專利名稱：微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及微細塑性加工技術領域，具體地說明是一種微機電安全密碼鎖(MEMS safety lock)編碼齒輪加工裝置，特別適用于抗干涉齒輪集機構(CMGcounter meshing gears mechanism)編碼齒輪的制造加工。
技術背景“要害事件(high-consequence event)”是指對系統(tǒng)的疏忽操作，可能導致生命、財產(chǎn)的災難性損失或危害環(huán)境的系統(tǒng)。微機電安全密碼鎖(MEMS safety lock)是一類用于確保“要害系統(tǒng)”安全性的裝置，也可稱為微鎖(microlock)、微型組合鎖(micro combination lock)、微型密碼鑒別器(micro discriminator)或微型使用控制開關(micro use-control switch)。
從結構上講，微機電安全密碼鎖由鎖體、控制回路、能量耦合通路三部分組成。典型的微機電安全密碼鎖含四個基本功能單元驅動器、鑒別器機構、耦合器和監(jiān)測器。驅動器是直線式或回轉式致動器，用以驅動鑒別器機構。鑒別器機構實現(xiàn)解鎖碼裝定，是密碼鑒別的核心；通常使用一個24字長的二元碼組(可表示為符號“A”，“B”的任意組合序列)解鎖，輸入意圖碼中任何一位誤碼，將導致鑒別器機構鎖定。耦合器實質上是一個需逐步動作才能閉合的常開型隔斷器，只有完全正確地輸入意圖碼才能將其逐步驅動到通路“耦合”的解鎖位置，使能量或信號得以穿越鎖體。用于內(nèi)建自檢的監(jiān)測器服務于裝置的可靠性與可測試性，不影響功能實現(xiàn)。
MEMS安全密碼鎖要求有以下特點尺寸小、重量小；數(shù)百個單件定制的鎖可同批批量制造，成本低廉；耐振動、沖擊；采用表面微機械加工時無需復雜的零件裝配。
目前，公知的微小型安全密碼鎖機構是“迷宮中的銷釘(Pin in themaze)”機構和“抗干涉齒輪集(CMGCounter meshing gears assembly)”機構。它們的功能是密碼符號的機械裝配；與安全密碼鎖其他零部件配合，實現(xiàn)用戶輸人符號與裝定密碼符號的逐個鑒別，錯誤的輸人符號將導致機構鎖定。作為安全密碼鎖的“鎖芯”，安全密碼鎖機構必然是單件定制的，以保證“一把鑰匙開一把鎖”。
“抗干涉齒輪集”機構由一對裝配有齒牙的“齒輪集”(或稱為“碼盤集”)軸平行并列布局構成。一對“齒輪集”是多層成對配伍“碼盤”的集合。不同實施例中，“碼盤對組”的層數(shù)、各碼盤的齒牙裝定設計(即在圓周上的某個分度位置上是否裝定齒牙)，與預定的解鎖密碼符號組合有關，也與機構的具體設計要求有關(是否“誤碼立即鎖定”、一把鎖是否允許有多組解鎖密碼等)。
“抗干涉齒輪集”機構的特點是機構結構簡單；密碼裝定邏輯較為復雜、隱含，安全性高；在安全密碼鎖裝置中，只需一種單向步進驅動裝置驅動“抗干涉齒輪集”機構，即可實現(xiàn)“密碼裝定與鑒別”、“誤碼齒牙干涉鎖定”、“裝置逐步解鎖到位”這三項密碼鎖裝置的核心功能。另外，從系統(tǒng)設計的安全性來考量，“抗干涉齒輪集”機構也有突出的優(yōu)勢。例如，與后級“能量門控機構(Energy gating mechanism)”的級聯(lián)接口環(huán)節(jié)上，可以容易地避免“單點失效(single point failure)”一類的安全性設計缺陷。
美國Sandia國家實驗室報道了用多層表面微機械工藝實現(xiàn)“抗干涉齒輪集”機構的實例，驅動裝置為靜電驅動器。目前，我國表面微機械工藝的應用幾乎空白；若用體硅加工制作“抗干涉齒輪集”機構，可能由于碼盤厚度不夠，導致一對齒牙因干涉(鑒別到誤碼)時的結構強度不夠而根折，進而使機構、裝置失效。另外，“抗干涉齒輪集”機構本身的“準3維(2維圖形沿第3維拉伸)”結構特點與LIGA工藝的特點吻合。因此，用LIGA工藝制作“抗干涉齒輪集”機構似乎是目前最佳的選擇。中國工程物理研究院的高楊等人在BSRF的LIGA實驗站制作的單個碼盤LIGA工藝樣品，材料為金屬鎳，強度難以保證實際使用。
