专利名称：精密微塑性成形系统的制作方法
技术领域：
本发明属于微机电系统器件制造技术的应用，具体涉及微型零件的塑性成形设备。
背景技术：
随着微/纳米科学技术的不断发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机电系统技术受到人们的高度重视，其中微型零件(几何尺寸为微米级)的加工技术是微机电系统技术的基础支撑技术，它要求能够低成本、批量提供高质量的微型零件，而传统的精细加工技术已很难满足这些要求，微塑性成形技术正是在这一背景下产生和发展起来的，微塑性成形技术具有可用于多种材料的加工以及生产的零件具有强度高、使用寿命长的优点，但由于零件非常微小，要求加工过程中进给的位移量要非常小，加载的速度要非常慢，加工精度也要非常高，这样才能生产出高质量的产品，目前市场上急需能够满足以上要求从而生产出高质量产品的微塑性成形设备系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够高质量地加工微米级零件的微塑性成形系统。一种精密微塑性成形系统，它包括模具组件、至少二根电热棒2、施压机构3、进给机构4、温控组件和力传感器6，模具组件由支座1-1、模座1-2、顶柱1-3、垫环1-4、弹簧1-5、下冲头1-6、凹模1-7、上冲头1-8和冲头导套1-9组成，模座1-2设置在支座1-1的内腔中，模座1-2的上端面的中心处开有工作腔1-2-1，工作腔1-2-1中由下向上顺序设置有弹簧1-5、垫环1-4、凹模1-7和上冲头1-8，顶柱1-3被弹簧1-5所环绕，凹模1-7的中心处的上下端面间开有型腔1-7-1，下冲头1-6的上端伸入凹模1-7的型腔1-7-1的下端，下冲头1-6的下端支承在顶柱1-3的上端面的中心处，上冲头1-8的下端与冲头导套1-9的内孔配合，冲头导套1-9连接在模座1-2的上端面上，模座1-2的上端面上的圆周边缘处开有至少二个盲孔1-2-2，盲孔1-2-2沿模座1-2的圆周方向均匀分布，盲孔1-2-2中设置有电热棒2，上冲头1-8的上方由下向上依次设置有施压机构3、力传感器6和进给机构4，温控组件与电热棒2相连接。把待加工的坯料放在模具组件的凹模1-7的型腔1-7-1中，然后对电热棒2进行通电加热，温控组件通过控制电热棒2的给电和断电来保证模座1-2保持在给定的恒温。本系统采用宏动与微动相结合，两者交替工作来完成成形过程，先通过进给机构4使力传感器6和施压机构3下移并与上冲头1-8接触，用力传感器6来检测两者接触的紧密程度，达到力的设定值后停止进给，接下来由施压机构3工作，施压机构3的向下压力作用在上冲头1-8上，上冲头1-8向下压凹模1-7，由于凹模1-7是靠弹簧1-5支撑的，可以向下移动，而设置在型腔1-7-1中的坯料放置在固定不动的下冲头1-6上，不能移动，因此坯料在上冲头1-8和下冲头1-6之间成形力的作用下发生塑性变形。当达到施压机构输出位移极限后，施压机构3不再对坯料的上表面形成压力，需要进给机构4再提供一次进给量，经过反复多次的进给和施压直到坯料充填凹模1-7的型腔1-7-1并完成整个塑性微成形过程。通过加热使待加工的坯料具有良好的塑性，加热的温度被温控组件调控为一个适宜的恒定的温度，从而保证了零件的加工质量，由于加工成形的零件的外形尺寸都在微米级，加载速度稍快或位移量稍大所造成的微小失误都会给零件的质量带来极大影响，因此采用压电陶瓷驱动器来施压，又因为压电陶瓷驱动器的极限输出位移较小，不能满足一次施压即成形的需要，因此本发明的系统采用了宏动和微动相结合的塑性成形方式，微动时采用压电陶瓷做驱动器，易于实现加载速度和位移量的精确控制，从而保证了加工质量。本发明具有设计合理、结构严谨和工作可靠的优点。
