专利名称：一种微器件的微塑性成形方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种微器件的微塑性成形方法及装 置，其适用于微金属器件的微塑性成形，特别适合于常规微成形方法难以成形或无法成形的 材料微成形，可以实现微器件的低成本批量化生产。
背景技术：
微型化是得到有竞争力和多功能工程系统的重要途径，产品微型化已成为工业界不可阻 挡的趋势。以外形尺寸或操作尺度微小为特征的微机电系统(MEMS)在能耗、响应时间、 精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，在航空航天、精密仪器、生物 医疗和国防等领域具有广阔的发展前景。随着微机电系统的迅速发展，对各种材料的微型零 件需求量越来越大，同时对微器件的加工工艺、加工成本和批量等也提出了新的要求，其最 终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。面向MEMS的微机械加工技术和工艺目前大多是借用微电子的集成电路工艺，主要依赖 于深反应离子蚀刻、光刻、LIGA等微细加工技术，但局限于加工准三维直壁立体结构，无 法满足三维复杂形状微器件的批量加工要求，也限制了加工材料的多样性。另外，由于采用 硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的硅基材料和金属相 比在机械性能方面相对逊色。可见研究适用于微器件成形的新材料和新技术非常迫切。而宏 观塑性成形技术具有高效率、高精度、无污染、净成形、低成本批量制造零件的特点，为此， 微塑性成形技术在微器件制造领域得到了很大发展，拓宽了该项技术的应用范围。微塑性成 形技术应用各种塑性成形方法，可以精密成形特征尺寸在500nm 500nm范围内的各种复杂 微器件，而且微塑性成形也大大拓宽了成形材料的种类。另一方面，随着成形件几何尺寸的 微小化，由微小化带来的"尺寸效应"引起了一系列新问题，对微成形方法、设备和模具提 出了新的要求，传统的针对大尺寸零件成形的塑性成形技术、成形系统和工艺参数等都不能
简单按照相似定律縮小应用到微塑性成形方法和系统中。国内外在微塑性成形方面研究较多有微挤压、微压印、微弯曲、微拉深、微冲压、微锻、 微轧制和微无模成形工艺，并对微塑性成形系统也进行了研究。日本学者Y.Saotome(J. Mater. Process. Tech. 2000,119: 307-311)设计和制造了具有一定实用意义的反挤压微成形机械系统， 并利用微反挤成形技术制造出了齿高为10urn的微齿轮(Microsystem Technologies. 2000， 126-129)， S.Kurimoto (Proceeding of the 7th ICTP. 2002:391-396)研制出由压电材料驱动机构 驱动的微冲孔压力机，可以实现超精密微冲孔，M.Geiger (A皿als of the CIRP. 2001, 50 (2): 445-462)教授对微器件的冷锻工艺进行了研究，U.Engd等人成功采用温微锻成形了难加工 材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and Nano Technology. 2003， 69-72)，国内学者也对超塑性微成形系统及工艺(锻压技术.2005, 3:56-59)进行了研究。经 检索国内外已有为数不多的关于微塑性成形的专利技术报道，美国密苏里大学Rajiv S. Mishra申请专禾U: Superplastic Forming of Micro Components (微器件的超塑性成形方法)，批 准号为US6655575,其原理是采用摩擦生热的方法将加工材料加热到超塑性温度范围，与此 同时完成微成形过禾呈。