本發(fā)明涉及金屬箔材技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備及成形方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電子、醫(yī)療、通訊等領(lǐng)域?qū)τ诹悴考男枨蟪市⌒突内厔?shì)。微機(jī)電系統(tǒng)由于其零部件體積小、質(zhì)量輕、易于封裝集成等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在微電子、通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域。在這種趨勢(shì)的推動(dòng)下，亟需能夠穩(wěn)定生產(chǎn)高精度低成本微型零部件的微金屬成形工藝以及完善的加工設(shè)備。因此，提高介觀尺度下微型零部件的成形性已經(jīng)成為近年來(lái)微成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

由于微加工工藝的發(fā)展，對(duì)于能夠穩(wěn)定制造介觀尺度精密零部件的加工設(shè)備也產(chǎn)生了相應(yīng)的需求。迄今為止，國(guó)內(nèi)外的研究人員開(kāi)發(fā)了很多實(shí)用性的微加工設(shè)備，如日本的科研人員研發(fā)的液壓微拉深設(shè)備，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的流體壓力，有效提高微杯件成形性，改善成形過(guò)程中的微觀尺度效應(yīng)對(duì)成形性造成的不利影響。在此基礎(chǔ)上，使用不同的壓力介質(zhì)會(huì)對(duì)金屬箔材的成形性能造成一定影響。然而，傳統(tǒng)液壓微拉深由于其液體介質(zhì)燃點(diǎn)等的限制，導(dǎo)致其不適用于高溫條件下的金屬箔材拉深，一定程度上限制了金屬箔材成形技術(shù)的發(fā)展。

因此，亟需發(fā)明一種能夠在高溫條件下進(jìn)行金屬箔材拉深的金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠在高溫條件下進(jìn)行金屬箔材拉深、節(jié)省成本、無(wú)污染的金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備及成形方法。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

本發(fā)明提供一種金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備，包括成形系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)：成形系統(tǒng)包括順次連接的伺服電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母組件和微成形模具，微成形模具包括凸模和凹模，凸模內(nèi)部裝有壓力傳感器和成形芯軸，凹模內(nèi)部有型腔、氣體通道和加熱棒孔；壓力系統(tǒng)包括順次連接的高壓氣瓶、開(kāi)關(guān)閥、安全閥、減壓閥、高壓軟管、不銹鋼管和壓力表；測(cè)控系統(tǒng)包括測(cè)量單元和控制單元，測(cè)量單元包括順次連接的壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和信號(hào)放大器，控制單元包括控制器、控制軟件和控制開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)與控制器連接，控制器與成形系統(tǒng)的伺服電機(jī)連接；壓力系統(tǒng)的壓力表與氣體通道相連，使壓力系統(tǒng)與微成形模具的凹模氣體連通；測(cè)控系統(tǒng)用于凸模運(yùn)動(dòng)控制、凸模行程測(cè)量及調(diào)節(jié)、成形壓力測(cè)量及脫模氣體控制。

根據(jù)本發(fā)明，成形系統(tǒng)還包括：上支撐板、機(jī)架底板、活動(dòng)平板、導(dǎo)柱組件、第一金屬平臺(tái)和第二金屬平臺(tái)；伺服電機(jī)連接減速機(jī)，減速機(jī)安裝在第一金屬平臺(tái)上，第一金屬平臺(tái)安裝在上支撐板上，聯(lián)軸器與減速機(jī)連接，安裝在上支撐板與第一金屬平臺(tái)之間；絲杠螺母組件的絲杠與聯(lián)軸器連接，絲杠螺母組件的螺帽安裝在第二金屬平臺(tái)上，第二金屬平臺(tái)安裝在活動(dòng)平板上，螺帽帶動(dòng)活動(dòng)平板沿絲杠上下運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)柱組件包括四根導(dǎo)柱，導(dǎo)柱下端與機(jī)架底板連接，活動(dòng)平板沿導(dǎo)柱上下滑動(dòng)；微成形模具的凸模安裝在活動(dòng)平板上，沿絲杠上下運(yùn)動(dòng)，微成形模具的凹模安裝在機(jī)架底板上，置于凸模的正下方，凸模與凹模之間放置金屬箔材。