图1是本发明的结构示意图，图2是本发明模具组件的放大结构示意图，图3是实施方式一中温控组件的结构示意图，图4是实施方式五的结构示意图，图5是实施方式七的结构示意图。
具体实施例方式
一；下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式。它由模具组件、至少二根电热棒2、施压机构3、进给机构4、温控组件和力传感器6组成，模具组件由支座1-1、模座1-2、顶柱1-3、垫环1-4、弹簧1-5、下冲头1-6、凹模1-7、上冲头1-8和冲头导套1-9组成，模座1-2设置在支座1-1的内腔中，模座1-2的上端面的中心处开有工作腔1-2-1，工作腔1-2-1中由下向上顺序设置有弹簧1-5、垫环1-4、凹模1-7和上冲头1-8，顶柱1-3被弹簧1-5所环绕，凹模1-7的中心处的上下端面间开有型腔1-7-1，下冲头1-6的上端伸入凹模1-7的型腔1-7-1的下端，下冲头1-6的下端支承在顶柱1-3的上端面的中心处，上冲头1-8的下端与冲头导套1-9的内孔配合，冲头导套1-9连接在模座1-2的上端面上，模座1-2的上端面上的圆周边缘处开有至少二个盲孔1-2-2，盲孔1-2-2沿模座1-2的圆周方向均匀分布，盲孔1-2-2中设置有电热棒2，上冲头1-8的上方由下向上依次设置有施压机构3、力传感器6和进给机构4，温控组件与电热棒2相连接。所述温控组件由热电偶5-1、PID反馈控制电路5-2、可控硅5-3、交流电源Vab组成，热电偶5-1插在模座1-2侧面上的孔中，热电偶5-1的输出端连接PID反馈控制电路5-2的输入端，PID反馈控制电路5-2的输出端接可控硅5-3的控制极，可控硅5-3的一端接交流电源Vab的一端，可控硅5-3的另一端接电热管2的一端，电热管2的另一端接交流电源Vab的另一端。通过热电偶5-1能检测到模座1-2的温度，并把温度信号输入PID反馈控制电路5-2，由PID反馈控制电路5-2进行反馈控制并把结果通过可控硅5-3输出，从而保证模座1-2的温度恒定在一个精确的较窄的温差范围内。
具体实施方式
二下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，施压机构3由压电陶瓷驱动器3-1、陶瓷球3-2、外壳3-3和压电陶瓷控制器3-4组成，陶瓷球3-2支承在上冲头1-8的上表面的中心处，压电陶瓷驱动器3-1竖直设置并且其下端部支承在陶瓷球3-2上，力传感器6设置在压电陶瓷驱动器3-1的上端面上，外壳3-3罩在力传感器6、压电陶瓷驱动器3-1和陶瓷球3-2的外面并且与位于其下端的支座1-1固定连接，压电陶瓷控制器3-4连接在压电陶瓷驱动器3-1的电源线上。用压电陶瓷驱动器3-1做为施压的动力源，使力的作用方式更合理，而且便于控制。压电陶瓷驱动器3-1的型号是Pst150/14/100/VS20，力传感器6的型号是PR6211/12/D1，压电陶瓷控制器3-4的型号是PPC-1AR0150。
具体实施方式
三下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是，进给机构4由支架4-1、步进电机4-2、传动丝杠4-3、螺母4-6和步进电机控制器4-4组成，支架4-1固连在外壳3-3的上端面上，步进电机4-2固定在支架4-1的上顶部上，传动丝杠4-3连接在步进电机4-2上，传动丝杠4-3的下端连接螺母4-6，螺母4-6固定在力传感器6的上端面上，步进电机控制器4-4连接在步进电机4-2的电源线上。其它组成和连接关系与实施方式二相同。如此设置的进给机构，动作更精确，控制更容易。步进电机的型号是17HF001，步进电机控制器4-4的控制卡型号是HIT6502，步进电机控制器4-4的驱动器型号是SH-2H042Mb。
具体实施方式
