CN112338038A - 柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微成形技术领域，尤其涉及柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置及测量方法。柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置包括壳体、测力部件、成形模具、压板以及施力机构。测力部件位于壳体的容置腔内，成形模具通过壳体上的模具安置孔而抵接测力部件，施力机构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

柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置及测量方法

技术领域

本发明涉及微成形技术领域，尤其涉及柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置及测量方法。

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，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柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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：提供一种柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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，所述柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置包括：壳体、测力部件、成形模具、压板以及施力机构；所述壳体开设有供所述测力部件设置的容置腔，所述壳体还开设有连通所述容置腔且供所述成形模具设置的模具安置孔；所述成形模具的一端延伸至所述容置腔并抵接所述测力部件，所述成形模具的另一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；所述压板用于朝所述壳体压紧所述金属坯料，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，所述料仓的内径大于所述模具安置孔的内径。

在一个实施例中，所述模具安置孔的孔口所确定的平面与所述模腔的腔口所确定的平面共面设置。

在一个实施例中，所述模具安置孔的孔壁与所述成形模具的侧表面之间具有间隙。

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，所述成形模具抵接所述测力头的顶面。

在一个实施例中，所述测力头的顶面沿竖直方向与所述容置腔的内壁之间非接触设置。

本发明的另一目的还在于，提供了一种测量方法，其包括如下步骤：

S1：准备壳体、测力部件、成形模具、压板以及施力机构，将所述壳体设置于预定位置，并在所述壳体上开设容置腔，将所述测力部件置于所述容置腔内，所述壳体还开设有连通所述容置腔的模具安置孔；

S2：将所述成形模具设置于所述模具安置孔且所述成形模具的一端抵接所述测力部件，所述成形模具的另一端开设有模腔，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填充所述模腔。

本发明提供的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化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性的前提下，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柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置的结构示意图；

图2是图1的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置的A处的局部放大图。

其中，图中各附图标记：

11、壳体；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；111、容置腔；112、模具安置孔；

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柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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、铝等材料。柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置包括：壳体11、测力部件12、成形模具21、压板22以及施力机构23。壳体11开设有供测力部件12设置的容置腔111。可选地，壳体11通过容置腔111罩于测力部件12上，壳体11朝上设置的表面还开设有连通容置腔111且供成形模具21设置的模具安置孔112。可选地，模具安置孔112的孔深方向沿竖直方向设置。本实施例中成形模具21呈柱状，成形模具21的下端延伸至容置腔111并抵接测力部件12，成形模具21的上端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用于朝壳体11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的一端伸入料仓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填充模腔211，从而将金属坯料30微成形为金属制件。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是由柔性材料制备而成，其形状可以任意改变，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而直接传递至测力部件12，避免测力部件12受到其它外力的影响，从而测力部件12所测量的成形力与作用在金属坯料30上的成形力相同，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将受到的成形力传递至测力部件12，测力部件12将成形力实时数据传输至计算机。

在一个实施例中，柔性介质24为流体状的粘性介质。具体地，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，比如聚氯乙烯粉末、聚氨酯粉末等。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瞬间熔融成粘性流体，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。超声与塑料粉末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。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。具体地，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所受成形力的真实反映。

在一个实施例中，料仓221的内径大于模具安置孔112的孔径。具体地，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的内径，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的内径一般大于模具安置孔112的孔径。这样，还能使柔性介质24在微成形过程中可以完全覆盖模腔211的开口，进而使金属坯料30可以充分填充模腔211。

在一个实施例中，模具安置孔112孔口所确定的平面与模腔211腔口所确定的平面共面设置。从而使压板22可以平铺压紧金属坯料30，有利于金属坯料30在微成形过程中的稳定以及提高测力部件12的测量精度。