實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術中LIGA技術設備投資大；工藝周期長；組件尺寸難以減??；將LIGA零件裝配成部件/整機仍有一定困難的種種不足，本實用新型的目的在于提供一種具有設備投資小、工藝周期短、組件尺寸隨模具設計進一步減小、裝配靈活的特點的微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置。
本實用新型技術方案包括微型直線馬達、上壓頭、限位套筒、磁致伸縮致動器、氣保護非接觸式加熱爐、沖頭底座、沖頭、坯料、模具、模座、下壓頭，微型直線馬達與上壓頭的頂部連接，用以施加較大的輸出位移量；上壓頭的頸部設有限位套筒，避免過大的行程損壞磁致伸縮致動器；上壓頭的下端安裝在惰性氣體保護下的非接觸式加熱爐內(nèi)；沖頭底座上端面與磁致伸縮致動器的底端面平行，在成形過程中傳遞力的作用。沖頭底座通過聯(lián)結螺釘與沖頭聯(lián)結；沖頭底座底部通過復位彈簧支撐在模座上；坯料(采用大塊非晶合金)、模具和墊塊依次置于的模座的腔中；模座為具有斜度的開口的凹槽型內(nèi)腔結構，用于導向和出料；在模座上部徑向分布至少兩個測溫盲孔，用于插入精密熱電偶檢測成形過程中坯料溫度變化；定位銷將模座固定于下壓頭的上端面。
實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪制造的關鍵在于零件尺寸微小對成形設備提出更高的要求。微成形設備行程一般為毫米級，精度達到微米級，傳統(tǒng)的成形裝置無法滿足微成形的要求。采用本實用新型加工裝置實現(xiàn)了微成形工藝過程。使用時，由微型直線馬達提供初始位移。在微成形過程中，由磁致伸縮致動器提供高精度的微動位移。在此情況下，實現(xiàn)不同位移范圍內(nèi)的協(xié)調控制。并且通過更換模具，可以實現(xiàn)單層單齒編碼齒輪和多層多齒編碼齒輪的制造加工。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型更具有如下優(yōu)點1.可以實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪的微塑性加工制造。與傳統(tǒng)表面微機械工藝相比，本實用新型加工裝置投資小、工藝周期短、組件尺寸可以進一步減小、裝配靈活；2.可以實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪的非晶金屬化。由于采用大塊非晶合金坯料，在碼盤厚度相同的情況下，產(chǎn)品的結構強度優(yōu)于現(xiàn)有技術中的體硅材料，避免由于齒牙干涉(鑒別到誤碼)時強度不足而根折，進而使機構、裝置失效；3.采用本實用新型可以實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪的光整加工。本實用新型可應用大塊非晶合金在過冷溫度區(qū)域內(nèi)的粘性流動，可以實現(xiàn)零件表面對于模具表面狀況的納米級復制的加工工藝。避免了傳統(tǒng)表面微機械工藝加工中常出現(xiàn)尖銳的邊緣(其曲率半徑僅為幾個納米)，從而引起應力場的異常分布，使載荷集中而發(fā)生失效等不足；4.采用本實用新型裝置可以實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪的微型擠壓制造加工；5.