專利名稱：一種微器件的微塑性成形方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微器件制造及微塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特指一種微器件的微塑性成形方法及裝 置，其適用于微金屬器件的微塑性成形，特別適合于常規(guī)微成形方法難以成形或無法成形的 材料微成形，可以實現(xiàn)微器件的低成本批量化生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
微型化是得到有競爭力和多功能工程系統(tǒng)的重要途徑，產(chǎn)品微型化已成為工業(yè)界不可阻 擋的趨勢。以外形尺寸或操作尺度微小為特征的微機電系統(tǒng)(MEMS)在能耗、響應(yīng)時間、 精度、熱變形、振動和速度等方面具備更優(yōu)異的性能和功能，在航空航天、精密儀器、生物 醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。隨著微機電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對各種材料的微型零 件需求量越來越大，同時對微器件的加工工藝、加工成本和批量等也提出了新的要求，其最 終目的是能夠低成本大批量制造可實際應(yīng)用的微型器件。面向MEMS的微機械加工技術(shù)和工藝目前大多是借用微電子的集成電路工藝，主要依賴 于深反應(yīng)離子蝕刻、光刻、LIGA等微細加工技術(shù)，但局限于加工準(zhǔn)三維直壁立體結(jié)構(gòu)，無 法滿足三維復(fù)雜形狀微器件的批量加工要求，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(fù)雜，周期長，設(shè)備投資大，而且成形的硅基材料和金屬相 比在機械性能方面相對遜色?？梢娧芯窟m用于微器件成形的新材料和新技術(shù)非常迫切。而宏 觀塑性成形技術(shù)具有高效率、高精度、無污染、凈成形、低成本批量制造零件的特點，為此， 微塑性成形技術(shù)在微器件制造領(lǐng)域得到了很大發(fā)展，拓寬了該項技術(shù)的應(yīng)用范圍。微塑性成 形技術(shù)應(yīng)用各種塑性成形方法，可以精密成形特征尺寸在500nm 500nm范圍內(nèi)的各種復(fù)雜 微器件，而且微塑性成形也大大拓寬了成形材料的種類。另一方面，隨著成形件幾何尺寸的 微小化，由微小化帶來的"尺寸效應(yīng)"引起了一系列新問題，對微成形方法、設(shè)備和模具提 出了新的要求，傳統(tǒng)的針對大尺寸零件成形的塑性成形技術(shù)、成形系統(tǒng)和工藝參數(shù)等都不能
簡單按照相似定律縮小應(yīng)用到微塑性成形方法和系統(tǒng)中。國內(nèi)外在微塑性成形方面研究較多有微擠壓、微壓印、微彎曲、微拉深、微沖壓、微鍛、 微軋制和微無模成形工藝，并對微塑性成形系統(tǒng)也進行了研究。日本學(xué)者Y.Saotome(J. Mater. Process. Tech. 2000,119: 307-311)設(shè)計和制造了具有一定實用意義的反擠壓微成形機械系統(tǒng)， 并利用微反擠成形技術(shù)制造出了齒高為10urn的微齒輪(Microsystem Technologies. 2000， 126-129)， S.Kurimoto (Proceeding of the 7th ICTP. 2002:391-396)研制出由壓電材料驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動的微沖孔壓力機，可以實現(xiàn)超精密微沖孔，M.Geiger (A皿als of the CIRP. 2001, 50 (2): 445-462)教授對微器件的冷鍛工藝進行了研究，U.Engd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)，國內(nèi)學(xué)者也對超塑性微成形系統(tǒng)及工藝(鍛壓技術(shù).2005, 3:56-59)進行了研究。經(jīng) 檢索國內(nèi)外已有為數(shù)不多的關(guān)于微塑性成形的專利技術(shù)報道，美國密蘇里大學(xué)Rajiv S. Mishra申請專禾U: Superplastic Forming of Micro Components (微器件的超塑性成形方法)，批 準(zhǔn)號為US6655575,其原理是采用摩擦生熱的方法將加工材料加熱到超塑性溫度范圍，與此 同時完成微成形過禾呈。曰本Tsuyoshi Masumoto申請專禾U: Forming process of amorphous alloy material (非晶合金材料的成形工藝)，批準(zhǔn)號為US5324368,其原理是應(yīng)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(jié)晶材料進行微成形。