專利名稱：超塑性微成形裝置及其控制系統(tǒng)以及成形微型件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微成形裝置，特別是超塑性微成形裝置。還涉及這種超塑性微成形裝 置控制系統(tǒng)以及利用超塑性微成形裝置成形微型件的方法。
背景技術(shù)：
參照圖 5 ， 文獻 "Superplastic backward microextrusion of microparts for micro-electro-mechanical systems. Yasunori Saotome. Journal of Materials Processing Technology. 2001, 119:307 311"公開了一種以絲杠旋鈕為進給機構(gòu)的超塑性反擠壓微成形系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括模具組件、加熱爐13、壓電陶瓷驅(qū)動器5、絲杠旋鈕l、 PID溫控模塊18、力傳感器9， 加熱爐13固定在裝置本體15上，力傳感器9置于壓電陶瓷驅(qū)動器5與絲杠旋鈕1之間，由 PID溫控模塊18控制加熱爐13使模具組件和坯料處于給定的溫度范圍，通過熱電偶16測量 擠壓筒23的溫度，調(diào)節(jié)絲杠旋鈕1使得壓電陶瓷驅(qū)動器5與沖頭22緊密接觸，壓電陶瓷驅(qū) 動器5通電伸長，推動沖頭22，使得擠壓筒23內(nèi)的坯料被擠入凹模14中，當壓電陶瓷驅(qū)動 器5輸出位移達到最大時停止加載，手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕1推動壓電陶瓷驅(qū)動器5使其再次與 沖頭22緊密接觸以消除壓電陶瓷驅(qū)動器5斷電時伸長消失產(chǎn)生的間隙，然后進入下一個工作 循環(huán)，通過這種控制壓電陶瓷驅(qū)動器5的伸長和手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕1的交替工作方式，完成 微型零件的微反擠壓成形，擠壓過程中，由工控機20控制載荷控制器24，從而控制壓電陶 瓷驅(qū)動器5的通電伸長，由載荷控制器24采集力傳感器9的載荷信號，并傳輸至工控機20， 整個裝置置于真空罩8內(nèi)，使微擠壓在真空或特定氣體氛圍內(nèi)進行。
現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足采用絲杠旋鈕作為進給機構(gòu)，壓電陶瓷驅(qū)動器每次伸長消失時 均需手動調(diào)節(jié)旋鈕以完成進給運動，操作步驟多，且不易控制扭力的大小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)需要多次手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕才能完成微型零件的擠壓成形的不足，本 發(fā)明提供了一種超塑性微成形裝置，通過壓簧-楔塊機構(gòu)，使用工控機控制壓電陶瓷驅(qū)動器及 溫控組件，即可一次、連續(xù)完成零件的整個微塑性成形過程，可以提高成形效率和制備的自 動化程度，通過改變凸模與凹模的結(jié)構(gòu)可制備不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件。
本發(fā)明還提供這種超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)和利用該超塑性微成形裝置成形微型件的 方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種超塑性微成形裝置，包括模具組件、 加熱爐13、壓電陶瓷驅(qū)動器5、進給機構(gòu)、力傳感器9，其特點是所述模具組件由凸模11、凹模14、導柱12組成，凹模14的上端面沿圓周方向均勻分布四個凹模導孔141，凸模ll上 端面沿圓周方向亦均勻分布四個凸模導孔111，導柱12 —端與凸模11上的凸模導孔111過盈 配合，導柱12另一端與凹模14上的凹模導孔141間隙配合，凹模14采用螺紋連接固定于裝 