根據(jù)本發(fā)明，成形系統(tǒng)還包括：機(jī)架、上限位器、下限位器和加熱設(shè)備；上限位器和下限位器安裝在機(jī)架側(cè)壁上，分別位于活動(dòng)平板所能活動(dòng)的上、下兩個(gè)極限位置；加熱設(shè)備包括加熱開(kāi)關(guān)和加熱棒，加熱棒安裝在加熱棒孔中。

根據(jù)本發(fā)明，在機(jī)架的側(cè)壁、上支撐板和活動(dòng)平板開(kāi)孔；機(jī)架的底部設(shè)置四個(gè)由相同的梯形塊作邊角的支撐腿，梯形塊上開(kāi)有四個(gè)尺寸相同的地腳螺栓孔。

根據(jù)本發(fā)明，信號(hào)放大器的數(shù)據(jù)可以通過(guò)usb接口導(dǎo)出。

根據(jù)本發(fā)明，伺服電機(jī)為永磁交流伺服電機(jī)，額定功率200w，額定轉(zhuǎn)速3000r/min；聯(lián)軸器為十字滑塊聯(lián)軸器；絲杠螺母組件為滾珠絲杠；加熱開(kāi)關(guān)為紅外溫控感應(yīng)器；高壓氣瓶采用高壓空氣壓縮機(jī)對(duì)高壓存儲(chǔ)氣瓶充氣，預(yù)存儲(chǔ)氣壓為40mpa；控制器為plc控制器；數(shù)據(jù)采集儀為單通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀；信號(hào)放大器為無(wú)紙記錄儀。

本發(fā)明再提供一種如上述技術(shù)方案所述的金屬箔材氣壓微拉深成形方法，分為以下步驟：

s1、接通電源，控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)位置，至微成形模具的凸模與凹模分離出一定空間，將試模材料放置在凹模上的載物臺(tái)；

s2、控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)下壓微成形模具至凸模與凹模剛好接觸；

s3、控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)加載一個(gè)行程步長(zhǎng)，使凸模下壓，試模材料進(jìn)行微拉深成形；

s4、控制壓力系統(tǒng)，釋放一定壓力的氣體用于退料；

s5、控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)位置，觀察試模材料的成形情況，若試模材料尚未成形，則繼續(xù)增加成形行程的步長(zhǎng)，直到試模材料完全成形。

(三)有益效果

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用空氣為壓力介質(zhì)，由于空氣的可壓縮性大，采用高壓力氣泵裝置打入高壓氣瓶，存儲(chǔ)方便、節(jié)省制造成本。

2、壓力介質(zhì)從微成形模具凹模型腔直接排入大氣，相比于液壓微拉深工藝無(wú)需設(shè)置液壓油回收裝置，不污染環(huán)境。

3、退料方便，在氣壓微拉深成形結(jié)束后，可以利用適當(dāng)?shù)臍怏w壓力將微杯件頂出，方便可靠。

4、可以利用本發(fā)明的氣壓微拉深設(shè)備進(jìn)行其他金屬材料的氣壓微拉深實(shí)驗(yàn)，研究成形條件對(duì)于不同金屬材料的影響程度。同時(shí)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)可以得到不同材料的最優(yōu)加工成形條件。