曰本Tsuyoshi Masumoto申请专禾U: Forming process of amorphous alloy material (非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368,其原理是应用油浴或者加热炉 对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利200510010099.4、 03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形，中国专利 02159403.1报导了利用激光固化实现对含有微细纤维强化材料的微型零部f^加工。目前微塑性成形的研究和专利大多集中在冷成形和超塑性微成形，但存在下列问题1. 成形材料和成形工艺受到限制，尤其是难成形材料的微器件成形无法在微冷成形条 件下完成。2. 由于微冷成形的变形抗力大，而且受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响较大，造成 微成形变形、材料流动不均匀，工艺参数不稳定。超塑性微成形对所工件材料有特殊要求， 需要材料具备超塑性性能。3. 微塑性成形系统中的加热绝大部分采用间接式(将热电偶埋入模具之内)或者接触 式的加热(油浴、加热炉、或者摩擦式加热)，工序复杂而且温度不易控制，而且应用范围 比较狭窄，主要应用于超塑性材料微成形的加热。4. 超塑性微成形对所工件材料有特殊要求，需要材料具备超塑性性能。 激光技术自20世纪60年代问世以来，激光加工在宏观和微观领域内的应用非常广泛。以激光为热源进行塑性成形或者对加工材料进行加热的工艺有很多，例如激光弯曲、激光切 割、激光焊接、激光表面处理、激光冲击成形、激光打孔和激光等。但是针^1敖塑性成形工 艺，利用激光对工件材料进行辅助加热达到微温成形或者微热成形温度的方法和装置目前为 止还没有。发明内容本发明的目的是提供一种能有效提高材料的微成形性能的微塑性成形方法及装置，以克 服上述缺陷。本发明所提供的一种微器件的微塑性成形方法，其特征在于平顶型激光通过光路系统， 经过可透射凸模对微小工件进行非接触式准静态加载，利用激光的热作用对〗散小工件的加热 和热传导，直至工件材料达到适合微温成形或者微热成形的温度范围；同时，通过加载系统 使凸模向凹模作进给运动，实现凸模对微毛坯的加载作用，完成微塑性成形。具体方法为 先利用三轴手动调节定位工作台和三轴微调定位工作台结合由CCD、半透半反镜和白光源组 成的观测子系统调整微成形系统和激光加热系统，完成凸模和凹模的对中，并使激光加热系 统对准工件的预加热位置，接着使激光器发出的调制成平顶型的入射激光束依次经过光路系 统中的光束扩展器、激光安全快门、三棱镜、准直器、半透半反镜、滤光镜、光阑和短焦物 镜，通过五位调节架调节短焦物镜与坯料之间的距离，控制光斑的大小，得到的理想光束经 过压力施加机构、测力传感器、带中心圆孔的压板、微致动器、凸模垫板，透过凸模到达坯 料直接辐射工件材料，在极短时间内工件达到微热塑性成形所需要的温度范围。此时，由压 力施加机构带动测力传感器、压板和微致动器，使凸模向下运动，通过力传感器来检测凸模
和工件的接触程度，达到预定值后停止进给。然后加载系统的微致动器作为动力源，推动凸 模继续下行，其中下行的速度和位移由成形载荷控制器控制，最终完成微器件的成形。另外， 在成形过程中，测力传感器、成形载荷控制器分别检测到成形载荷和成形过程的总体变形量， 经A/D转换器输入到计算机，做出纪录和反馈控制，并可以将结果输出到打印机。整个微塑 性成形过程由计算机来控制，保证了成形件的质量和精度。本发明所提供的一种微器件的微塑性成形装置，包括安装平台、微成形系统、加载系统、 激光加热系统和控制系统五部分。