一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種成形模具裝置及使用該裝置的成形方法，具體涉及一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法，屬于塑性微成形技術領域。
【背景技術】
[0002]微壓印工藝是一種采用微復制模具成形微結構的高精度微納制造技術，具有產品穩(wěn)定性好、成本低以及適合大批量生產等優(yōu)點，在光學傳感器、生物MEMS、微型熱交換器以及微能源領域具有廣泛應用。然而，該技術主要應用到聚氯乙烯、聚苯乙烯以及聚碳酸酯等高分子材料，對于金屬材料的微熱壓印技術還處于研宄階段。微熱壓印技術采用具有微結構的硅模具，在一定溫度下，通過壓力加載和保持，最終將微結構復制到金屬材料上。由于金屬熱壓印過程中所需的壓力很大，具有微結構的模具表面和坯料表面的平行度顯著影響著壓印成品的質量。若模具與坯料之間的不平行誤差過大，則無法保證模具與坯料的均勻一致性接觸，也就無法得到均勻一致的微結構，脫模時也有可能對已經壓印成形的微結構造成破壞；如果不平行度超過一定限度，還會引起模具的損傷，造成制造成本的增加。另夕卜，由于硅模具很脆，常規(guī)機械夾持會引起破碎，且硅模具的精確定位也對壓印過程有著顯著影響。
[0003]綜上所述，現(xiàn)有微結構的模具與坯料之間的不平行誤差過大，無法得到均勻一致的微結構，脫模時對已經壓印成形的微結構易造成破壞；另外，由于硅模具很脆，常規(guī)機械夾持會引起破碎，存在影響硅模具精確定位的問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微結構的模具與坯料之間的不平行誤差過大，無法得到均勻一致的微結構，脫模時對已經壓印成形的微結構易造成破壞；另外，由于硅模具很脆，常規(guī)機械夾持會引起破碎，存在影響硅模具精確定位的問題，進而提供一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:一種金屬微熱壓印成形模具裝置包括上隔熱板、上模板、上墊板、壓頭、壓頭固定板、真空泵連接螺紋管、硅模具、加熱圈、坯料固定座、壓板、多個導柱、多個導套、固定板、下模板、下隔熱板、自適應調平底座、調整彈簧、調整平臺、中間隔熱板、多個頂絲、坯料、定位頂針、頂針彈簧和固定螺栓，上模板和下模板上下設置且分別通過上隔熱板和下隔熱板進行隔熱保護并與微成形設備的連接，上墊板安裝在上模板上，壓頭通過壓頭固定板固定在上墊板上，上模板上的真空泵螺紋管的一端與真空泵相連，真空泵螺紋管的另一端依次穿過上墊板和壓頭后通過真空吸附的方式將硅模具固定在壓頭上，硅模具通過設置在壓頭上的定位頂針、頂針彈簧和固定螺栓進行定位；自適應調整平臺底座通過固定板固定在下模板上，且自適應調整平臺底座位于壓頭的正下方，坯料固定座通過螺栓固定在調整平臺上，坯料固定座與調整平臺之間設有中間隔熱板，成形時通過自適應調整平臺底座和調整平臺之間的球面接觸與均勻分布的調整彈簧配合連接，壓板壓在調整平臺、調整彈簧和固定板上，加熱圈通過多個頂絲安裝在坯料固定座上，坯料安裝在坯料固定座中的凹槽內，壓頭固定板和固定板之間通過多個導柱和多個導套進行定位和導向。
[0006]本發(fā)明還提供了一種使用金屬微熱壓印成形模具裝置的成形方法，該成形方法包括以下步驟:
[0007]步驟一:坯料準備:
[0008]選定用來成形微型零件的塊體還料，并加工為直徑10mm，厚度3mm的還料，采用機械拋光與電解拋光結合的方式處理坯料，保證坯料的表面質量；
[0009]步驟二:選定用于成形的壓力機型號；
[0010]步驟三:模具裝置安裝與調試:
[0011]第一，在合模狀態(tài)下分別將上模板、下模板與壓力機連接端固定，確保上模板、下模板中心重合后擰緊固定螺釘，并將真空系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)分別連接到裝置中；
[0012]第二，將硅模具放置于壓頭的底端，利用定位頂針進行定位，打開真空泵，將硅模具吸附于真空壓頭上；
[0013]第三、上移壓力機橫梁，帶動上模運動，當坯料固定座有足夠空間時，放入坯料，坯料放置于坯料固定座上的定位凹槽內，并將頂絲擰緊，達到固定坯料的作用；
[0014]第四、設置電子萬能試驗機參數(shù)，進行上下模具導向測試；
[0015]步驟四:微熱壓印成形試驗:
[0016]第一、打開加熱開關，設置目標溫度，對成形部分進行加熱，當溫度達到目標溫度后溫控系統(tǒng)進入保溫程序；
[0017]第二、設定電子萬能試驗機加載方式，確定加載速度、載荷大小以及保壓時間等工藝參數(shù)；
[0018]第三、下移壓力機橫梁，使硅模具與坯料輕微接觸，啟動壓力機成形控制程序，進行微壓印成形實驗；
[0019]第四、試驗結束后，壓力機卸載，橫梁上移過程中完成脫模；等坯料冷卻后取出成形后零件，至此，完成了坯料的金屬微熱壓印成形。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下效果:
[0021]采用本發(fā)明方法能夠實現(xiàn)硅模具與坯料平行度的自適應調整，球面接觸方式能夠實現(xiàn)快速調平與對中，且調平過程中無側向位移，保證了硅模具與坯料表面的平行度，避免由于偏心或者受力不均而導致硅模具損壞，硅模具的使用壽命提高了十倍。通過采用真空吸附方式夾持硅模具，能夠實現(xiàn)硅模具的快速更換與無損夾持，不僅實現(xiàn)了金屬微熱壓印工藝的順利脫模，還縮短了模具更換生產周期并提高了模具壽命；另外，裝置的其他部件設計為通用化零件，針對不同微型通道類零件，成形時只需更換硅模具，從而大大降低了生產成本。
【附圖說明】
[0022]圖1為微型通道類零件熱壓印成形裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]【具體實施方式】一:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的一種金屬微熱壓印成形模具裝置，其上模板2與下模板14分別與上隔熱板I和下隔熱板I相連，防止高溫工作時對壓力機傳感器造成損傷。通過四根導柱11和四個導套12對模具進行精確定位和導向，保證硅模具7和坯料固定座9的同心度。上模板2上的連接的真空泵螺紋管6與真空泵相連，采用真空吸附的方式將硅模具7固定在壓頭5上，通過定位頂針22、頂針彈簧23和固定螺栓24對硅模具7進行定位，該定位方式可以實現(xiàn)硅模具的柔性定位，有利于保護硅模具不受損傷。壓頭4通過壓頭固定板5固定在上墊板3上，壓頭固定板5、上墊板3和上模板2通過螺栓固定，采用銷釘進行精確定位。自適應調整平臺底座16通過固定板13固定在下模板14上，成形時通過自適應調整平臺底座16和調整平臺18之間的球面接觸與均勻分布的調整彈簧17配合，實現(xiàn)硅模具7與坯料21的平行度自適應調整。由于旋轉中心在坯料上表面中心，因此在調平過程中硅模具與坯料之間只存在純轉動，而無側向位移，故能夠保證硅模具中的微結構不會損傷，確保壓印成形零件的尺寸精度。整個自動調整平臺通過壓板10固定在固定板13上。還料固定座9通過螺栓固定在調整平臺上，并通過中間隔熱板19進行隔熱保護，采用銷釘進行精確定位。加熱圈8套置在坯料固定座9上，與高精度控溫裝置相連，實現(xiàn)微壓印加熱及溫度控制。坯料固定座9側壁有三個夾角互為120°的頂絲20對坯料進行固定，坯料固定座9中的凹槽用于坯料21的精確定位。
[0024]在進行成形實驗時，首先將上模板2與下模板14通過螺栓分別與壓力機上橫梁與底座連接。啟動真空泵，將硅模具7置于壓頭底部，通過定位頂針4進行位置調整，真空泵壓力表示數(shù)達到目標真空度標明硅模具已經固定于壓頭底部。接著將坯料21放置于坯料固定座9的中心凹槽中，打開溫度控制系統(tǒng)開關，設定目標溫度，此時加熱圈8將按照預定模式加熱到目標溫度，到達目標溫度后自動進行保溫。
[0025]在裝置進行加熱的過程中，設置壓力機加載方式，主要參數(shù)包括壓力大小、加載速度、保壓時間等。當系統(tǒng)溫度達到目標溫度后，將壓力機載荷清零，手動調整橫梁緩慢下移，使硅模具7與坯料21上表面接觸。啟動加載和保壓程序進行壓印成形實驗。在壓印過程中，當坯料與硅模具之間存在微小傾斜角度時，切向均勻分布的6根調整彈簧17根據坯料固定座9角度的變化發(fā)生伸長或壓縮，使調整平臺18產生相應旋轉，坯料固定座9將進行輕微轉動，實現(xiàn)硅模具7與坯料21之間實現(xiàn)平行度自適應調整。由于彈簧的對稱分布方式，調整平臺18在轉動過程中不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，另外，在自適應調平底座16中開設有油槽，上下球面通過二硫化鉬