附圖說(shuō)明

圖1為金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的系統(tǒng)組成圖；

圖2為金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的成形系統(tǒng)的主視圖；

圖3為金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的成形系統(tǒng)的左視圖；

圖4為金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的成形系統(tǒng)的俯視圖。

【附圖標(biāo)記說(shuō)明】

1：伺服電機(jī)；

2：減速機(jī)；

3：聯(lián)軸器；

4：絲杠螺母組件；

5：絲杠；

6：螺帽；

7：上支撐板；

8：活動(dòng)平板；

9：機(jī)架底板；

10：第一金屬平臺(tái)；

11：第二金屬平臺(tái)；

12：導(dǎo)柱；

13：凸模；

14：凹模；

15：載物臺(tái)；

16：氣體通道；

17：上限位器；

18：下限位器；

19：機(jī)架；

20：把手；

21：第一螺栓；

22：第二螺栓；

23：第三螺栓；

24：減載孔；

25：支撐腿；

26：圓孔；

27：微成形模具。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

如圖1為本發(fā)明的一種金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的系統(tǒng)組成圖，該設(shè)備包括成形系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。成形系統(tǒng)包括伺服電機(jī)1、減速機(jī)2、聯(lián)軸器3、絲杠螺母組件4和微成形模具27；壓力系統(tǒng)包括高壓氣瓶、開(kāi)關(guān)閥、安全閥、減壓閥、高壓軟管、不銹鋼管、壓力表，高壓氣瓶；測(cè)控系統(tǒng)包括測(cè)量單元和控制單元，測(cè)量單元包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和信號(hào)放大器，控制單元包括控制器、控制軟件和控制開(kāi)關(guān)。

其中，微成形模具27包括凸模13和凹模14，凸模13內(nèi)部裝有壓力傳感器和成形芯軸，凹模14內(nèi)部有型腔、氣體通道16和加熱棒孔，伺服電機(jī)1、減速機(jī)2、聯(lián)軸器3、絲杠螺母組件4和微成形模具27順次連接；高壓氣瓶、開(kāi)關(guān)閥、安全閥、減壓閥、高壓軟管、不銹鋼管和壓力表順次連接；壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和信號(hào)放大器順次連接，控制開(kāi)關(guān)與控制器連接。壓力系統(tǒng)的壓力表與氣體通道16相連，使壓力系統(tǒng)與微成形模具27的凹模14氣體連通；測(cè)控系統(tǒng)用于凸模13運(yùn)動(dòng)控制、凸模13行程測(cè)量及調(diào)節(jié)、成形壓力測(cè)量及脫模氣體控制。由此，成形系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成本發(fā)明的金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備。

圖2為本發(fā)明的金屬箔材氣壓微拉深成形設(shè)備的成形系統(tǒng)的主視圖，該成形系統(tǒng)包括伺服電機(jī)1、減速機(jī)2、聯(lián)軸器3、絲杠螺母組件4和微成形模具27，還包括：上支撐板7、機(jī)架底板9、活動(dòng)平板8、導(dǎo)柱組件、第一金屬平臺(tái)10和第二金屬平臺(tái)11。伺服電機(jī)1連接減速機(jī)2，減速機(jī)2安裝在第一金屬平臺(tái)10上，第一金屬平臺(tái)10安裝在上支撐板7上，聯(lián)軸器3與減速機(jī)2連接，安裝在上支撐板7與第一金屬平臺(tái)10之間；絲杠螺母組件4的絲杠5與聯(lián)軸器3連接，絲杠螺母組件4的螺帽6安裝在第二金屬平臺(tái)11上，第二金屬平臺(tái)11安裝在活動(dòng)平板8上，螺帽6帶動(dòng)活動(dòng)平板8沿絲杠5上下運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)柱組件包括四根導(dǎo)柱12，導(dǎo)柱12下端與機(jī)架底板9連接，活動(dòng)平板8沿導(dǎo)柱12上下滑動(dòng)；微成形模具27的凸模13用四個(gè)內(nèi)角螺栓連接在安裝在活動(dòng)平板8上，沿絲杠5上下運(yùn)動(dòng)，微成形模具27的凹模14安裝在機(jī)架底板9上，置于凸模13的正下方，凸模13與凹模14之間放置金屬箔材。伺服電機(jī)1提供動(dòng)力傳給減速機(jī)2，變化后的速度通過(guò)聯(lián)軸器3把動(dòng)力傳給絲杠5，通過(guò)絲杠5的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺帽6的上下移動(dòng)并帶動(dòng)活動(dòng)平板8沿導(dǎo)柱12上下滑動(dòng)，將金屬箔材放在成形模具的凸模13與凹模14之間的載物臺(tái)15上，通過(guò)活動(dòng)平板8的滑動(dòng)來(lái)帶動(dòng)微成形模具27的凸模13的向下滑動(dòng)，從而給成形模具的凹模14施加壓力，從而完成金屬箔材的拉深變形過(guò)程。