安装平台由外壳、真空泵、三轴手动调节定位工作台和三 轴微调定位工作台组成，三轴手动调节定位工作台和三轴微调定位工作台依次由下至上安置 于外壳底部，真空泵通过外壳右下侧的管道使成形系统处于真空状态；微成形系统安置于三 轴微调定位工作台上面，由下到上依次为凹模垫板、凹模、凸模导套、凸模和凸模垫板；加 载系统安装于凸模垫板之上，由下到上依次为微致动器、压板、测力传感器和压力施加机构， 压力施加机构由步进电机驱动；激光加热系统位于该装置最上方，由激光器和光路系统组成， 其中光路系统由依次安置的光束扩展器、激光安全快门、三棱镜、准直器、半透半反镜、滤 光镜、光阑、短焦物镜和与短焦物镜相连的五位调节架以及安置于半透半反镜上方的由CCD、 半透半反镜和白光源组成的观测子系统组成；控制系统包括A/D转换器、计算机、D/A转换 器、图像采集器、成形载荷控制器和打印机，其中成形载荷控制器一端与微致动器和压力施 加机构相连，另一端通过D/A转换器与计算机相连，控制着成形力和位移。本发明采用的技术方案本发明提出的微塑性成形技术，它直接以平顶型激光(最大功率300mW，波长1024nm) 为热源，对难成形的微小工件材料进行均匀化加热，通过热传递使工件迅速达到微热成形的 温度范围， 一般低于材料的再结晶温度，温度的增加可以减小应变强化的影响，降低变形抗 力，然后通过微成形模具对工件施加载荷，获得与模具形状相匹配的微器件。成形材料包括 金
压印、微冲孔等多种微体积成形和微板料成形，容易实现微器件的微塑性成形。通过改变凸 凹模结构可以成形形状复杂的三维微小型零件，而且适于批量生产。可以通过改变激光脉宽、能量、光斑直径、重复频率等激光参数来调整温度边界条件， 通过控制照射区域和照射时间的长短，可获得精确的温度梯度和温度分布。本发明的热载荷加载方式有两种1. 通过激光器电源及控制系统使激光器能量连续变化。2. 通过控制激光在工件上的照射区域和照射时间，从而调节激光在工件上的能量加载。 本发明具有如下技术优势1. 通过激光加热工件材料的微塑性成形方法不仅可以减小应变强化的影响，降低材料 变形抗力，而且增加材料流动的均匀性，因此可实现难成形材料的微成形，如钦合金的微挤 压成形。2. 平顶型激光能够实现对工件边界的均匀化加热，温享梯度小，微成形过程均匀。3. 通过控制激光的功率、能量和光斑直径等参数可以直接控制激光与工件材料之间的 热作用，达到精确控制工件的温度分布和所需温度，所以重复性好、易实1L自动化生产。4. 利用激光加热的微塑性成形方法简单实用，应用范围广，只要改变凸凹模结构即可 成形各种复杂三维微器件，为其他微塑性成形(如微锻、微拉拔、微弯曲等)提供了指导。5. 激光加热是非接触式加热，与毛坯之间没有外加机械力的作用，而且是直接照射加热，工艺简单。6. 激光束易于聚焦，根据需要可任意调整形状和大小，可对毛坯进行区域选择性的加热。7. 提高了材料的成形性能，成形精确，成本低，效率高，特别适合于微器件的批量生产。8. 与现有的微成形系统中的加热技术相比，激光加热无环境污染，导向性能好，对试 件的形状无特殊要求。激光的热作用效果明显，加热时间短，效率高，无需再对模具进行预 热。9. 由于温度加热到材料再结晶温度之下，不仅没有易氧化、过度热膨胀等热挤压无法避免的问题，还可以减少冷挤压挤压成形力大、易受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响的缺 陷，提高了材料成形稳定性。10. 本发明在光路设计和成形系统中均采用了调节装置，微成形系统中还采用了多轴连 动的双工作台，能快速实现成形系统的定位，且易实现程序自动控制。
图1是根据本发明提出的微器件微塑性成形装置示意图。图2是本发明中激光加热系统示意图。图3是本发明中利用光纤的激光加热系统示意图。图4是本发明中整个微器件微塑性成形系统的控制系统示意图。(l)激光器 (2)光路系统 G)外壳(4)压力施加机构 (5)测力传感器 (6) 压板 (7)微致动器 (8)凸模垫板 (9)凸模 (10)真空泵 (11)三轴手动调节 定位工作台 (12)三轴微调定位工作台 (13)凹模垫板 (14)凹模 (15)坯料 (16) 凸模导套 (17) CCD (18)半透半反镜 (19)白光源 (20)半透半反镜 (21)滤 光镜 (22)光阑 (23)短焦物镜 (24)五位调节架 (25)准直器 (26)三棱镜 (27) 激光安全快门 (28)光束扩展器 (29)声光调制器 (30)单模光纤 (31)准直透镜 组 (32)成形载荷控制器 (33)图像采集器 (34)A/D转换器 (35)计算机 (36) 打印机 (37)D/A转换器具体实施方式
