CN112338037B - 软冲头金属微制件成形力测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微成形技术领域，尤其涉及一种以柔性介质作冲头的软冲头金属微制件成形力测量装置及测量方法。软冲头金属微制件成形力测量装置包括测力部件、成形模具、压板以及施力机构。测力部件设置于工作台，成形模具的下表面抵接测力部件，施力机构的下端施加向下压力推压位于料仓内的柔性介质，柔性介质压迫金属坯料进入模腔或利用模腔周边刃口切断坯料而成形，同时成形模具将金属坯料受到的成形力传递至测力部件，测力部件将成形力实时数据传输至计算机。本发明能够使金属坯料微成形过程中所受成形力被准确量度。

Description

软冲头金属微制件成形力测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及微成形技术领域，尤其涉及软冲头金属微制件成形力测量装置及测量方法。
背景技术
微制件制造是当今制造业发展的一个重要方向，也是实现产品小型化、微型化的基础。微成形是微制件制造的一个重要分支。微成形是指用压力迫使金属坯料(包括板料和块体材料)产生变形或切断，以制备特征尺寸在2个维度上小于1mm微制件或微结构的金属加工工艺。
金属坯料的微成形目前有很多方法，包括：传统的机械冲压成形、激光冲击成形、电磁冲击成形、粘性介质成形、液压成形、高压气体成形以及高压水射流成形等等。
在微拉深、微冲裁等压力成形加工工艺中，坯料所受成形力的大小以及成形过程中成形力的变化，是影响微制件质量的重要因素。在粘性介质作柔性冲头的微成形方法中，尤其是在利用超声振动熔融塑料粉末在短暂时间内形成粘性介质的微成形方法中，超声头提供的压力并不能完全传递到坯料上，同时，超声振动还产生一个附加的压力，因而不能像传统机械冲压方法那样在冲头上安装测力部件而通过直接测量冲头压力来获得成形力。再由于微成形中模具和制件的尺寸极小，大尺寸制件粘性介质成形中使用的测量粘性介质压力的方法也无法应用于微成形中，尤其是无法应用于施加超声的粘性介质微成形中。而成形力的准确测量及其变化规律的研究，是金属坯料微成形研究的重要内容，也是改进工艺提高制件质量的基础。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种软冲头金属微制件成形力测量装置，旨在解决如何对金属坯料所受成形力进行准确测量的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种软冲头金属微制件成形力测量装置，用于将金属坯料成形金属微制件及测量所述金属坯料在成形过程中的成形力，所述软冲头金属微制件成形力测量装置包括：平铺设置的测力部件、成形模具、压板以及施力机构；所述成形模具的下端抵接所述测力部件，所述成形模具的上端开设有呈开口腔结构的模腔，所述金属坯料放置在所述成形模具之上并遮盖所述模腔的腔口；所述压板连接所述测力部件并朝所述测力部件压紧所述金属坯料，且所述压板对应所述模腔的位置开设有料仓，所述料仓贯通至所述金属坯料且容置有柔性介质，所述施力机构的下端向所述柔性介质施加向下的压力并推压所述柔性介质，以使所述柔性介质压迫所述金属坯料进入所述模腔而成形。
在一个实施例中，所述柔性介质为塑料粉末介质；所述施力机构包括超声头以及驱动超声头上下运动和高频振动的驱动系统，所述超声头的下端位于所述料仓，所述驱动系统朝所述柔性介质推压所述超声头并驱动所述超声头高频振动，以使所述柔性介质熔融成粘性流体。
在一个实施例中，所述柔性介质为粘性介质。
在一个实施例中，所述料仓的内径大于所述超声头位于所述料仓内的一端的外径。
在一个实施例中，所述模腔贯通至所述成形模具的下表面。
在一个实施例中，所述模腔的开口完全位于所述料仓的开口于所述成形模具上所覆盖的范围内。
在一个实施例中，所述压板的板面大于所述金属坯料的上表面并完全压盖所述金属坯料，且所述金属坯料向上完全遮盖所述料仓的开口。
在一个实施例中，所述软冲头金属微制件成形力测量装置还包括连接于测力头的模具环，所述模具环的中心位置开设有环孔，所述环孔的大小与所述成形模具的大小适配，所述成形模具镶嵌并固定于所述环孔内。
在一个实施例中，所述测力部件包括压力传感器、传力杆以及测力头，所述传力杆的两端分别连接所述压力传感器与所述测力头，所述成形模具的下表面抵接所述测力头的顶面。
本发明的另一目的还在于提供一种测量方法，其包括如下步骤：
S1：准备测力部件、成形模具、压板以及施力机构，将所述测力部件设置于工作台；
S2：将所述成形模具的下表面抵接所述测力部件，所述成形模具的上表面开设有模腔，所述模腔具有腔口，将所述金属坯料放置于所述成形模具之上并遮盖所述模腔的腔口；