中國專利200510010099.4、 03132554.8報導(dǎo)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，中國專利 02159403.1報導(dǎo)了利用激光固化實現(xiàn)對含有微細纖維強化材料的微型零部f^加工。目前微塑性成形的研究和專利大多集中在冷成形和超塑性微成形，但存在下列問題1. 成形材料和成形工藝受到限制，尤其是難成形材料的微器件成形無法在微冷成形條 件下完成。2. 由于微冷成形的變形抗力大，而且受材料種類、晶粒尺寸和取向的影響較大，造成 微成形變形、材料流動不均勻，工藝參數(shù)不穩(wěn)定。超塑性微成形對所工件材料有特殊要求， 需要材料具備超塑性性能。3. 微塑性成形系統(tǒng)中的加熱絕大部分采用間接式(將熱電偶埋入模具之內(nèi))或者接觸 式的加熱(油浴、加熱爐、或者摩擦式加熱)，工序復(fù)雜而且溫度不易控制，而且應(yīng)用范圍 比較狹窄，主要應(yīng)用于超塑性材料微成形的加熱。4. 超塑性微成形對所工件材料有特殊要求，需要材料具備超塑性性能。 激光技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來，激光加工在宏觀和微觀領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛。以激光為熱源進行塑性成形或者對加工材料進行加熱的工藝有很多，例如激光彎曲、激光切 割、激光焊接、激光表面處理、激光沖擊成形、激光打孔和激光等。但是針^1敖塑性成形工 藝，利用激光對工件材料進行輔助加熱達到微溫成形或者微熱成形溫度的方法和裝置目前為 止還沒有。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能有效提高材料的微成形性能的微塑性成形方法及裝置，以克 服上述缺陷。本發(fā)明所提供的一種微器件的微塑性成形方法，其特征在于平頂型激光通過光路系統(tǒng)， 經(jīng)過可透射凸模對微小工件進行非接觸式準(zhǔn)靜態(tài)加載，利用激光的熱作用對〗散小工件的加熱 和熱傳導(dǎo)，直至工件材料達到適合微溫成形或者微熱成形的溫度范圍；同時，通過加載系統(tǒng) 使凸模向凹模作進給運動，實現(xiàn)凸模對微毛坯的加載作用，完成微塑性成形。具體方法為 先利用三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺和三軸微調(diào)定位工作臺結(jié)合由CCD、半透半反鏡和白光源組 成的觀測子系統(tǒng)調(diào)整微成形系統(tǒng)和激光加熱系統(tǒng)，完成凸模和凹模的對中，并使激光加熱系 統(tǒng)對準(zhǔn)工件的預(yù)加熱位置，接著使激光器發(fā)出的調(diào)制成平頂型的入射激光束依次經(jīng)過光路系 統(tǒng)中的光束擴展器、激光安全快門、三棱鏡、準(zhǔn)直器、半透半反鏡、濾光鏡、光闌和短焦物 鏡，通過五位調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)短焦物鏡與坯料之間的距離，控制光斑的大小，得到的理想光束經(jīng) 過壓力施加機構(gòu)、測力傳感器、帶中心圓孔的壓板、微致動器、凸模墊板，透過凸模到達坯 料直接輻射工件材料，在極短時間內(nèi)工件達到微熱塑性成形所需要的溫度范圍。此時，由壓 力施加機構(gòu)帶動測力傳感器、壓板和微致動器，使凸模向下運動，通過力傳感器來檢測凸模
和工件的接觸程度，達到預(yù)定值后停止進給。然后加載系統(tǒng)的微致動器作為動力源，推動凸 模繼續(xù)下行，其中下行的速度和位移由成形載荷控制器控制，最終完成微器件的成形。另外， 在成形過程中，測力傳感器、成形載荷控制器分別檢測到成形載荷和成形過程的總體變形量， 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到計算機，做出紀(jì)錄和反饋控制，并可以將結(jié)果輸出到打印機。整個微塑 性成形過程由計算機來控制，保證了成形件的質(zhì)量和精度。本發(fā)明所提供的一種微器件的微塑性成形裝置，包括安裝平臺、微成形系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、 激光加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五部分。