四下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式三的不同点是它还包括位移传感器7，位移传感器7的上端与外壳3-3固定连接，位移传感器7的触头端与固定在上冲头1-8上的支臂1-8-1的上表面相接触。其它组成和连接关系与实施方式三相同。位移传感器7能把上冲头1-8位移变化精确地测出来，以便在塑性成形过程中随时进行信息反馈和控制。位移传感器的型号是MDSL-1B2000。
具体实施方式
五下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同点是，它还包括微型计算机8，微型计算机8的一个输入端连接力传感器6的一个输出端，微形计算机8的另一个输入端与位移传感器7的输出端相连接，微型计算机8的一个输出端连步进电机控制器4-4的输入端，微型计算机8的另一个输出端连接压电陶瓷控制器3-4的输入端。通过预先在微型计算机8中设定的数据和程序对检测到的数据进行运算和处理，从而自动控制本发明的塑性成形过程的各个步骤，既节省了人力，又保证了工作质量。
具体实施方式
六下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，它还包括顶出杆9，顶出杆9由圆盘9-2、螺纹杆9-1和圆盘9-3组成，圆盘9-2设置在工作腔1-2-1内的底部并固连在顶柱1-3的下表面上，模座1-2的工作腔1-2-1的底部开有螺纹孔1-2-3，螺纹杆9-1旋合在螺纹孔1-2-3上，螺纹杆9-1的下端部固定有圆盘9-3。圆盘9-2与顶柱1-3固连后，提高了顶柱1-3的定位的精度，进而提高了顶柱1-3工作的稳定性。塑性成形结束后可以用顶出杆9顶出并卸下被加工完毕的零件。
具体实施方式
七下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是，进给机构4由旋钮4-5组成，外壳3-3的上顶部开有螺纹孔3-3-1，旋钮4-5旋合在螺纹孔3-3-1中，旋钮4-5的下端部压在力传感器6的上顶部上。此种设置的进给机构4结构简单、工作可靠。
权利要求
1.精密微塑性成形系统，其特征在于它包括模具组件、至少二根电热棒(2)、施压机构(3)、进给机构(4)、温控组件和力传感器(6)，模具组件由支座(1-1)、模座(1-2)、顶柱(1-3)、垫环(1-4)、弹簧(1-5)、下冲头(1-6)、凹模(1-7)、上冲头(1-8)和冲头导套(1-9)组成，模座(1-2)设置在支座(1-1)的内腔中，模座(1-2)的上端面的中心处开有工作腔(1-2-1)，工作腔(1-2-1)中由下向上顺序设置有弹簧(1-5)、垫环(1-4)、凹模(1-7)和上冲头(1-8)，顶柱(1-3)被弹簧(1-5)所环绕，凹模(1-7)的中心处的上下端面间开有型腔(1-7-1)，下冲头(1-6)的上端伸入凹模(1-7)的型腔(1-7-1)的下端，下冲头(1-6)的下端支承在顶柱(1-3)的上端面的中心处，上冲头(1-8)的下端与冲头导套(1-9)的内孔配合，冲头导套(1-9)连接在模座(1-2)的上端面上，模座(1-2)的上端面上的圆周边缘处开有至少二个盲孔(1-2-2)，盲孔(1-2-2)沿模座(1-2)的圆周方向均匀分布，盲孔(1-2-2)中设置有电热棒(2)，上冲头(1-8)的上方由下向上依次设置有施压机构(3)、力传感器(6)和进给机构(4)，温控组件与电热棒(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的精密微塑性成形系统，其特征在于所述温控组件由热电偶(5-1)、PID反馈控制电路(5-2)、可控硅(5-3)、交流电源(Vab)组成，热电偶(5-1)插在模座(1-2)测面上的孔中，热电偶(5-1)的输出端连接PID反馈控制电路(5-2)的输入端，PID反馈控制电路(5-2)的输出端接可控硅(5-3)的控制极，可控硅(5-3)的一端接交流电源(Vab)的一端，可控硅(5-3)的另一端接电热管(2)的一端，电热管(2)的另一端接交流电源(Vab)的另一端。