S3：将所述压板连接所述测力部件并朝所述成形模具压紧所述金属坯料，所述压板对应所述模腔的位置开设有料仓，所述料仓贯通所述压板的两侧板面且容置有柔性介质；
S4：将所述施力机构的一端伸入所述料仓并朝下推压所述柔性介质，以使所述柔性介质驱动所述金属坯料进入所述模腔。
本发明提供的软冲头金属微制件成形力测量装置的有益效果在于：通过将成形模具直接设置在测力部件上，使作用于金属坯料上的成形力通过成形模具传递到测力部件上，从而使金属坯料所受成形力能够准确量度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的软冲头金属微制件成形力测量装置的结构示意图；
图2是图1的软冲头金属微制件成形力测量装置的A处的局部放大图。
其中，图中各附图标记：
12、测力部件；13、底板；16、压板螺栓；21、成形模具；22、压板；23、施力机构；231、超声头；24、柔性介质；211、模腔；30、金属坯料；121、测力头；122、传力杆；123、压力传感器；221、料仓；25、模具环；26、垫片。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1及图2，本发明实施例提供了一种软冲头金属微制件成形力测量装置，其用于将金属坯料30成形并测量金属坯料30在微成形过程中的成形力。可选地，金属坯料30可以为板料或块体材料，可选地，金属坯料30由紫铜制成。在其它实施例中金属坯料30还可以是不锈钢、铝、以及非晶合金等材料。软冲头金属微制件成形力测量装置包括：测力部件12、成形模具21、压板22以及施力机构23。本实施例中成形模具21呈板状，成形模具21的下表面抵接测力部件12，成形模具21的上表面开设有呈开口腔结构的模腔211。可选地，模腔211的形状由所要加工的金属制件的形状而决定。金属坯料30平铺设置并遮盖模腔211的腔口，压板22用于朝成形模具21压紧金属坯料30，以使金属坯料30在成形过程中，其板边保持稳定。压板22对应模腔211的位置开设有料仓221，料仓221贯通至金属坯料30且容置有柔性介质24。施力机构23的下端伸入料仓221且朝下推压柔性介质24，以使柔性介质24驱动金属坯料30进入模腔211，从而将金属坯料30成形为金属微制件。可选地，在微拉深、微胀形等加工过程中，施力机构23通过柔性介质24而压迫金属坯料30进入并填充模腔211，从而使金属坯料30成形为金属微制件；而在微冲裁加工过程中，施力机构23通过柔性介质24而压迫金属坯料30进入模腔211，同时模腔211的腔口周边刃口切断金属坯料30，从而使金属坯料30成形为金属微制件。可选地，作用于柔性介质24上的成形力经成形模具21而传导至测力部件12。柔性介质24是某种柔性材料，其形状可以根据模腔211的形状任意改变，从而可以适配不同形状的模腔211。
本实施例通过将成形模具21直接设置在测力部件12上，使作用于金属坯料30上的成形力通过成形模具21而传递至测力部件12，从而测力部件12所测量到的成形力与金属坯料30上所受的成形力相同，最终使金属坯料30所受成形力能够被准确量度。
可选地，成形模具21将金属坯料30受到的成形力传递至测力部件12，测力部件12将成形力数据实时传输至计算机。
在一个实施例中，柔性介质24为流体状的粘性介质。可选地，本实施例中的柔性介质24在常温下可以呈流体状。可选地，粘性介质为甲基硅油。施力机构23通过粘性介质将成形力传递至金属坯料30上，使金属坯料30变形或冲裁成形。
在一个实施例中，柔性介质24为粉末介质。可选地，粉末介质为高分子粉末介质，比如乙烯-醋酸乙烯共聚物粉末、聚氯乙烯粉末以及聚乙烯粉末等。施力机构23包括下端位于料仓221的超声头231以及驱动超声头231向下施加压力以及作高频振动的驱动系统，驱动系统驱动超声头231推压柔性介质24。超声头231在高频振动中将柔性介质24熔融成粘性流体，流体状的柔性介质24可以驱动金属坯料30充分填充模腔211，且在柔性介质24处于熔融状态下时，金属坯料30受到的成形力能被测力部件12所测量。可选地，超声作用的时间为0.5s，使金属坯料30在短时间内成形出微制件，而在超声停止后，熔融的塑料会自行凝固。
可选地，超声头231在高频振动时，塑料粉末会在很短的时间内熔融成粘性介质，从而形成一种综合利用超声和粘性介质的复合成形方法，使金属坯料30可以更好的填充模腔211。超声与粘性介质结合所形成的复合成形方法，还具有许多独特的优势。如：超声振动可以通过熔融的塑料传递到金属坯料30上，进而降低金属坯料30的材料屈服应力、减小金属坯料30与成形模具21间的摩擦力，熔融的塑料形成的粘性介质还可以使成形力分布更均匀，从而使成形制件的厚度分布更均匀以及提高成形制件的成形极限等。使本发明可以制备出尺寸更小的微拉深件，从而对微成形技术的发展形成重要的意义。