下面结合图l、图2、图3和图4详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。 整个微器件的微塑性成形系统由激光加热系统、微成形系统、加载系统、控制系统和安 装平台五部分。激光加热系统由激光器1连接光路系统2而成，光路系统2由激光器1、光 束扩展器28、设有安全措施的激光安全快门27、三棱镜26、准直器25、半透半反镜20、滤 光镜21、光阑22、调节光斑大小的短焦物镜23、调节物镜的五位调节架24，以及由CCD17、 半透半反镜18和白光源19组成的观测子系统组成。激光加热系统也可以由激光器1、声光 调制器29、单模光纤30、准直透镜组31，以及由CCD17、半透半反镜18和白光源19组成 的监测系统。微成形系统由安装凸模的凸模垫板8、凸模9、起导正作用和增强凸模刚度的 凸模导套16、凹模14、坯料15和凹模垫板13组成。加载系统由压力施加机构4、测力传感 器5、压板6和能够调节微小位移的微致动器7组成，能够调节成形载荷和成形速率。控制 系统包括A/D转换器34、计算机35、 D/A转换器37、图像采集器33、成形载荷控制器32、 打印机36组成，控制系统控制着成形力、位移、定位工作台、图像采集与处理。安装平台 由外壳3、将系统内部抽成真空的真空泵10、三轴手动调节定位工作台11和三轴微调定位 工作台12组成。本发明的方法为先利用三轴手动调节定位工作台11和三轴微调定位工作台12调整微成 形系统以及和光路之间的位置，接着激光器1发出的调制成平顶型的入射激光束通过光路系 统2，经过压力施加机构4、测力传感器5、带中心圆孔的压板6、微致动器7、凸模垫板8 和由可透光的高强度材料制成的凸模9，经聚焦后直接辐射工件材料15，在极短时间内工件 15达到微热塑性成形所需要的温度范围。此时，由压力施加机构4带动测力传感器5、压板 6和微致动器7，使凸模9向下运动，通过力传感器5来检测凸模9和工件15的接触程度， 达到预定值后停止进给。然后加载系统的微致动器7作为动力源，推动凸模9继续下行，成 形载荷控制器控制下行的速度和位移，实现控制输出的微成形力的目的。因为加热时间短， 来不及散热，能够保证在预定的温度范围内完成微成形过程。成形过程中测力传感器5、成 形载荷控制器32分别检测到成形载荷和成形过程的总体变形量，经A/D转换器34输入到计 算机35，做出纪录和反馈控制，并可以将结果输出到打印机36。图l是微器件的微塑性成形装置示意图，包括激光器l、光路系统2、外壳3、压力施加 机构4、测力传感器5、压板6、微致动器7、凸模垫板8、凸模9、真空泵IO、三轴手动调
节定位工作台ll、三轴微调定位工作台12、凹模垫板13、凹模14、坯料15、凸模导套16。 结合图1，激光加热系统由激光器(1)连接光路系统(2)而成。结合图l，微成形系统由凸模垫板8、凸模9、凸模导套16、凹模14、坯料15和凹模垫 板13组成。凸模垫板8用于固定凸模9，凸模垫板中心处开有通孔，以便^[光通过。凸模9 的材料是可透光、耐高温的高硬度材料，而且其强度要高于加工工件材料的强度。当凸模进 入凸模导套16时，凸模导套起导正作用和增强凸模刚度作用。坯料15放置于凹模14之内， 在凸模的作用下进行成形。凹模垫板13用于固定凸模9。结合图l，加载系统由压力施加机构4、测力传感器5、压板6和微致动器7组成。压力 施加机构4由步进电机驱动，达到预定值后停止进给，并由测力传感器5来检测凸模和工件 的接触程度。测力传感器5均匀分布在压力施加机构4和压板6之间，获得的数据取平均值。 压板中心处开有通孔，以便激光通过。