采用本實用新型裝置可以實現(xiàn)微機電安全密碼鎖編碼齒輪的非晶金屬化。應用Zr、La、Ti、Cu、Fe、Pd、Pt、Pr、Mg、Al基大塊非晶合金加工不同工作要求的編碼齒輪；6.本實用新型裝置應用微型直線馬達提供初始位移，磁致伸縮致動器提供高精度的微動位移。兩者的組合實現(xiàn)不同位移范圍內(nèi)的協(xié)調控制；7.本實用新型裝置采用氣保護非接觸式加熱爐保證工作區(qū)域均勻加熱，避免坯料加熱氧化；8.采用本實用新型加工裝置可以根據(jù)需要靈活地更換模具，實現(xiàn)單層單齒編碼齒輪和多層多齒編碼齒輪的制造加工；9.本實用新型裝置成形質量好，可有效控制軸偏心，保證齒形精度，甚至獲得納米級表面；10.本實用新型裝置工模具裝配靈活、結構緊湊、簡單高效的特點。


圖1是本實用新型的加工方法的原理圖。
圖2是本實用新型的加工裝置結構示意圖。
圖3-1是本實用新型一個實施例中微機電安全密碼鎖編碼齒輪的結構示意圖。
圖3-2為單層單齒編碼齒輪模具結構剖視圖。
圖3-3為圖3-2的俯視圖。
圖4-1是本實用新型另一個實施例中微機電安全密碼鎖編碼齒輪的結構示意圖。
圖4-2為雙層多齒編碼齒輪模具結構剖視圖。
圖4-3為圖4-2的俯視圖。
具體實施方式
實施例1下面結合圖2和圖3-1、3-2具體說明本實施例。
本實用新型加工裝置由微型直線馬達1、上壓頭2、限位套筒3、磁致伸縮致動器4、氣保護非接觸式加熱爐5、沖頭底座6、沖頭7、坯料8、模具9、墊塊10、模座11、定位銷12、下壓頭13、測溫盲孔14、復位彈簧15和聯(lián)結螺釘16組成，其中微型直線馬達1與上壓頭2的頂部連接，用以施加較大的輸出位移量。上壓頭2的頸部設有限位套筒3，避免過大的行程損壞磁致伸縮致動器4。上壓頭2的下端安裝在氣保護非接觸式加熱爐5內(nèi)。非接觸式加熱爐5采用風扇將電阻絲產(chǎn)生熱量均勻傳入工作區(qū)域，最高溫度600℃，由PLC控制加熱溫度，誤差范圍±1℃。非接觸式加熱爐5可以通入惰性氣體(如氬氣)，防止坯料加熱氧化。沖頭底座6上端面與磁致伸縮致動器4的底端面平行，在成形過程中傳遞力的作用。沖頭底座6通過聯(lián)結螺釘16與沖頭7聯(lián)結。沖頭底座6底部通過復位彈簧15支撐在模座11。坯料8、模具9和墊塊10依次置于的模座11的腔中。模座11為具有斜度的開口的凹槽型內(nèi)腔結構，用于導向和出料。在模座11上部徑向分布至少兩個測溫盲孔14，用于插入精密熱電偶檢測成形過程中坯料溫度變化。定位銷12將模座11固定于下壓頭13的上端面。
所述模具9為單層單齒編碼齒輪凹模；所述驅動采用微型直線馬達(1)與磁致伸縮致動器(4)的組合結構。
加工過程參見圖1根據(jù)編碼齒輪的具體輪廓尺寸，選擇直徑2mm，厚0.7mm的尺寸的大塊Mg65Cu25Y10非晶合金坯料8，制備編碼齒輪微型擠壓模具。
將裝有擠壓模具的加工裝置整體置于非接觸式加熱爐5中，通入10MPa氬氣后開始加熱，加熱溫度在180～200℃之間(本實施例以200℃為例)。
在單層單齒擠壓模具9溫度穩(wěn)定后，快速放入大塊非晶合金坯料8，繼續(xù)加熱至溫度波動消失，穩(wěn)定在180～200℃之間。
實施微型擠壓成形，控制成形應變速率1×10-2～1×10-3s-1(本實施例以1×10-2s-1為例)。
成形結束后，快速卸載并取出裝置置于大塊銅板上冷卻，避免坯料晶化。待裝置冷卻至室溫取出成形后的編碼齒輪。
其加工結果編碼齒輪尺寸公差-0.01～+0.005mm，表面粗糙度0.5μm，完全滿足設計指標。X射線表征成形后的編碼齒輪材料保持非晶狀態(tài)，機械性能良好。
實施例2下面結合圖2和圖4-1、4-2具體說明本實施例。其加工裝置與實施例1不同之處在于模具9為雙層多齒編碼齒輪凹模。
加工過程1.根據(jù)編碼齒輪的具體輪廓尺寸，選擇直徑2mm，厚1.6mm的尺寸的大塊Mg65Cu25Y10非晶合金坯料8，制備編碼齒輪微型擠壓模具。