3.根据权利要求1所述的精密微塑性成形系统，其特征在于施压机构(3)由压电陶瓷驱动器(3-1)、陶瓷球(3-2)、外壳(3-3)和压电陶瓷控制器(3-4)组成，陶瓷球(3-2)支承在上冲头(1-8)的上表面的中心处，压电陶瓷驱动器(3-1)竖直设置并且其下端部支承在陶瓷球(3-2)上，力传感器(6)设置在压电陶瓷驱动器(3-1)的上端面上，外壳(3-3)罩在力传感器(6)、压电陶瓷驱动器(3-1)和陶瓷球(3-2)的外面并且与位于其下端的支座(1-1)固定连接，压电陶瓷控制器(3-4)连接在压电陶瓷驱动器(3-1)的电源线上。
4.根据权利要求3所述的精密微塑性成形系统，其特征在于进给机构(4)由支架(4-1)、步进电机(4-2)、传动丝杠(4-3)、螺母(4-6)和步进电机控制器(4-4)组成，支架(4-1)固连在外壳(3-3)的上端面上，步进电机(4-2)固定在支架(4-1)的上顶部上，传动丝杠(4-2)连接在步进电机(4-2)上，传动丝杠(4-2)的下端连接螺母(4-6)，螺母(4-6)固定在力传感器(6)的上端面上，步进电机控制器(4-4)连接在步进电机(4-2)的电源线上。
5.根据权利要求3所述的精密微塑性成形系统，其特征在于它还包括位移传感器(7)，位移传感器(7)的上端与外壳(3-3)固定连接，位移传感器(7)的触头端与固定在上冲头(1-8)上的支臂(1-8-1)的上表面相接触。
6.根据权利要求5所述的精密微塑性成形系统，其特征在于它还包括微型计算机(8)，微型计算机(8)的一个输入端连接力传感器(6)的一个输出端，微形计算机(8)的另一个输入端与位移传感器(7)的输出端相连接，微型计算机(8)的一个输出端连步进电机控制器(4)的输入端，微型计算机(8)的另一个输出端连接压电陶瓷控制器(3-4)的输入端。
7.根据权利要求1所述的精密微塑性成形系统，其特征在于它还包括顶出杆(9)，顶出杆(9)由圆盘(9-2)、螺纹杆(9-1)和圆盘(9-3)组成，圆盘(9-2)设置在工作腔(1-2-1)内的底部并固连在顶柱(1-3)的下表面上，模座(1-2)的工作腔(1-2-1)的底部开有螺纹孔(1-2-3)，螺纹杆(9-1)旋合在螺纹孔(1-2-3)上，螺纹杆(9-1)的下端部固定有圆盘(9-3)。
8.根据权利要求3所述的精密微塑性成形系统，其特征在于进给机构(4)由旋钮(4-5)组成，外壳(3-3)的上顶部开有螺纹孔(3-3-1)，旋钮(4-5)旋合在螺纹孔(3-3-1)中，旋钮(4-5)的下端部压在力传感器(6)的上顶部上。
全文摘要
本发明公开了一种微型零件的塑性成形设备——一种精密微塑性成形系统，它包括模具组件、至少二根电热棒(2)、施压机构(3)、进给机构(4)、温控组件和力传感器(6)，上冲头、下冲头和凹模共同完成坯料的塑性成形。模具组件的上方由下向上依次设置有施压机构(3)、力传感器(6)和进给机构(4)，温控组件与电热棒(2)相连接。电热棒(2)进行通电加热，温控组件通过控制电热棒(2)保证模座(1－2)保持在给定的恒温，由于加工成形的零件的外形尺寸都在微米级，加载速度稍快或位移量稍大所造成的微小失误都会给零件的质量带来极大影响，因此本发明的系统采用了压电陶瓷驱动器来施压，通过计算机控制加载速度和位移量，从而保证了加工质量。本发明具有设计合理、结构严谨和工作可靠的优点。
文档编号B29C43/02GK1513660SQ0313255
公开日2004年7月21日 申请日期2003年8月6日 优先权日2003年8月6日
发明者单德彬, 郭斌, 王春举, 曲东升, 荣伟彬, 孙立宁, 袁林 申请人:哈尔滨工业大学