微致动器7是作为后续动力源，推动凸模继续下行完 成最终精密微成形。图4是控制系统示意图，控制系统控制着成形力、位移、定位工作台、图像采集与处理， 包括A/D转换器34、计算机35、 D/A转换器37、图像采集器33、成形载荷控制器32和打 印机36。计算机一个输入端连接有图像采集器，另一输入端经A/D转换器34和力传感器5 相连接；两个输出端分别连接三轴微调定位工作台12和打印机36，另一输出端经过D/A转 换器37连接成形载荷控制器32，成形载荷控制器32连接并控制着压力施加机构4和微致动 器7。计算机自动控制整个微塑性成形过程，加快了工艺流程，保证了微器件的成形质量和 精度。结合图1，安装平台安装平台由外壳3、真空泵10、三轴手动调节定位工作台11和三轴 微调定位工作台12组成。外壳3用于系统的安置，真空泵10将外壳内部抽成真空，对于有 特殊要求的工作环境，可以充入惰性气体。三轴手动调节定位工作台11和三轴微调定位工 作台12均用于定位，对微成形系统进行调整，但是三轴微调定位工作台12用于精密微调。 三轴手动调节定位工作台12上面安装微成形系统中的凹模垫板。 图2所示为激光加热系统，调制成平顶型的激光1经光束扩展器28、激光安全快门27、 三棱镜26、准直器25、半透半反镜20、滤光镜21、光阑22和调节光斑大小的短焦物镜23， 并且透过凸模9到达坯料，实现对坯料的加热。激光安全快门27是一个安全元件，它使得 实验人员能够在完全符合保护眼睛安全的相关规定下进行激光设备的操作；五位调节架24 可以调节短焦物镜23与坯料之间的距离，从而达到控制光斑大小的目的。其中光路系统中 的CCD17、半透半反镜18和白光源19组成观测子系统，可以对温度分布以及成形过程进行 观测，还可以完成凸模和凹模的对中。激光器1的输出模式为平顶型分布，这样可以对工件 进行均匀化加热，使工件温度分布均匀，后续成形的材料流动性也能够得到改善。结合图2，白光源19为CCD17提供光源，使CCD可以对激光光束进行拍摄，经过图像 处理得到光斑中心，实现光斑和工件加热中心的对中。图3所示为釆用光纤的激光加热系统，激光器1经过由声光调制器29、单模光纤30、准 直透镜组31等组成的入射激光束光路系统直接照射工件，对工件进行准静态非接触式加热 使其达到适合材料微成形的温度范围。激光器l的输出模式为平顶型分布，这样可以对工件 进行均匀化加热，使工件温度分布均匀，后续成形的材料流动性也能够得到改善。结合图l、图2和图4，微成形系统位于三轴微调定位工作台12的上面，三轴微调定位 工作台和计算机相连接。利用CCD摄像头透过凸模来获取凹模型腔的平面图像，并由图像 采集器采集CCD拍摄的图像，计算机根据图像处理技术处理所得图像，根据定位精度和处 理结果，由计算机来控制三轴微调定位工作台中的Y向和X向步进电机来实现凸凹模的对 中。同时激光通过光路系统，透过凸模对放置于凹模14型腔内的工件15进行非接触式加热， 通过控制激光功率和光斑直径来达到预定温度，并由红外测温仪检测工件加热的温度，保证 温度在设定的有效范围之内，此种加热方式效率高且可控性好。在加热过程中，CCD可以对 激光光束进行拍摄，并由图像釆集器采集CCD拍摄的图像，经过图像处理得到光斑中心， 根据定位精度和处理结果，由五位调节架来实现光斑和工件中心的对中。接着成形载荷控制 器32控制压力施加机构4的加载状况，压力施加机构带动测力传感器5、压板6和微致动器 7，使凸模9向下运动，通过力传感器5来检测凸模9和工件15的接触程度，达到预定值后
停止进给。此时，成形载荷控制器32通过控制微致动器7来实现凸模9的动作和成形力， 加载系统的微致动器7启动，作为动力源，推动凸模9继续下行。成形过程中测力传感器5、 成形载荷控制器32分别检测到成形载荷和成形过程的总体变形量，经A/D转换器34输入到 计算机35，做出纪录和反馈控制，并可以将结果输出到打印机36。结合图1，通过更改凸模和凹模的形状，具体实施方式