2.將裝有擠壓模具的加工裝置整體置于非接觸式加熱爐5中，通入10MPa氬氣后開始加熱，加熱溫度在180～200℃之間(本實施例以180℃為例)。
3.在雙層多齒擠壓模具9溫度穩(wěn)定后，快速放入大塊非晶合金坯料8，繼續(xù)加熱至溫度波動消失，穩(wěn)定在180～200℃之間。
4.實施微型擠壓成形，控制成形應變速率1×10-2～1×10-3s-1(本實施例以1×10-3s-1為例)。
5.成形結束后，快速卸載并取出裝置置于大塊銅板上冷卻，避免坯料晶化。待裝置冷卻至室溫取出成形后的編碼齒輪。
其加工結果編碼齒輪尺寸公差-0.01～+0.005mm，表面粗糙度0.5μm，完全滿足設計指標。X射線表征成形后的編碼齒輪材料保持非晶狀態(tài)，機械性能良好。
權利要求1.一種微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于包括微型直線馬達(1)、上壓頭(2)、限位套筒(3)、磁致伸縮致動器(4)、氣保護非接觸式加熱爐(5)、沖頭底座(6)、沖頭(7)、坯料(8)、模具(9)、模座(11)、下壓頭(13)，其中所述微型直線馬達(1)與上壓頭(2)的頂部連接，上壓頭(2)的頸部設有限位套筒(3)，其下端安裝在非接觸式加熱爐(5)內(nèi)，沖頭底座(6)上端面與磁致伸縮致動器(4)的底端面平行設置，沖頭底座(6)與沖頭(7)聯(lián)結，沖頭底座(6)底部通過復位彈簧(15)安裝在固定于下壓頭(13)的上端面的模座(11)上；坯料(8)、模具(9)和墊塊(10)依次置于的模座(11)的腔中；在模座(11)上部徑向分布有至少兩個插入精密熱電偶用的測溫盲孔(14)。
2.按照權利要求1所述微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于所述模座(11)為具有斜度的開口的凹槽型內(nèi)腔結構。
3.按照權利要求1所述微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于所述非接觸式加熱爐(5)內(nèi)通有惰性氣體。
4.按照權利要求1所述微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于坯料(8)采用大塊非晶合金。
5.按照權利要求2所述微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于所述驅動采用微型直線馬達(1)與磁致伸縮致動器(4)的組合結構。
6.按照權利要求2所述微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置，其特征在于所述微型擠壓模具(9)為單層單齒或多層多齒結構。
專利摘要本實用新型公開一種微機電安全密碼鎖編碼齒輪加工裝置。包括微型直線馬達、上壓頭、限位套筒、磁致伸縮致動器、氣保護非接觸式加熱爐、沖頭底座、沖頭、坯料、模具、模座、下壓頭，所述微型直線馬達與上壓頭的頂部連接，上壓頭的頸部設有限位套筒，其下端安裝在非接觸式加熱爐內(nèi)，沖頭底座上端面與磁致伸縮致動器的底端面平行設置，沖頭底座與沖頭聯(lián)結，沖頭底座底部通過復位彈簧安裝在固定于下壓頭的上端面的模座上；坯料、模具和墊塊依次置于的模座的腔中；在模座上部徑向分布有至少兩個插入精密熱電偶用的測溫盲孔。它具有設備投資小、工藝周期短、組件尺寸隨模具設計進一步減小、裝配靈活等特點。
文檔編號B21K1/30GK2832337SQ200520092208
公開日2006年11月1日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權日2005年8月19日
發(fā)明者程明, 張士宏, 王忠堂 申請人:中國科學院金屬研究所