置本體15上，凸模11的上端面與力傳感器9的下端面接觸，力傳感器9的上端面與杠桿7 的球面接觸，位移傳感器6的觸頭與凸模11上的支臂10下表面相接觸，支臂10固連于凸模 ll圓柱面中心處，位移傳感器6的底端固連在裝置本體15上；所述進給機構(gòu)，由上楔塊4、 下楔塊3、壓縮彈簧2、絲杠旋鈕l組成，上楔塊4的垂直端面與壓電陶瓷驅(qū)動器5的下端面 接觸，上楔塊4的斜面與下楔塊3的斜面接觸；上楔塊4、下楔塊3可沿裝置本體15內(nèi)的導 軌自由滑動，壓縮彈簧2在導軌內(nèi)與下楔塊3的垂直端面接觸，絲杠旋鈕1與裝置本體15螺 紋連接。
一種上述超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)，包括PID溫控模塊18、工控機20，其特征在于 還包括信號處理模塊21、熱電偶16、固態(tài)繼電器17、壓電陶瓷控制器19、力傳感器9和位移傳 感器6，力傳感器9采集的力信號，位移傳感器6采集的位移信號，以及熱電偶16采集加熱爐13 的溫度信號通過信號處理模塊21后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸入工控機20，工控機20輸出的數(shù)字信號， 一路經(jīng)過PID溫控模塊18,通過控制固態(tài)繼電器17，對加熱爐13的溫度進行控制，另一路通過 壓電陶瓷控制器19對壓電陶瓷驅(qū)動器5進行速度控制。
一種利用上述超塑性微成形裝置成形微型件的方法，其特點是包括下述歩驟
(a) 選用硅油做潤滑劑，將待加工的坯料加以潤滑后放入微成形模具的凹模14型腔內(nèi)， 并通過導柱12完成對凸模11的對中；
(b) 工控機20通過PID溫控模塊18控制加熱爐13的加熱溫度，成形溫度選定為350 550°C，毛坯的預熱時間為1(M5s;
(c) 擰緊絲杠旋鈕l，使得壓縮彈簧2被壓緊，頂緊上楔塊4和下楔塊3，使上楔塊4 與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，產(chǎn)生預緊力，力傳感器9檢測預緊力的大小，當預緊力達到 設定值時停止旋緊絲杠旋鈕1;
(d) 蓋上真空罩8，使用真空泵對裝置抽真空；
(e) 工控機20通過壓電陶瓷控制器19,控制壓電陶瓷驅(qū)動器5，壓電陶瓷驅(qū)動器5通 電伸長，上楔塊4和下楔塊3自鎖，推動杠桿7，杠桿7推動力傳感器9，力傳感器9帶動凸 模ll向下運動，擠壓坯料，使坯料發(fā)生塑性變形，填充凹模14型腔；
(f) 當壓電陶瓷驅(qū)動器5達到設定的輸出位移極限后，停止通電，壓縮彈簧2自動頂緊 上楔塊4和下楔塊3，再次使上楔塊4與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，消除此前產(chǎn)生的間隙， 完成一次進給運動；(g)重復步驟(e) 步驟(f)，完成微型零件的成形。
本發(fā)明的有益效果是由于通過壓電陶瓷驅(qū)動器和壓簧-楔塊組合自動進給，改變了以往 需要多次手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕才能完成微型零件的擠壓成形的不足，使用計算機連續(xù)控制壓電 陶瓷驅(qū)動器即可完成微型零件的整個微擠壓成形過程，從而簡化了操作步驟，通過改變凸模 與凹模的結(jié)構(gòu)即可成形不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件，擴大了其應用范圍。此外，本裝置采用壓 電陶瓷驅(qū)動器，可實現(xiàn)低速、恒速的精確控制，避免了加載速度不穩(wěn)定給微型零件帶來顯著 的誤差，保證了微型零件的加工精度和質(zhì)量。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。


圖1是本發(fā)明超塑性微成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明凹模俯視示意圖。
圖3是本發(fā)明凸模俯視示意圖。