不变，就可以完成各种难成形材 料的微塑性成形工艺。例如模具更改为为锻压模具，就可以实现微温锻；模具更换为微超塑 性模具，可以实现微超塑性成形；模具更换为校正模，可以实现微校正成形。更多的成形事 例不便胜举，这里仅阐明它的技术方案和实施方法。综上所述，本发明所涉及的一种微器件的微塑性成形方法及装置，将激光加热应用到微 器件的微塑性成形，解决了常规微加工方法难以成形三维复杂器件以及难成形材料难以成形 的问题，也解决了低成本和大批量生产微器件的问题，可以对本发明变形或者修改，以此借 用到其他微塑性成形方法。本发明的系统设计合理、可靠，工艺简单， 一致性好，而且适于 批量生产。
权利要求
1.一种微器件的微塑性成形方法，其特征在于激光通过光路系统，透过凸模直接对难成形的微小工件材料进行准静态加载，利用激光的热作用对工件进行非接触式加热，并通过热传导使材料达到适合热成形的温度，同时，通过微驱动系统使凸模向凹模作进给运动，加载系统和进给系统相结合实现凸模对微毛坯的加载作用，完成微塑性成形。
2. 为实施权利要求1所述的一种微器件的微塑性成形方法的装置，其包括安装平台、 微成形系统、加载系统、激光加热系统和控制系统五部分；安装平台由外壳(3)、真空泵(10)、 三轴手动调节定位工作台(11)和三轴微调定位工作台(12)组成，三轴手动调节定位工作 台(11)和三轴微调定位工作台(12)依次由下至上安置于外壳(3)底部，真空泵(10) 通过外壳(3)右下侧的管道使成形系统处于真空状态；微成形系统安置于三轴微调定位工 作台(12)上面，由下到上依次为凹模垫板(13)、凹模(14)、凸模导套(16)、凸模(9) 和凸模垫板(8);加载系统安装于凸模垫板(8)之上，由下到上依次为微致动器(7)、压 板(6)、测力传感器(5)和压力施加机构(4)，压力施加机构(4)由步进电机驱动；激光 加热系统位于该装置最上方，由激光器(1)和光路系统(2)组成，其中光路系统(2)由 依次安置的光束扩展器(28)、激光安全快门(27)、三棱镜(26)、准直器(25)、半透半反 镜(20)、滤光镜(21)、光阑(22)、短焦物镜(23)和与短焦物镜(23)相连的五位调节 架(24)以及安置于半透半反镜(20)上方的由CCD (17)、半透半反镜(18)和白光源(19) 组成的观测子系统组成；控制系统包括A/D转换器(34)、计算机(35)、 D/A转换器(37)、 图像采集器(33)、成形载荷控制器(32)和打印机(36)，其中成形载荷控制器(32) —端 与微致动器(7)和压力施加机构(4)相连，另一端通过D/A转换器(37)与计算机(35) 相连，控制着成形力和位移。
3. 根据权利要求2所述的一种微器件的微塑性成形装置，其特征在于激光器(1)的 输出模式为平顶型分布。
4. 根据权利要求2所述的一种微器件的微塑性成形装置，其特征在于凸模(9)材料 是可透光、高熔点高硬度材料。
全文摘要
一种微器件的微塑性成形方法及装置，涉及微器件制造和微塑性成形技术领域，特指，其装置包括激光加热系统、微成形系统、加载系统、控制系统和安装平台五部分，由激光器发出的平顶型激光束通过光路系统，经过可透射凸模直接加载于难成形的微小工件材料表面，利用激光热作用对工件的非接触式加热和热传导，加热工件到材料再结晶温度以下适合成形的温度范围。同时，通过微驱动系统使凸模向凹模作进给运动，加载系统和微驱动系统相结合实现凸模对微毛坯的加载作用，完成微塑性成形。本发明利用激光非接触式加热工件上表面的方式来降低材料的变形抗力，增加材料流动的均匀性，提高难成形材料的成形性能，适合微器件的批量生产，易实现自动化生产。
文档编号B21C29/00GK101130196SQ200710024690
公开日2008年2月27日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者盾 吕, 姚红兵, 孙日文, 凯 张, 戴亚春, 昆 杨, 匀 王, 董培龙, 兰 蔡, 袁国定, 许桢英 申请人:江苏大学