在一个实施例中，超声头231位于料仓221内的下端的外径小于料仓221的内径。可选地，超声头231与料仓221内壁之间存在微小的间隙，避免超声头231在高频振动时与料仓221的内壁产生摩擦和碰撞，从而避免超声头231和驱动系统的损坏，以及避免整个施力机构23的失效。
请参阅图1及图2，可选地，超声头231将柔性介质24熔融成粘性介质并施加压力时，微量的粘性介质会从超声头231与料仓221之间的微小间隙中溢出。因而超声头231的压力会有少量遗失，不能全部传递至金属坯料30。导致金属坯料30所获得的成形力，不能通过直接测量超声头231的输出力的方式来获得。本实施例中，成形模具21是刚性体，其可以将金属坯料30所受的压力(成形力)，完全传递到测力部件12上。因此，测力部件12所测得的成形力，是金属坯料30所受成形力的反映。
在一个实施例中，模腔211的开口完全位于料仓221的开口于成形模具21上所覆盖的范围内。可选地，本实施例中，料仓221的开口呈圆形，料仓221于成形模具21的表面所确定的范围为一个圆，而模腔211开设于该圆内，从而在成形过程中，柔性介质24可以完全覆盖模腔211的腔口。可选地，模腔211可以为圆形模腔或S形的微沟道模腔。
可选地，在微成形过程中，微成形制件一般小于1mm，而超声头231不宜过细，否则超声头231容易折断，也不利于操作控制。因此，超声头231的直径一般大于模腔211开口所覆盖的范围，可选地，超声头231的直径为5mm或10mm。料仓221的大小是根据超声头231的大小来确定，而料仓221的内径一般也大于模腔211开口所覆盖的范围。
在一个实施例中，模腔211为凹槽结构或沟道结构，即模腔211开设于成形模具21的上表面并呈开口腔结构，而不贯通至成形模具21的下表面。凹槽的截面可以是梯形、圆弧形等形状，沟道的延伸方向为直线的直槽或直沟道，也可以是延伸方向如字母S形的弯曲沟道。
在一个实施例中，模腔211贯通至成形模具21的下表面，即模腔211为通孔结构。
在一个实施例中，所述压板22的板面大于所述金属坯料30的上表面并完全压盖所述金属坯料30，且金属坯料30向上完全遮盖料仓221的开口。可选地，料仓221开口完全位于金属坯料30的上表面，从而在成形过程中，能使金属坯料30被压板22所压住。
在一个实施例中，测力部件12包括压力传感器123、传力杆122以及测力头121，传力杆122的两端分别连接压力传感器123与测力头121，成形模具21的下表面抵接测力头121的顶面。
在一个实施例中，软冲头金属微制件成形力测量装置还包括压板螺栓16，测力头121朝向压板22的表面开设有螺纹孔，压板22对应螺纹孔的位置开设有通孔，压板螺栓16的一端穿过通孔并螺锁于螺纹孔。可选地，压板螺栓16间隔设置有多个，各压板螺栓16绕料仓221圆周且等弧度布置。多个压板螺栓16可以提高压板22与测力部件12连接的稳定性，使成形模具21和金属坯料30的位置固定，而模腔211正对超声头231的中心。可选地，压板螺栓16的固紧力需适当，其既能压住金属坯料30，使金属坯料30不会发生滑动，又能使压板22保持平整而不发生翘曲。
在一个实施例中，软冲头金属微制件成形力测量装置还包括连接于测力头的模具环25，成形模具21镶嵌并固定于模具环25内，即模具环25通过压板螺栓16一并固定在测力头121，而模具环25的中心位置设有环孔，环孔的大小与成形模具21的大小适配，从而使成形模具21可以固定在模具环25的环孔内，且便于快速更换和安装不同模腔的成形模具21。模具环25的厚度与成形模具21的厚度相同，模具环25的外径与压板相同。这样，在成形过程中，模具环25可以使压板22保持平整而不发生翘曲。
请参阅图1及图2，在一个实施例中，软冲头金属微制件成形力测量装置还包括垫片26，垫片26设置于模具环25与压板22之间。可选地，垫片26与金属坯料30等厚度设置，但为了使压板22更好的压紧金属坯料30，避免压板22翘曲。一般设置刚性较小的垫片26，例如紫铜垫片26，以使垫片26在受到压板22的压力时能发生一定的弹性变形而变薄，从而保证金属坯料30有足够的压紧力。再可选地，也可以使垫片26的厚度略小于金属坯料30的厚度，例如垫片26的厚度比金属坯料30的厚度小5-10um，以保证金属坯料30能被压紧，从而保证在保持压板22不发生翘曲的前提下压紧金属坯料30，并在整个成形过程中保持金属坯料30的稳定。
在一个实施例中，垫片26设置有多个，各垫片26绕模腔211圆周且等弧度布置。
在一个实施例中，软冲头金属微制件成形力测量装置包括用于支撑压力传感器123的底板13，底板13平铺设置于工作台且与压力传感器123之间通过螺栓进行连接。通过底板13可以将整个装置固定在超声焊机工作台上，并使料仓221对准超声头231，在加工过程中保持位置不变。
