专利名称：微机电安全密码锁编码齿轮加工装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微细塑性加工技术领域，具体地说明是一种微机电安全密码锁(MEMS safety lock)编码齿轮加工装置，特别适用于抗干涉齿轮集机构(CMGcounter meshing gears mechanism)编码齿轮的制造加工。
技术背景“要害事件(high-consequence event)”是指对系统的疏忽操作，可能导致生命、财产的灾难性损失或危害环境的系统。微机电安全密码锁(MEMS safety lock)是一类用于确保“要害系统”安全性的装置，也可称为微锁(microlock)、微型组合锁(micro combination lock)、微型密码鉴别器(micro discriminator)或微型使用控制开关(micro use-control switch)。
从结构上讲，微机电安全密码锁由锁体、控制回路、能量耦合通路三部分组成。典型的微机电安全密码锁含四个基本功能单元驱动器、鉴别器机构、耦合器和监测器。驱动器是直线式或回转式致动器，用以驱动鉴别器机构。鉴别器机构实现解锁码装定，是密码鉴别的核心；通常使用一个24字长的二元码组(可表示为符号“A”，“B”的任意组合序列)解锁，输入意图码中任何一位误码，将导致鉴别器机构锁定。耦合器实质上是一个需逐步动作才能闭合的常开型隔断器，只有完全正确地输入意图码才能将其逐步驱动到通路“耦合”的解锁位置，使能量或信号得以穿越锁体。用于内建自检的监测器服务于装置的可靠性与可测试性，不影响功能实现。
MEMS安全密码锁要求有以下特点尺寸小、重量小；数百个单件定制的锁可同批批量制造，成本低廉；耐振动、冲击；采用表面微机械加工时无需复杂的零件装配。
目前，公知的微小型安全密码锁机构是“迷宫中的销钉(Pin in themaze)”机构和“抗干涉齿轮集(CMGCounter meshing gears assembly)”机构。它们的功能是密码符号的机械装配；与安全密码锁其他零部件配合，实现用户输人符号与装定密码符号的逐个鉴别，错误的输人符号将导致机构锁定。作为安全密码锁的“锁芯”，安全密码锁机构必然是单件定制的，以保证“一把钥匙开一把锁”。
“抗干涉齿轮集”机构由一对装配有齿牙的“齿轮集”(或称为“码盘集”)轴平行并列布局构成。一对“齿轮集”是多层成对配伍“码盘”的集合。不同实施例中，“码盘对组”的层数、各码盘的齿牙装定设计(即在圆周上的某个分度位置上是否装定齿牙)，与预定的解锁密码符号组合有关，也与机构的具体设计要求有关(是否“误码立即锁定”、一把锁是否允许有多组解锁密码等)。
“抗干涉齿轮集”机构的特点是机构结构简单；密码装定逻辑较为复杂、隐含，安全性高；在安全密码锁装置中，只需一种单向步进驱动装置驱动“抗干涉齿轮集”机构，即可实现“密码装定与鉴别”、“误码齿牙干涉锁定”、“装置逐步解锁到位”这三项密码锁装置的核心功能。另外，从系统设计的安全性来考量，“抗干涉齿轮集”机构也有突出的优势。例如，与后级“能量门控机构(Energy gating mechanism)”的级联接口环节上，可以容易地避免“单点失效(single point failure)”一类的安全性设计缺陷。
美国Sandia国家实验室报道了用多层表面微机械工艺实现“抗干涉齿轮集”机构的实例，驱动装置为静电驱动器。目前，我国表面微机械工艺的应用几乎空白；若用体硅加工制作“抗干涉齿轮集”机构，可能由于码盘厚度不够，导致一对齿牙因干涉(鉴别到误码)时的结构强度不够而根折，进而使机构、装置失效。另外，“抗干涉齿轮集”机构本身的“准3维(2维图形沿第3维拉伸)”结构特点与LIGA工艺的特点吻合。因此，用LIGA工艺制作“抗干涉齿轮集”机构似乎是目前最佳的选择。中国工程物理研究院的高杨等人在BSRF的LIGA实验站制作的单个码盘LIGA工艺样品，材料为金属镍，强度难以保证实际使用。
实用新型内容为了克服现有技术中LIGA技术设备投资大；工艺周期长；组件尺寸难以减小；将LIGA零件装配成部件/整机仍有一定困难的种种不足，本实用新型的目的在于提供一种具有设备投资小、工艺周期短、组件尺寸随模具设计进一步减小、装配灵活的特点的微机电安全密码锁编码齿轮加工装置。