圖4是本發(fā)明超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)示意圖。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)超塑性反擠壓微成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，l-絲杠旋鈕，2-壓縮彈簧，3-下楔塊，4-上楔塊，5-壓電陶瓷驅(qū)動器，6-位移傳感 器，7-杠桿，8-真空罩，9-力傳感器，10-支臂，ll-凸模，12-導柱，13-加熱爐，14-凹模，15-裝置本體，16-熱電偶，17-固態(tài)繼電器，18-PID溫控模塊，19-壓電陶瓷控制器，20-工控機， 21-信號處理模塊，22-沖頭，23-擠壓筒，24-載荷控制器，111-凸模導孔，141-凹模導孔。
具體實施例方式
以下實施例參照圖1 4。
實施例1:本發(fā)明超塑性微成形裝置包括微成形模具、加熱爐、加載機構(gòu)與進給機構(gòu)、
力與位移傳感器。微成形模具由凸模ll、凹模14、導柱12組成，凹模14的上端面沿圓周方 向均勻分布四個凹模導孔141，凸模11上端面沿圓周方向亦均勻分布四個凸模導孔111，導 柱12 —端與凸模11上的凸模導孔111過盈配合，導柱12另一端與凹模14上的凹模導孔141 間隙配合，凹模14采用螺紋連接固定于裝置本體15上，凸模11的上端面與力傳感器9的一 個端面接觸安裝，力傳感器9的另一個端面與杠桿7的球面接觸安裝，位移傳感器6的觸頭 與凸模11上的支臂10下表面相接觸，支臂10固連于凸模11圓柱面中心處，位移傳感器6 的底端固連在裝置本體15上。壓電陶瓷控制器19的輸入端與工控機20的DO輸出端相連， 壓電陶瓷驅(qū)動器5的型號是PSt150/20/18，壓電陶瓷控制器19的型號是HVA-1C0150A0500。 壓電陶瓷驅(qū)動器5下方為裝置的進給機構(gòu)，由上楔塊4、下楔塊3、壓縮彈簧2、絲杠旋鈕l、 裝置本體15組成，上楔塊4的垂直端面與壓電陶瓷驅(qū)動器5的下端面接觸，上楔塊4的斜面與下楔塊3的斜面接觸。上楔塊4、下楔塊3可沿裝置本體15內(nèi)的導軌自由滑動，壓縮彈簧2在導軌內(nèi)與下楔塊3的垂直端面接觸，絲杠旋鈕1與裝置本體15螺紋連接。力傳感器9、位移傳感器6、 PID溫控模塊18的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機20的A/D輸入端相連接。整個裝置置于真空罩8內(nèi)，使微擠壓在真空或特定氣體氛圍內(nèi)進行。
按上述方式完成各部件的連接裝配，使用硅油對待加工的ZnA14坯料加以潤滑后放入微成形模具的凹模14型腔內(nèi)，并通過導柱12完成對凸模11的對中；啟動溫度控制系統(tǒng)，通過PID溫控模塊18控制加熱爐13的加熱溫度，成形溫度選定為35(TC，毛坯的預熱時間為10、15s;使用工具絲杠旋鈕1使得壓縮彈簧2被壓緊，壓縮彈簧2此時具有恢復自由狀態(tài)的趨勢，從而頂緊下楔塊3和上楔塊4，使其與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，產(chǎn)生預緊力，消除各部位的間隙，在此過程中使用力傳感器9檢測預緊力的大小，當預緊力達到設定值時停止旋緊絲杠旋鈕l;蓋上真空罩8，使用真空泵對裝置抽真空，完成上述工作后，繼續(xù)下面的操作。使用工控機20控制壓電陶瓷驅(qū)動器5的伸長量與伸長速率，通電后壓電陶瓷驅(qū)動器5通電伸長，上楔塊4和下楔塊3自鎖，壓電陶瓷驅(qū)動器5推動杠桿7,杠桿7推動力傳感器9，力傳感器9帶動凸模11向下運用，擠壓坯料，使坯料發(fā)生塑性變形，填充凹模14型腔；當壓電陶瓷驅(qū)動器5達到事先設定的輸出位移極限后，需停止通電，伸長消失，產(chǎn)生間隙，此時壓縮彈簧2將自動頂緊上楔塊4和下楔塊3，再次使其與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，消除此前產(chǎn)生的間隙，完成一次進給運動；重復上述兩個步驟，目的是使坯料能夠持續(xù)發(fā)生塑性變形，從而完成整個微成形過程完成微型零件的成形過程后，退出凸模ll，使用頂桿將零件從凹模14工作帶下方的退讓槽向上頂出，得到制得的微型零件。