本实施例还提供了一种测量方法，该方法用于测量金属坯料30在微成形过程中的成形力，测量方法包括如下步骤：
S1：准备测力部件12、成形模具21、压板22以及施力机构23，将所述测力部件12设置于工作台；
S2：将所述成形模具21的下表面抵接所述测力部件12，所述成形模具21上具有呈开口腔结构的模腔211，将所述金属坯料30放置于所述成形模具21之上并遮盖所述模腔211的腔口；
S3：将所述压板22连接所述测力部件12并朝所述成形模具21压紧所述金属坯料30，所述压板22具有料仓221，料仓221对应所述模腔211的位置而设置，且所述料仓221贯通所述压板22的两侧板面并容置有柔性介质24；
S4：将所述施力机构23的下端伸入所述料仓221并朝下推压所述柔性介质24，以使所述柔性介质24驱动所述金属坯料30进入所述模腔211，同时成形力由成形模具21传递至测力部件12。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.软冲头金属微制件成形力测量装置，用于将金属坯料成形为金属微制件及测量所述金属坯料在成形过程中的成形力，其特征在于，所述软冲头金属微制件成形力测量装置包括：测力部件、成形模具、压板以及施力机构；所述成形模具呈板状且其下表面抵接所述测力部件，所述成形模具的上表面开设有模腔，所述模腔具有腔口，所述金属坯料放置在所述成形模具之上并遮盖所述模腔的腔口；所述压板连接所述测力部件并朝所述测力部件压紧所述金属坯料，且所述压板对应所述模腔的位置开设有料仓，所述料仓贯通至所述金属坯料且容置有柔性介质，所述施力机构的下端向所述柔性介质施加向下的压力并推压所述柔性介质，以使所述柔性介质压迫所述金属坯料进入所述模腔而成形，且所述测力部件测量所述金属坯料所受的成形力。
2.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述柔性介质为塑料粉末介质；所述施力机构包括超声头以及驱动超声头上下运动和高频振动的驱动系统，所述超声头的下端位于所述料仓，所述驱动系统朝所述柔性介质推压所述超声头并驱动所述超声头高频振动，以使所述柔性介质熔融成粘性流体。
3.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述柔性介质为粘性介质。
4.如权利要求2所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述料仓的内径大于所述超声头位于所述料仓内的一端的外径。
5.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述模腔贯通至所述成形模具的下表面。
6.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述模腔的开口完全位于所述料仓的开口于所述成形模具上所覆盖的范围内。
7.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述压板的板面大于所述金属坯料的上表面并完全压盖所述金属坯料，且所述金属坯料向上完全遮盖所述料仓的开口。
8.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述软冲头金属微制件成形力测量装置还包括连接于测力头的模具环，所述模具环的中心位置开设有环孔，所述环孔的大小与所述成形模具的大小适配，所述成形模具镶嵌并固定于所述环孔内。
9.如权利要求1所述的软冲头金属微制件成形力测量装置，其特征在于：所述测力部件包括压力传感器、传力杆以及测力头，所述传力杆的两端分别连接所述压力传感器与所述测力头，所述成形模具的下表面抵接所述测力头的顶面。
10.一种测量方法，用于测量金属坯料在成形过程中的成形力，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
S1：准备测力部件、成形模具、压板以及施力机构，将所述测力部件设置于工作台；
S2：将所述成形模具的下表面抵接所述测力部件，所述成形模具的上表面开设有模腔，所述模腔具有腔口，将所述金属坯料放置于所述成形模具之上并遮盖所述模腔的腔口；
S3：将所述压板连接所述测力部件并朝所述成形模具压紧所述金属坯料，所述压板对应所述模腔的位置开设有料仓，所述料仓贯通所述压板的两侧板面且容置有柔性介质；
S4：将所述施力机构的一端伸入所述料仓并朝下推压所述柔性介质，以使所述柔性介质驱动所述金属坯料进入所述模腔。
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