本实用新型技术方案包括微型直线马达、上压头、限位套筒、磁致伸缩致动器、气保护非接触式加热炉、冲头底座、冲头、坯料、模具、模座、下压头，微型直线马达与上压头的顶部连接，用以施加较大的输出位移量；上压头的颈部设有限位套筒，避免过大的行程损坏磁致伸缩致动器；上压头的下端安装在惰性气体保护下的非接触式加热炉内；冲头底座上端面与磁致伸缩致动器的底端面平行，在成形过程中传递力的作用。冲头底座通过联结螺钉与冲头联结；冲头底座底部通过复位弹簧支撑在模座上；坯料(采用大块非晶合金)、模具和垫块依次置于的模座的腔中；模座为具有斜度的开口的凹槽型内腔结构，用于导向和出料；在模座上部径向分布至少两个测温盲孔，用于插入精密热电偶检测成形过程中坯料温度变化；定位销将模座固定于下压头的上端面。
实现微机电安全密码锁编码齿轮制造的关键在于零件尺寸微小对成形设备提出更高的要求。微成形设备行程一般为毫米级，精度达到微米级，传统的成形装置无法满足微成形的要求。采用本实用新型加工装置实现了微成形工艺过程。使用时，由微型直线马达提供初始位移。在微成形过程中，由磁致伸缩致动器提供高精度的微动位移。在此情况下，实现不同位移范围内的协调控制。并且通过更换模具，可以实现单层单齿编码齿轮和多层多齿编码齿轮的制造加工。
与现有技术相比，本实用新型更具有如下优点1.可以实现微机电安全密码锁编码齿轮的微塑性加工制造。与传统表面微机械工艺相比，本实用新型加工装置投资小、工艺周期短、组件尺寸可以进一步减小、装配灵活；2.可以实现微机电安全密码锁编码齿轮的非晶金属化。由于采用大块非晶合金坯料，在码盘厚度相同的情况下，产品的结构强度优于现有技术中的体硅材料，避免由于齿牙干涉(鉴别到误码)时强度不足而根折，进而使机构、装置失效；3.采用本实用新型可以实现微机电安全密码锁编码齿轮的光整加工。本实用新型可应用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动，可以实现零件表面对于模具表面状况的纳米级复制的加工工艺。避免了传统表面微机械工艺加工中常出现尖锐的边缘(其曲率半径仅为几个纳米)，从而引起应力场的异常分布，使载荷集中而发生失效等不足；4.采用本实用新型装置可以实现微机电安全密码锁编码齿轮的微型挤压制造加工；5.采用本实用新型装置可以实现微机电安全密码锁编码齿轮的非晶金属化。应用Zr、La、Ti、Cu、Fe、Pd、Pt、Pr、Mg、Al基大块非晶合金加工不同工作要求的编码齿轮；6.本实用新型装置应用微型直线马达提供初始位移，磁致伸缩致动器提供高精度的微动位移。两者的组合实现不同位移范围内的协调控制；7.本实用新型装置采用气保护非接触式加热炉保证工作区域均匀加热，避免坯料加热氧化；8.采用本实用新型加工装置可以根据需要灵活地更换模具，实现单层单齿编码齿轮和多层多齿编码齿轮的制造加工；9.本实用新型装置成形质量好，可有效控制轴偏心，保证齿形精度，甚至获得纳米级表面；10.本实用新型装置工模具装配灵活、结构紧凑、简单高效的特点。
图1是本实用新型的加工方法的原理图。
图2是本实用新型的加工装置结构示意图。
图3-1是本实用新型一个实施例中微机电安全密码锁编码齿轮的结构示意图。
图3-2为单层单齿编码齿轮模具结构剖视图。
图3-3为图3-2的俯视图。
图4-1是本实用新型另一个实施例中微机电安全密码锁编码齿轮的结构示意图。
图4-2为双层多齿编码齿轮模具结构剖视图。
图4-3为图4-2的俯视图。
具体实施方式
实施例1下面结合图2和图3-1、3-2具体说明本实施例。
本实用新型加工装置由微型直线马达1、上压头2、限位套筒3、磁致伸缩致动器4、气保护非接触式加热炉5、冲头底座6、冲头7、坯料8、模具9、垫块10、模座11、定位销12、下压头13、测温盲孔14、复位弹簧15和联结螺钉16组成，其中微型直线马达1与上压头2的顶部连接，用以施加较大的输出位移量。上压头2的颈部设有限位套筒3，避免过大的行程损坏磁致伸缩致动器4。上压头2的下端安装在气保护非接触式加热炉5内。非接触式加热炉5采用风扇将电阻丝产生热量均匀传入工作区域，最高温度600℃，由PLC控制加热温度，误差范围±1℃。非接触式加热炉5可以通入惰性气体(如氩气)，防止坯料加热氧化。冲头底座6上端面与磁致伸缩致动器4的底端面平行，在成形过程中传递力的作用。冲头底座6通过联结螺钉16与冲头7联结。冲头底座6底部通过复位弹簧15支撑在模座11。坯料8、模具9和垫块10依次置于的模座11的腔中。模座11为具有斜度的开口的凹槽型内腔结构，用于导向和出料。在模座11上部径向分布至少两个测温盲孔14，用于插入精密热电偶检测成形过程中坯料温度变化。定位销12将模座11固定于下压头13的上端面。
所述模具9为单层单齿编码齿轮凹模；所述驱动采用微型直线马达(1)与磁致伸缩致动器(4)的组合结构。
加工过程参见图1根据编码齿轮的具体轮廓尺寸，选择直径2mm，厚0.7mm的尺寸的大块Mg65Cu25Y10非晶合金坯料8，制备编码齿轮微型挤压模具。