實施例2:實施例1中超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)，包括PID溫控模塊18、工控機20、信號處理模塊21、熱電偶16、固態(tài)繼電器17、壓電陶瓷控制器19、力傳感器9和位移傳感器6，力傳感器9采集的力信號，位移傳感器6采集的位移信號，以及熱電偶16采集加熱爐13的溫度信號通過信號處理模塊21后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸入工控機20，工控機20輸出的數(shù)字信號， 一路經(jīng)過PID溫控模塊18,通過控制固態(tài)繼電器17，對加熱爐13的溫度進行控制，另一路通過壓電陶瓷控制器19對壓電陶瓷驅(qū)動器5進行速度控制。裝置的溫控組件由PID溫控模塊18、熱電偶16、固態(tài)繼電器17組成。裝置的加載機構(gòu)由壓電陶瓷驅(qū)動器5、壓電陶瓷控制器19、杠桿7組成，壓電陶瓷驅(qū)動器5置于杠桿7右側(cè)的裝置本體15的導槽內(nèi)，其下端面與上楔塊4接觸，杠桿7左側(cè)與力傳感器9相接觸，壓電陶瓷驅(qū)動器5的輸入端與壓電陶瓷控制器19的一個DO輸出端相連，工控機20按給定的控制策略輸出數(shù)字信號至PID溫控模塊18和壓電陶瓷控制器19，力—傳感器9、位移傳感器6、 PID溫控模塊18的輸出端通過信號采集模塊與工控機20的A/D輸入端相連接。實施例3:利用實施例1超塑性微成形裝置成形微型零件的方法，具體采用以下步驟-
(1) 選用硅油做潤滑劑，將待加工的ZnA14坯料加以潤滑后放入微成形模具的凹模14型腔內(nèi)，并通過導柱12完成對凸模11的對中。
(2) 通過PID溫控模塊18控制加熱爐13的加熱溫度，成形溫度選定為350 55(TC,毛坯的預熱時間為10~15s。
(3) 擰緊絲杠旋鈕1使得壓縮彈簧2被壓緊，壓縮彈簧2此時具有恢復自由狀態(tài)的趨勢，從而頂緊上楔塊4和下楔塊3，使上楔塊4與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，產(chǎn)生預緊力，消除各部位的間隙，使用力傳感器9檢測預緊力的大小，當預緊力達到設定值時停止旋緊絲杠旋鈕1 。
(4) 蓋上真空罩8，使用真空泵對裝置抽真空。
(5) 工控機20通過壓電陶瓷控制器19，控制壓電陶瓷驅(qū)動器5的伸長量與伸長速率，通電后壓電陶瓷驅(qū)動器5通電伸長，上楔塊4和下楔塊3自鎖，壓電陶瓷驅(qū)動器5推動杠桿7，杠桿7推動力傳感器9，力傳感器9帶動凸模11向下運用，擠壓坯料，使坯料發(fā)生塑性變形，填充凹模14型腔。
(6) 當壓電陶瓷驅(qū)動器5達到設定的輸出位移極限后，停止通電，伸長消失，產(chǎn)生間隙，此時壓縮彈簧2自動頂緊上楔塊4和下楔塊3，再次使上楔塊4與壓電陶瓷驅(qū)動器5緊密接觸，消除此前產(chǎn)生的間隙，完成一次進給運動。
(7) 重復步驟(5) ~ (6)，這樣通過工控機20控制壓電陶瓷驅(qū)動器5的多次通、斷電并與壓簧—楔塊組合的自動補償相配合直至完成整個塑性微成形過程。
(8) 完成微型零件的成形過程后，退出凸模ll，使用頂桿將零件從凹模14工作帶下方的退讓槽向上頂出。
權(quán)利要求
1、一種超塑性微成形裝置，包括模具組件、加熱爐(13)、壓電陶瓷驅(qū)動器(5)、進給機構(gòu)、力傳感器(9)，其特征在于所述模具組件由凸模(11)、凹模(14)、導柱(12)組成，凹模(14)的上端面沿圓周方向均勻分布四個凹模導孔(141)，凸模(11)上端面沿圓周方向亦均勻分布四個凸模導孔(111)，導柱(12)一端與凸模(11)上的凸模導孔(111)過盈配合，導柱(12)另一端與凹模(14)上的凹模導孔(141)間隙配合，凹模(14)采用螺紋連接固定于裝置本體(15)上，凸模(11)的上端面與力傳感器(9)的下端面接觸，力傳感器(9)的上端面與杠桿(7)的球面接觸，位移傳感器(6)的觸頭與凸模(11)上的支臂(10)下表面相接觸，支臂(10)固連于凸模(11)圓柱面中心處，位移傳感器(6)的底端固連在裝置本體(15)上；所述進給機構(gòu)，由上楔塊(4)、下楔塊(3)、壓縮彈簧(2)、絲杠旋鈕(1)組成，上楔塊(4)的垂直端面與壓電陶瓷驅(qū)動器(5)的下端面接觸，上楔塊(4)的斜面與下楔塊(3)的斜面接觸；上楔塊(4)、下楔塊(3)可沿裝置本體(15)內(nèi)的導軌自由滑動，壓縮彈簧(2)在導軌內(nèi)與下楔塊(3)的垂直端面接觸，絲杠旋鈕(1)與裝置本體(15)螺紋連接。
