空腔，所述下形模位于该空腔内。

优选的，所述的上冲头和下形模成对设置，其上的凸模和凹模对应，上冲头和下形模有多对，不同对上设有对应不同工件的凸模和凹模结构；所述的上冲头可拆卸连接在基座上，所述下形模可拆卸安装在底座上。

传统的冲压模具时采用固定式冲头，只能进行单一零件的制造，并且传统的微型齿轮制造一般依托于微加工机床以及LIGA等技术，制造成本高，生产效率低；而本申请采用可更换冲头的夹具设计，配合利用材料的塑性成形的特性进行零件的微成形加工，可以进行多种零件的加工、通用性高，节省了零件加工工时，降低了零件的生产成本。

进一步地，在加工带有中心通孔的结构时，需要在轮廓冲压成型后，对中心位置进行开孔，对此，本申请通过在上冲头内部同轴套设有通孔冲头，所述通孔冲头在外力作用下沿上抽头轴向往复滑动，用于探出凸模端面冲压坯料形成通孔；

对应的，对于凸缘下模结构对应上冲头的结构布置，所述凸缘下模内部同轴设有排料孔14，所述排料孔沿轴向贯穿凸缘下模，排料孔与沿轴向移动的通孔冲头配合，用于从凹模下方排出通孔冲头冲压坯料产生的废料；

在上部凸模和下部凸模挤压形成特征结构后，再进行通孔的冲压成型，利用凸模和凹模之间的夹持力进一步对坯料进行稳固，减少了冲孔过程中坯料的非正常形变。

需要特别指出的是，本申请在冲压塑性成形的过程中，采用闭式成形模具，上部凸模与下部凹模相配合的结构，将成形过程分为三步进行，首先进行坯料的挤压剪切，然后通过继续挤压形成特征结构，最后利用通孔冲头冲压形成通孔结构，有效控制成形过程中的应力应变，相较于传统的开式冲压结构，大大提高成形零件的精度。

优选的，外部冲压机与该模具之间设有力传感器，对冲压成型过程中的应力与应变进行监测，进而控制成形速度以及冲压压力，使整个成形过程更为可控，提供工件的成形质量

实施例2

本申请的另一典型实施例中，如图5所示，提供一种面向微零件的加工方法，利用实施例1中所述的面向微零件加工的模具，具体步骤如下：

将通孔冲头插入上冲头内部，然后将上冲头通过基座安装在冲压机执行机构上，将凸缘下模固定在底座上，将下形模套设在凸缘下模外部，从而底面与底座接触，安装在冲压机工作台上，下形模上的凹模正对上冲头底端的凸模；

将坯料支撑稳定放置在下形模上，坯料支撑底部接触底座顶面，紧密贴合形成稳定支撑，形成支撑孔结构，将支撑罩套设在坯料支撑外部，使进料孔与支撑孔同轴布置，且进料孔、支撑孔与凹模端面处于同一水平高度，调整轴向位置，使上冲头移动时能够恰好穿过配合孔、延伸孔，使凸模与凹模配合；

将物料沿进料孔、支撑孔送入支撑罩内，使物料底面与下形模的凹模的端面平齐；

上冲头协同凸模沿轴向下落，依次穿过配合孔、延伸孔后凸模接触物料；

凹模周围的下形模端面对物料进行支撑，凸模继续下落形成剪切力，配合凹模将物料挤压剪切；

从物料剪切下的物料进入凹模内形成工件坯料，上冲头继续下落对坯料进行冲压成型，使坯料在凸模、凸缘下模顶端的共同作用下形成特征结构；

保持此挤压状态，推动通孔冲头向下移动至接触坯料顶面后，继续下移，配合下方的排料孔将坯料中心开出通孔，废料沿排料孔向下排出；

依次撤回通孔冲头和上冲头，将成型后的工件取出，调整物料位置，重复上述过程。

进一步地，所述的特征结构为阶梯孔结构。

在上述过程中，在上部凸模和下部凸模挤压形成特征结构后，再进行通孔的冲压成型，利用凸模和凹模之间的夹持力进一步对坯料进行稳固，减少了冲孔过程中坯料的非正常形变。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向微零件加工的模具，其特征在于，包括相对设置的上冲头和下形模，所述上冲头朝向下形模的端面上设有工件凸模，所述下形模朝向上冲头的端面上设有工件凹模，所述下形模的内部套设有凸缘下模，所述凸缘下模顶部端面抵压在凹模底端，共同形成一个开口朝向凸模的凹槽结构，所述下形模的外部设有支撑罩，所述支撑罩沿径向设有进料孔，所述进料孔与凹模所在下形模上端面平齐，用于从侧面进料孔填充物料至凹模位置；所述支撑罩的顶部设有配合孔，所述上冲头沿轴向移动穿过配合孔后与下形模配合，用于使凸模和凹模配合对物料进行冲压成型。

2.如权利要求1所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述支撑罩与下形模之间的环形空间配合有坯料支撑，所述坯料支撑底部设有支撑槽，所述支撑槽与下形模端面配合共同形成与进料孔走向一致的支撑孔，用于支撑凹模所在下形模端面周围的物料。

3.如权利要求2所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述坯料支撑沿轴线设有与配合孔配合且走向一致的延伸孔，所述通孔的内壁与沿轴向移动的上冲头外壁相配合。

4.如权利要求1所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述下形模安装在底座上，所述底座用于安装在外部冲压机工作台上，所述支撑罩底面与底座顶面贴合，所述坯料支撑的底面与底座顶面贴合。

5.如权利要求4所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述支撑罩配合底座形成顶部设有配合孔、侧面设有进料孔的空腔，所述下形模位于该空腔内。

6.如权利要求1所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述上冲头安装在基座上，所述基座用于安装在外部冲压机的执行机构上获取动力，所述基座在外部冲压机作用下驱动上冲头沿轴向往复移动。

7.如权利要求6所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述上冲头内部同轴套设有通孔冲头，所述通孔冲头在外力作用下沿上抽头轴向往复滑动，用于探出凸模端面冲压坯料形成通孔。

8.如权利要求7所述的面向微零件加工的模具，其特征在于，所述凸缘下模内部同轴设有排料孔，所述排料孔沿轴向贯穿凸缘下模，排料孔与沿轴向移动的通孔冲头配合，用于从凹模下方排出通孔冲头冲压坯料产生的废料；所述凸缘下模的顶端为阶梯圆柱结构，用于配合上冲头使物料形成阶梯孔特征结构。

9.一种面向微零件的加工方法，其特征在于，利用如权利要求1-8任一项所述的面向微零件加工的模具，包括以下步骤：

将上冲头安装在冲压机执行机构上，凸缘下模正对上冲头安装固定在冲压机工作台上，将下形模套设在凸缘下模外部，使凹模与凸缘下模顶部配合形成凹槽结构，将支撑罩套设在下形模外部，使上冲头移动时能够恰好穿过配合孔；

将物料沿支撑罩径向的进料孔送入支撑罩内，使物料底面与下形模端面平齐；上冲头协同凸模沿轴向下落，穿过配合孔后凸模接触物料；

凹模周围的下形模端面对物料进行支撑，凸模继续下落形成剪切力，配合凹模将物料挤压剪切；

从物料剪切下的物料进入凹模内形成工件坯料，上冲头继续下落对坯料进行冲压成型，使坯料在凸模、凸缘下模顶端的共同作用下形成特征结构；

撤回上冲头，将成型后的工件取出，调整物料位置，重复上述过程。

10.如权利要求9所述的面向微零件的加工方法，其特征在于，所述的特征结构为阶梯孔结构。

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