将装有挤压模具的加工装置整体置于非接触式加热炉5中，通入10MPa氩气后开始加热，加热温度在180～200℃之间(本实施例以200℃为例)。
在单层单齿挤压模具9温度稳定后，快速放入大块非晶合金坯料8，继续加热至温度波动消失，稳定在180～200℃之间。
实施微型挤压成形，控制成形应变速率1×10-2～1×10-3s-1(本实施例以1×10-2s-1为例)。
成形结束后，快速卸载并取出装置置于大块铜板上冷却，避免坯料晶化。待装置冷却至室温取出成形后的编码齿轮。
其加工结果编码齿轮尺寸公差-0.01～+0.005mm，表面粗糙度0.5μm，完全满足设计指标。X射线表征成形后的编码齿轮材料保持非晶状态，机械性能良好。
实施例2下面结合图2和图4-1、4-2具体说明本实施例。其加工装置与实施例1不同之处在于模具9为双层多齿编码齿轮凹模。
加工过程1.根据编码齿轮的具体轮廓尺寸，选择直径2mm，厚1.6mm的尺寸的大块Mg65Cu25Y10非晶合金坯料8，制备编码齿轮微型挤压模具。
2.将装有挤压模具的加工装置整体置于非接触式加热炉5中，通入10MPa氩气后开始加热，加热温度在180～200℃之间(本实施例以180℃为例)。
3.在双层多齿挤压模具9温度稳定后，快速放入大块非晶合金坯料8，继续加热至温度波动消失，稳定在180～200℃之间。
4.实施微型挤压成形，控制成形应变速率1×10-2～1×10-3s-1(本实施例以1×10-3s-1为例)。
5.成形结束后，快速卸载并取出装置置于大块铜板上冷却，避免坯料晶化。待装置冷却至室温取出成形后的编码齿轮。
其加工结果编码齿轮尺寸公差-0.01～+0.005mm，表面粗糙度0.5μm，完全满足设计指标。X射线表征成形后的编码齿轮材料保持非晶状态，机械性能良好。
权利要求1.一种微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于包括微型直线马达(1)、上压头(2)、限位套筒(3)、磁致伸缩致动器(4)、气保护非接触式加热炉(5)、冲头底座(6)、冲头(7)、坯料(8)、模具(9)、模座(11)、下压头(13)，其中所述微型直线马达(1)与上压头(2)的顶部连接，上压头(2)的颈部设有限位套筒(3)，其下端安装在非接触式加热炉(5)内，冲头底座(6)上端面与磁致伸缩致动器(4)的底端面平行设置，冲头底座(6)与冲头(7)联结，冲头底座(6)底部通过复位弹簧(15)安装在固定于下压头(13)的上端面的模座(11)上；坯料(8)、模具(9)和垫块(10)依次置于的模座(11)的腔中；在模座(11)上部径向分布有至少两个插入精密热电偶用的测温盲孔(14)。
2.按照权利要求1所述微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于所述模座(11)为具有斜度的开口的凹槽型内腔结构。
3.按照权利要求1所述微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于所述非接触式加热炉(5)内通有惰性气体。
4.按照权利要求1所述微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于坯料(8)采用大块非晶合金。
5.按照权利要求2所述微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于所述驱动采用微型直线马达(1)与磁致伸缩致动器(4)的组合结构。
6.按照权利要求2所述微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于所述微型挤压模具(9)为单层单齿或多层多齿结构。
专利摘要本实用新型公开一种微机电安全密码锁编码齿轮加工装置。包括微型直线马达、上压头、限位套筒、磁致伸缩致动器、气保护非接触式加热炉、冲头底座、冲头、坯料、模具、模座、下压头，所述微型直线马达与上压头的顶部连接，上压头的颈部设有限位套筒，其下端安装在非接触式加热炉内，冲头底座上端面与磁致伸缩致动器的底端面平行设置，冲头底座与冲头联结，冲头底座底部通过复位弹簧安装在固定于下压头的上端面的模座上；坯料、模具和垫块依次置于的模座的腔中；在模座上部径向分布有至少两个插入精密热电偶用的测温盲孔。它具有设备投资小、工艺周期短、组件尺寸随模具设计进一步减小、装配灵活等特点。
文档编号B21K1/30GK2832337SQ200520092208
公开日2006年11月1日 申请日期2005年8月19日 优先权日2005年8月19日
发明者程明, 张士宏, 王忠堂 申请人:中国科学院金属研究所