2、 一種權(quán)利要求l所述超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)，包括PID溫控模塊(18)、工控機(20)， 其特征在于還包括信號處理模塊(21)、熱電偶(16)、固態(tài)繼電器(17)、壓電陶瓷控制器(19)、力傳感器(9)和位移傳感器(6)，力傳感器(9)采集的力信號，位移傳感器(6) 采集的位移信號，以及熱電偶(16)采集加熱爐(13)的溫度信號通過信號處理模塊(21) 后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸入工控機(20)，工控機(20)輸出的數(shù)字信號， 一路經(jīng)過PID溫控模塊(18)，通過控制固態(tài)繼電器(17)，對加熱爐(13)的溫度進行控制，另一路通過壓電陶瓷 控制器(19)對壓電陶瓷驅(qū)動器(5)進行速度控制。
3、 一種權(quán)利要求l所述超塑性微成形裝置成形微型零件的方法，其特征在于包括下述 步驟(a) 選用硅油做潤滑劑，將待加工的坯料加以潤滑后放入微成形模具的凹模(14)型腔 內(nèi)，并通過導柱(12)完成對凸模(11)的對中；(b) 工控機(20)通過PID溫控模塊(18)控制加熱爐(13)的加熱溫度，成形溫度選 定為350 550'C，毛坯的預熱時間為10~15s;(c) 擰緊絲杠旋鈕(1)，使得壓縮彈簧(2)被壓緊，頂緊上楔塊(4)和下楔塊(3), 使上楔塊(4)與壓電陶瓷驅(qū)動器(5)緊密接觸，產(chǎn)生預緊力，力傳感器(9)檢測預緊力的 大小，當預緊力達到設定值時停止旋緊絲杠旋鈕(1);(d) 蓋上真空罩(8)，使用真空泵對裝置抽真空；(e) 工控機(20)通過壓電陶瓷控制器(19)，控制壓電陶瓷驅(qū)動器(5)，壓電陶瓷驅(qū)動器(5)通電伸長，上楔塊(4)和下楔塊(3)自鎖，推動杠桿(7)，杠桿(7)推動力傳 感器(9)，力傳感器(9)帶動凸模(11)向下運動，擠壓坯料，使坯料發(fā)生塑性變形，填充 凹模(14)型腔；(f) 當壓電陶瓷驅(qū)動器(5)達到設定的輸出位移極限后，停止通電，壓縮彈簧(2)自 動頂緊上楔塊(4)和下楔塊(3)，再次使上楔塊(4)與壓電陶瓷驅(qū)動器(5)緊密接觸，消 除此前產(chǎn)生的間隙，完成一次進給運動；(g) 重復步驟(e) 步驟(f)，完成微型零件的成形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超塑性微成形裝置，通過壓簧-楔塊機構(gòu)，使用工控機控制壓電陶瓷驅(qū)動器及溫控組件，即可一次、連續(xù)完成零件的整個微塑性成形過程，可以提高成形效率和制備的自動化程度，通過改變凸模與凹模的結(jié)構(gòu)可制備不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件。本發(fā)明還公開了這種超塑性微成形裝置控制系統(tǒng)和利用該超塑性微成形裝置成形微型件的方法。由于通過壓電陶瓷驅(qū)動器和壓簧-楔塊組合自動進給，改變了以往需要多次手動調(diào)節(jié)絲杠旋鈕才能完成微型零件的擠壓成形的不足，使用計算機連續(xù)控制壓電陶瓷驅(qū)動器即可完成微型零件的整個微擠壓成形過程，從而簡化了操作步驟，通過改變凸模與凹模的結(jié)構(gòu)即可成形不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件，擴大了其應用范圍。
文檔編號B21C23/21GK101637785SQ200910023388
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者付佳偉, 周計明, 彬 張, 方 楊, 齊樂華 申請人:西北工業(yè)大學