進(jìn)一步，該成形系統(tǒng)還包括：機(jī)架19、上限位器17、下限位器18和加熱設(shè)備；上限位器17和下限位器18安裝在機(jī)架19側(cè)壁上，分別位于活動(dòng)平板8所能活動(dòng)的上、下兩個(gè)極限位置；加熱設(shè)備包括加熱開(kāi)關(guān)和加熱棒，加熱棒安裝在加熱棒孔中。安裝上限位器17和下限位器18的作用是避免下壓過(guò)程中行程過(guò)大，給成形模具造成不可挽回的損失。上限位器17的位置確定為工作的零點(diǎn)位置。加熱設(shè)備包括加熱開(kāi)關(guān)和加熱棒，加熱棒安裝在凹模14內(nèi)部的加熱棒孔中。優(yōu)選的，加熱設(shè)備選擇全固態(tài)感應(yīng)加熱設(shè)備，加熱開(kāi)關(guān)采用紅外溫控感應(yīng)器，對(duì)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行控制實(shí)時(shí)滿足試驗(yàn)溫度，易于控制成形過(guò)程氣體的溫度?？梢赃M(jìn)行常溫與高溫的對(duì)比試驗(yàn)，以便研究溫度對(duì)金屬成形性能的影響。但本發(fā)明不局限于此，其他加熱裝置和開(kāi)關(guān)適用于本發(fā)明。采用加熱棒對(duì)模具進(jìn)行局部加熱，使用紅外溫控感應(yīng)器對(duì)成形過(guò)程的溫度進(jìn)行控制，相比對(duì)整體模具加熱，局部模具加熱操作方便、溫升較快、易于控制。

優(yōu)選的，伺服電機(jī)1為永磁交流松下伺服電機(jī)1mhmj0221g1u，無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠、對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低、定子繞組散熱比較方便、慣量小、易于提高系統(tǒng)的快速性，適用于高速大力矩的工作狀態(tài)，相同功率下有較小的體積和重量。

優(yōu)選的，聯(lián)軸器3為型號(hào)wk4-01的十字滑塊聯(lián)軸器，主體軸套采用鋁合金，體積輕巧，中間十字滑塊可供多種不同顏色選擇，安裝方便、免維護(hù)、可抗油污抗腐蝕和電氣絕緣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高扭矩、高剛性、高靈敏度聯(lián)軸器3，容許大的徑向和軸向偏差，吸收較大的傳動(dòng)扭力，壽命長(zhǎng)，性能安全可靠。

優(yōu)選的，絲杠螺母組件4為臺(tái)灣型號(hào)sfu03205-4dgc5l210p2tbi滾珠絲杠。成形過(guò)程中，伺服電機(jī)1帶動(dòng)絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)，將繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微成形模具27的壓下進(jìn)給。氣壓微拉深設(shè)備中沿軸向的運(yùn)動(dòng)精度要求較高，沿絲杠5軸向不能有較大的運(yùn)動(dòng)誤差，所以要求滾珠絲杠加工的預(yù)壓精度等級(jí)要達(dá)到p2等級(jí)。根據(jù)金屬箔材微加工行程確定絲杠的長(zhǎng)度為210mm，根據(jù)絲杠所能承受的靜動(dòng)載荷確定絲杠直徑為32mm。

優(yōu)選的，導(dǎo)柱組件有四根表面光滑導(dǎo)柱12，為實(shí)心高強(qiáng)度合金材料，表面光滑有助于活動(dòng)平板8的上下移動(dòng)，最大限度的減少成形時(shí)的誤差，并且保證了下壓過(guò)程時(shí)水平方向的精度。

優(yōu)選的，微成形模具27為日本的液壓微拉深設(shè)備，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的流體壓力，有效提高微杯件成形性，改善成形過(guò)程中的微觀尺度效應(yīng)對(duì)成形性造成的不利影響。

