基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法及裝置制造方法及圖紙

基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法及裝置，涉及微塑性成形技術和微器件制造領域，其利用長脈沖紅外激光準靜態加載于微小毛坯，直至毛坯溫度分布達到適合材料微溫擠的范圍。本發明專利技術包括激光加熱系統、擠壓模具、壓力施加機構、進給機構、三維精密工作臺（６）、支座和控制系統。超磁致伸縮微位移致動器和步進電機相結合實現進給和壓力施加，完成。電熱棒通電加熱凹模，并由溫控組件保持凹模的恒溫。采用三維微動平臺調整擠壓頭，再結合圖像處理技術實現凸凹模的對中。裝置中的溫度、模具定位、位移、步進電機和三維精密工作臺均由控制系統控制。本發明專利技術可控性好，效率高，可以降低變形抗力，增加材料流動的均勻性，提高難成形材料的成形性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及微器件制造及微塑性成形
，特指一種基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法及裝置，其適用于微金屬器件的體積成形，特別適合于常規微成形方法難以成形或無法成形的材料成形，如鈦合金、復合材料等，適合微器件的低成本批量化生產。
技術介紹
微型化使得微機電系統在精度、熱變形、振動和速度等方面具備更優異的性能和功能，在航空航天、醫療衛生、電信電子、精密儀器和國防等各種應用領域具有廣闊的發展前景。隨著微機電系統從基礎研究階段逐步跨入研制開發和實用階段，對微機電系統器件的加工工藝、加工質量、成本和批量等提出了新的要求，其最終目的是能夠低成本大批量制造可實際應用的微型器件。現有的面向MEMS的微機械加工技術和工藝是在集成電路的基礎上發展起來的，主要依賴于LIGA、光刻、蝕刻等微細加工技術，無法滿足三維復雜形狀微器件的加工，也限制了加工材料的多樣性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工藝復雜，周期長，設備投資大，而且成形的可重復性差，不適合微型器件的批量生產，可見研究高效、低成本的適用于多種材料的微器件成形方法非常迫切。而塑性成形具有工藝簡單、生產效率高、成本低，零件精度和強度高的特點，所以近來結合塑性加工方法的微塑性成形技術得到了很大發展。在微塑性成形領域中，微擠壓成形的非常適合復雜形狀的微器件成形，也滿足批量生產的要求。但是，微擠壓件結構尺寸的微型化并非傳統意義下宏觀零件的簡單幾何縮小，傳統宏觀的成形理論、擠壓模具設計理論、工藝參數等都不能簡單按照相似定律縮小應用到微擠壓成形中，微型化對微擠壓成形工藝和模具結構設計等各方面也都有影響，微擠壓的復雜性至今仍是使得國內外研究的熱點。經檢索國內外已有為數不多的關于微塑性成形和微擠壓的專利技術報道，如中國專利200510010099.4、03132554.8報導了利用電加熱方式實行對微小工件的間接加熱后進行微塑性成形，日本Tsuyoshi Masumoto申請專利Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工藝)，批準號為US5324368，其原理是應用油浴或者加熱爐對材料加熱，并以靜水壓力作為成形力對非結晶材料進行微成形。中國專利02159403.1報導了利用激光固化實現對含有微細纖維強化材料的微型零部件加工。U.Engel等人成功采用溫微鍛成形了難加工材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and Nano Technology.2003，69-72)。目前報導的關于微擠壓研究和專利大多集中在冷擠壓和超塑性微擠壓，但存在下列問題1.由于微冷擠的變形抗力大，而且受材料種類、晶粒尺寸和取向的影響較大，造成微冷擠的變形、充模不均勻，工藝參數不穩定。2.超塑性微擠壓對所使用的工件材料有特殊要求，僅適用于具有超塑性材料的微擠壓。3.微塑性成形系統中對工件的加熱都是間接式(將熱電偶埋入模具之內)或者接觸式的加熱(油浴、加熱爐)，工序復雜而且溫度不易控制。4.成形材料和工藝受到限制。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法及裝置。一種基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法，其特征在于以長脈沖紅外激光器發射激光，激光束通過外光路系統對微小毛坯進行非接觸式準靜態加載，利用激光的熱作用對微小毛坯的加熱和熱傳導，直至達到適合材料微溫擠的溫度范圍。