在一个实施例中，模具安置孔112内壁上任意一点距成形模具21侧表面上任意一点的距离大于零。即，成形模具21的侧壁与模具安置孔112的孔壁之间保持预定的微小间隙，优选地，该间隙的距离为0.1mm，从而在金属坯料30的微成形过程中，成形模具21与壳体11之间不会产生摩擦，提高测力部件12的测量精度。

在一个实施例中，柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置还包括压板螺栓16，壳体11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与壳体11连接的稳定性。可选地，压板螺栓16的固紧力需适当，使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22板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，柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置还包括垫片，垫片设置于壳体11与压板22之间，且垫片与金属坯料30等厚度设置。可选地，可以设置刚性体的垫片，从而使压板22更好的压紧金属坯料30，使金属坯料30在微成形过程中，保持稳定。

在一个实施例中，垫片设置有多个，各垫片绕模具安置孔112圆周且等弧度布置。

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抵接测力头121的顶面。

在一个实施例中，柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置包括用于支撑壳体11的底板13，底板13平铺设置于工作台。

在一个实施例中，测力头121的顶面上任意一点沿竖直方向距容置腔111内壁之间的距离为L。可选地，0.9mm<L<1.1mm。测力头的顶面与容置腔111的腔底之间存在间隙，在微成形过程中，壳体11会向下发生微量的形变，该间隙可以防止容置腔111的内壁抵接测力头的顶面，而影响成形力的测量。

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：准备壳体11、测力部件12、成形模具21、压板22以及施力机构23，将具有容置腔111的壳体11设置于工作台的台面上，将测力部件12置于容置腔111内，即测力部件12可以测量作用于测力部件12上的作用力。壳体11还开设有连通容置腔111的模具安置孔112。容置腔111呈开口腔结构，壳体11通过容置腔111的腔口而罩盖测力部件12，且容置腔111的腔底位于测力部件12的上方。

S2：将成形模具21的下端抵接测力部件12，而成形模具21的上端位于模具安置孔112，并在成形模具21另一端的端面开设模腔211，将金属坯料30平铺设置并遮盖模腔211的开口；

S3：再将压板22连接壳体11，并使压板22朝壳体11压紧金属坯料30，压板22用于朝壳体11压紧金属坯料30。压板22呈板状，且金属坯料30被压紧于壳体11与压板22之间。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，将施力机构23的一端伸入料仓221且朝下推压柔性介质24，柔性介质24驱动金属坯料30一并朝模腔211内移动并填充模腔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.柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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，其特征在于，所述柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置包括：壳体、测力部件、成形模具、压板以及施力机构；所述壳体开设有供所述测力部件设置的容置腔，所述壳体还开设有连通所述容置腔且供所述成形模具设置的模具安置孔；所述成形模具的一端延伸至所述容置腔并抵接所述测力部件，所述成形模具的另一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；所述压板用于朝所述壳体压紧所述金属坯料，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。

2.如权利要求1所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，其特征在于：所述柔性介质为粘性介质。

4.如权利要求2所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，其特征在于：所述料仓的内径大于所述模具安置孔的内径。

6.如权利要求1所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，其特征在于：所述模具安置孔的孔口所确定的平面与所述模腔的腔口所确定的平面共面设置。

7.如权利要求1所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，其特征在于：所述模具安置孔的孔壁与所述成形模具的侧表面之间具有间隙。

8.如权利要求1所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，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，所述成形模具抵接所述测力头的顶面。

9.如权利要求8所述的柔性冲头金属微成形及成形力测量一体化装置，其特征在于：所述测力头的顶面沿竖直方向与所述容置腔的内壁之间非接触设置。

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：准备壳体、测力部件、成形模具、压板以及施力机构，将所述壳体设置于预定位置，并在所述壳体上开设容置腔，将所述测力部件置于所述容置腔内，所述壳体还开设有连通所述容置腔的模具安置孔；

S2：将所述成形模具设置于所述模具安置孔且所述成形模具的一端抵接所述测力部件，所述成形模具的另一端开设有模腔，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填充所述模腔。

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