進(jìn)一步，高壓氣瓶采用高壓空氣壓縮機(jī)對(duì)高壓存儲(chǔ)氣瓶充氣，預(yù)存儲(chǔ)氣壓一般為40mpa，此氣壓設(shè)備理論輸出壓力上最高能達(dá)到30mpa，最低能達(dá)到0.5mpa?？墒褂眯⌒涂諝鈮嚎s機(jī)對(duì)高壓氣瓶充氣，方便快捷、易于操作。數(shù)據(jù)采集儀為bz2203單通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，外界干擾較小、價(jià)格便宜、靈敏度較好、易于接線和操作。信號(hào)放大器為型號(hào)mik-200d無(wú)紙記錄儀。控制單元的控制器為plc控制器，在控制軟件中的控制程序界面中通過(guò)修改對(duì)應(yīng)的速度位移等參數(shù)，可以控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的微成形模具27下壓速度和成形行程。信號(hào)放大器的數(shù)據(jù)可以通過(guò)usb接口導(dǎo)出到電腦，以便進(jìn)行更加詳細(xì)的分析。

圖3是成形系統(tǒng)的左視圖，把手20設(shè)置在機(jī)架19的上端，以方便將設(shè)備移動(dòng)位置，機(jī)架19的側(cè)壁設(shè)置第一螺栓21以便固定機(jī)架19的上支撐板7和機(jī)架底板9，機(jī)架19的側(cè)壁設(shè)置第二螺栓22以便安裝上限位器17和下兩個(gè)限位器，機(jī)架19的側(cè)壁設(shè)置第三螺栓23以便固定小下地板，防止設(shè)備頭重腳輕的現(xiàn)象。為了設(shè)備的穩(wěn)定性，在機(jī)架19底部設(shè)置四個(gè)由相同的梯形塊作邊角的支撐腿25，并開(kāi)四個(gè)尺寸相同的地腳螺栓孔，以便于設(shè)備的固定。在機(jī)架19側(cè)壁的位置上開(kāi)兩個(gè)減載孔24，旨在于減輕機(jī)體的重量。

圖4是成形系統(tǒng)的俯視圖，在上支撐板7上開(kāi)4個(gè)相同尺寸的圓孔26，在活動(dòng)平板8上開(kāi)4個(gè)相同尺寸的圓孔(圖中未示出)，在滿足承重條件的基礎(chǔ)上最大限度的減輕機(jī)體的重量。

本發(fā)明的金屬箔材氣壓微拉深成形方法分為以下步驟：

s1、接通電源，控制伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)位置，至微成形模具27的凸模13與凹模14分離出一定空間，將試模材料放置在凹模14上的載物臺(tái)15；

s2、控制伺服電機(jī)1正轉(zhuǎn)下壓微成形模具27至凸模13與凹模14剛好接觸；

s3、控制伺服電機(jī)1正轉(zhuǎn)加載一個(gè)行程步長(zhǎng)，使凸模13下壓，試模材料進(jìn)行微拉深成形；

s4、控制壓力系統(tǒng)，釋放一定壓力的氣體用于退料；

s5、控制伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)位置，觀察試模材料的成形情況，若試模材料尚未成形，則繼續(xù)增加成形行程的步長(zhǎng)，直到試模材料完全成形。

進(jìn)一步，裝在凸模13里的壓力傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)受力情況，通過(guò)橋盒傳給數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀經(jīng)過(guò)采集處理后輸出給信號(hào)放大器，即可實(shí)時(shí)觀察到成形過(guò)程的受力情況。本發(fā)明為單行程拉深變形，因此該操作方法可以調(diào)節(jié)控制較大的回程速度，以便提高試驗(yàn)效率。

進(jìn)一步，上述方法是以常溫試驗(yàn)為例，做高溫對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，可以選擇直接加熱氣體的方法，也可以采用電熱棒局部加熱模具的方法進(jìn)行溫度控制，操作方法與上述方法相同。

需要理解的是，以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行的描述只是為了說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)路線和特點(diǎn)，其目的在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，但本發(fā)明并不限于上述特定實(shí)施方式。凡是在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出的各種變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。