同時，壓力施加機構和進給機構相結合，利用擠壓頭和凹模對毛坯進行微擠壓。控制系統實行對模溫、定位、位移、步進電機和三維精密工作臺的控制，最終達到需要的加工質量要求。基于激光加熱的微器件溫擠壓成形裝置，包括激光加熱系統、擠壓模具、壓力施加機構、進給機構，支座、三維精密工作臺和控制系統。整個裝置的最下方是支座，支座上方從左至右，依次為擠壓模具、壓力施加機構、進給機構；三維精密工作臺位于支座和壓力施加機構中間；激光加熱系統位于支座的左端，由激光器和外光路系統組成，外光路系統由擴展器、可調光闌、準直器、導光系統、反射鏡和短焦物鏡組成；擠壓模具部分從左到右依次為左底座、平面玻璃、頂桿、墊板、凹模墊板、凹模、壓頭導套、凸模；凹模的內部裝有電熱棒和熱電偶，分別用來加熱和測量凹模的溫度；壓力施加機構從左到右依次為支臂、超磁致伸縮微位移控制器、力傳感器、超磁致伸縮微致動器、微致動控制器；進給機構從左到右依次為螺母、螺桿、步進電機、步進電機控制器；激光加熱系統按照光路的傳播路線依次是激光器、擴展器、可調光闌、準直器、導光系統、反射鏡和短焦物鏡；控制系統包括A/D轉換器、計算機、D/A轉換器、圖像采集器和模具溫度控制組件。整個激光加熱的微器件溫擠壓成形方法由控制系統協調作業，首先，長脈沖紅外激光束經擴展器、可調光闌、準直器、導光系統、反射鏡和短焦物鏡組成的入射激光束光路系統直接照射毛坯，利用激光束對毛坯進行準靜態非接觸式加熱，激光束在坯料表面和內部形成一定的溫度分布和梯度，隨著激光照射時間(能量)的增加，毛坯平均溫度達到適合材料微溫擠的范圍。然后，通過電熱棒實現凹模的恒溫加熱，同時用熱電偶測量毛坯加熱后的溫度。再次，進給機構實現擠壓頭的進程，步進電機控制器控制步進電機帶動螺桿向左運動，螺桿通過螺母推動壓力施加機構和擠壓凸模向左運動，三維精密平臺可實現X、Y和Z向的線性精密調節；此過程由力傳感器測擠壓頭和毛坯的接觸程度，壓力施加機構的超磁致伸縮微致動器作為動力源提供成形力，由超磁致伸縮微位移控制器控制輸出的成形力，完成溫微擠壓。擠壓成形后，轉動擠壓模具組件的左底座，完成頂出機構和凹模孔的對中，由布置在模具組件的左底座上的模具頂出機構，由頂出機構頂出成形件。上述加工過程由控制系統中的微型計算機來控制，加快了工藝流程，還保證了成形件的質量。通過三維微動平臺、分光鏡、CCD攝像頭、圖像采集器和圖像處理技術來實現坯料、凸凹模的對中和定位。可以通過改變激光脈寬、能量、光斑直徑、重復頻率等激光參數來調整溫度邊界條件，通過控制照射區域和照射時間的長短，可獲得精確的溫度梯度和溫度分布。本專利技術的能量加載方式有兩種1.通過激光器電源及控制系統使激光器能量連續變化。2.通過控制激光在工件上的照射區域和照射時間，從而調節激光在工件上的能量加載。本專利技術能有效提高難成形材料的成形性能，易于實現微器件的溫微擠壓成形，通過改變凸凹模結構可以成形形狀復雜的三維微小型零件，而且適于批量生產。本專利技術與現有的微擠壓和微塑性成形方法比，有下列優點1.微溫擠壓不僅可以減小應變強化的影響，降低材料變形抗力，而且增加材料流動的均勻性，因此可實現難成形材料的微成形，如欽合金的微擠壓成形。2.微溫成形機理簡潔，為其他微塑性成形(如微鍛、微拉拔、微彎曲等)提供了指導。采用長脈沖紅外激光作為熱源，對工件實施準靜態加載，利用激光的熱作用對微小毛坯的加熱和熱傳導，在坯料中形成溫度梯度較小的溫度場，直至毛坯溫度分布達到適合材料微溫擠的范圍。同時加載系統和進給系統相結合，在微模具的作用下實現對微毛坯的微溫擠壓。3.激光與工件材料之間的熱作用可以精確控制，激光能量載荷控制準確方便，激光的功率、能量和光斑直徑等參數可以直接控制。4.應用范圍廣，易于成形各本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于激光加熱的微器件溫擠壓成形方法，其特征在于：以長脈沖紅外激光器發射激光，激光束通過外光路系統對微小毛坯進行非接觸式準靜態加載，利用激光的熱作用對微小毛坯的加熱和熱傳導，直至達到適合材料微溫擠的溫度范圍；同時，壓力施加機構和進給機構相結合，利用擠壓頭和凹模對毛坯進行微擠壓，控制系統實行對模溫、定位、位移、步進電機和三維精密工作臺的控制，最終達到需要的加工質量要求。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王勻，許楨英，孫日文，張凱，周明，蔡蘭，楊昆，董培龍，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：32[中國|江蘇]