安裝平臺由外殼、真空泵、三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺和三 軸微調(diào)定位工作臺組成，三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺和三軸微調(diào)定位工作臺依次由下至上安置 于外殼底部，真空泵通過外殼右下側(cè)的管道使成形系統(tǒng)處于真空狀態(tài)；微成形系統(tǒng)安置于三 軸微調(diào)定位工作臺上面，由下到上依次為凹模墊板、凹模、凸模導(dǎo)套、凸模和凸模墊板；加 載系統(tǒng)安裝于凸模墊板之上，由下到上依次為微致動器、壓板、測力傳感器和壓力施加機構(gòu)， 壓力施加機構(gòu)由步進電機驅(qū)動；激光加熱系統(tǒng)位于該裝置最上方，由激光器和光路系統(tǒng)組成， 其中光路系統(tǒng)由依次安置的光束擴展器、激光安全快門、三棱鏡、準(zhǔn)直器、半透半反鏡、濾 光鏡、光闌、短焦物鏡和與短焦物鏡相連的五位調(diào)節(jié)架以及安置于半透半反鏡上方的由CCD、 半透半反鏡和白光源組成的觀測子系統(tǒng)組成；控制系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、計算機、D/A轉(zhuǎn)換 器、圖像采集器、成形載荷控制器和打印機，其中成形載荷控制器一端與微致動器和壓力施 加機構(gòu)相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連，控制著成形力和位移。本發(fā)明采用的技術(shù)方案本發(fā)明提出的微塑性成形技術(shù)，它直接以平頂型激光(最大功率300mW，波長1024nm) 為熱源，對難成形的微小工件材料進行均勻化加熱，通過熱傳遞使工件迅速達到微熱成形的 溫度范圍， 一般低于材料的再結(jié)晶溫度，溫度的增加可以減小應(yīng)變強化的影響，降低變形抗 力，然后通過微成形模具對工件施加載荷，獲得與模具形狀相匹配的微器件。成形材料包括 金
壓印、微沖孔等多種微體積成形和微板料成形，容易實現(xiàn)微器件的微塑性成形。通過改變凸 凹模結(jié)構(gòu)可以成形形狀復(fù)雜的三維微小型零件，而且適于批量生產(chǎn)?？梢酝ㄟ^改變激光脈寬、能量、光斑直徑、重復(fù)頻率等激光參數(shù)來調(diào)整溫度邊界條件， 通過控制照射區(qū)域和照射時間的長短，可獲得精確的溫度梯度和溫度分布。本發(fā)明的熱載荷加載方式有兩種1. 通過激光器電源及控制系統(tǒng)使激光器能量連續(xù)變化。2. 通過控制激光在工件上的照射區(qū)域和照射時間，從而調(diào)節(jié)激光在工件上的能量加載。 本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢1. 通過激光加熱工件材料的微塑性成形方法不僅可以減小應(yīng)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(xiàn)難成形材料的微成形，如欽合金的微擠 壓成形。2. 平頂型激光能夠?qū)崿F(xiàn)對工件邊界的均勻化加熱，溫享梯度小，微成形過程均勻。3. 通過控制激光的功率、能量和光斑直徑等參數(shù)可以直接控制激光與工件材料之間的 熱作用，達到精確控制工件的溫度分布和所需溫度，所以重復(fù)性好、易實1L自動化生產(chǎn)。4. 利用激光加熱的微塑性成形方法簡單實用，應(yīng)用范圍廣，只要改變凸凹模結(jié)構(gòu)即可 成形各種復(fù)雜三維微器件，為其他微塑性成形(如微鍛、微拉拔、微彎曲等)提供了指導(dǎo)。5. 激光加熱是非接觸式加熱，與毛坯之間沒有外加機械力的作用，而且是直接照射加熱，工藝簡單。6. 激光束易于聚焦，根據(jù)需要可任意調(diào)整形狀和大小，可對毛坯進行區(qū)域選擇性的加熱。7. 提高了材料的成形性能，成形精確，成本低，效率高，特別適合于微器件的批量生產(chǎn)。8. 與現(xiàn)有的微成形系統(tǒng)中的加熱技術(shù)相比，激光加熱無環(huán)境污染，導(dǎo)向性能好，對試 件的形狀無特殊要求。激光的熱作用效果明顯，加熱時間短，效率高，無需再對模具進行預(yù) 熱。9. 由于溫度加熱到材料再結(jié)晶溫度之下，不僅沒有易氧化、過度熱膨脹等熱擠壓無法避免的問題，還可以減少冷擠壓擠壓成形力大、易受材料種類、晶粒尺寸和取向的影響的缺 陷，提高了材料成形穩(wěn)定性。10. 本發(fā)明在光路設(shè)計和成形系統(tǒng)中均采用了調(diào)節(jié)裝置，微成形系統(tǒng)中還采用了多軸連 動的雙工作臺，能快速實現(xiàn)成形系統(tǒng)的定位，且易實現(xiàn)程序自動控制。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的微器件微塑性成形裝置示意圖。圖2是本發(fā)明中激光加熱系統(tǒng)示意圖。圖3是本發(fā)明中利用光纖的激光加熱系統(tǒng)示意圖。圖4是本發(fā)明中整個微器件微塑性成形系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖。(l)激光器 (2)光路系統(tǒng) G)外殼(4)壓力施加機構(gòu) (5)測力傳感器 (6) 壓板 (7)微致動器 (8)凸模墊板 (9)凸模 (10)真空泵 (11)三軸手動調(diào)節(jié) 定位工作臺 (12)三軸微調(diào)定位工作臺 (13)凹模墊板 (14)凹模 (15)坯料 (16) 凸模導(dǎo)套 (17) CCD (18)半透半反鏡 (19)白光源 (20)半透半反鏡 (21)濾 光鏡 (22)光闌 (23)短焦物鏡 (24)五位調(diào)節(jié)架 (25)準(zhǔn)直器 (26)三棱鏡 (27) 激光安全快門 (28)光束擴展器 (29)聲光調(diào)制器 (30)單模光纖 (31)準(zhǔn)直透鏡 組 (32)成形載荷控制器 (33)圖像采集器 (34)A/D轉(zhuǎn)換器 (35)計算機 (36) 打印機 (37)D/A轉(zhuǎn)換器具體實施方式
下面結(jié)合圖l、圖2、圖3和圖4詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。 整個微器件的微塑性成形系統(tǒng)由激光加熱系統(tǒng)、微成形系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安 裝平臺五部分。激光加熱系統(tǒng)由激光器1連接光路系統(tǒng)2而成，光路系統(tǒng)2由激光器1、光 束擴展器28、設(shè)有安全措施的激光安全快門27、三棱鏡26、準(zhǔn)直器25、半透半反鏡20、濾 光鏡21、光闌22、調(diào)節(jié)光斑大小的短焦物鏡23、調(diào)節(jié)物鏡的五位調(diào)節(jié)架24，以及由CCD17、 半透半反鏡18和白光源19組成的觀測子系統(tǒng)組成。激光加熱系統(tǒng)也可以由激光器1、聲光 調(diào)制器29、單模光纖30、準(zhǔn)直透鏡組31，以及由CCD17、半透半反鏡18和白光源19組成 的監(jiān)測系統(tǒng)。微成形系統(tǒng)由安裝凸模的凸模墊板8、凸模9、起導(dǎo)正作用和增強凸模剛度的 凸模導(dǎo)套16、凹模14、坯料15和凹模墊板13組成。加載系統(tǒng)由壓力施加機構(gòu)4、測力傳感 器5、壓板6和能夠調(diào)節(jié)微小位移的微致動器7組成，能夠調(diào)節(jié)成形載荷和成形速率?？刂?系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器34、計算機35、 D/A轉(zhuǎn)換器37、圖像采集器33、成形載荷控制器32、 打印機36組成，控制系統(tǒng)控制著成形力、位移、定位工作臺、圖像采集與處理。安裝平臺 由外殼3、將系統(tǒng)內(nèi)部抽成真空的真空泵10、三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺11和三軸微調(diào)定位 工作臺12組成。本發(fā)明的方法為先利用三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺11和三軸微調(diào)定位工作臺12調(diào)整微成 形系統(tǒng)以及和光路之間的位置，接著激光器1發(fā)出的調(diào)制成平頂型的入射激光束通過光路系 統(tǒng)2，經(jīng)過壓力施加機構(gòu)4、測力傳感器5、帶中心圓孔的壓板6、微致動器7、凸模墊板8 和由可透光的高強度材料制成的凸模9，經(jīng)聚焦后直接輻射工件材料15，在極短時間內(nèi)工件 15達到微熱塑性成形所需要的溫度范圍。此時，由壓力施加機構(gòu)4帶動測力傳感器5、壓板 6和微致動器7，使凸模9向下運動，通過力傳感器5來檢測凸模9和工件15的接觸程度， 達到預(yù)定值后停止進給。然后加載系統(tǒng)的微致動器7作為動力源，推動凸模9繼續(xù)下行，成 形載荷控制器控制下行的速度和位移，實現(xiàn)控制輸出的微成形力的目的。因為加熱時間短， 來不及散熱，能夠保證在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)完成微成形過程。成形過程中測力傳感器5、成 形載荷控制器32分別檢測到成形載荷和成形過程的總體變形量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器34輸入到計 算機35，做出紀(jì)錄和反饋控制，并可以將結(jié)果輸出到打印機36。圖l是微器件的微塑性成形裝置示意圖，包括激光器l、光路系統(tǒng)2、外殼3、壓力施加 機構(gòu)4、測力傳感器5、壓板6、微致動器7、凸模墊板8、凸模9、真空泵IO、三軸手動調(diào)
節(jié)定位工作臺ll、三軸微調(diào)定位工作臺12、凹模墊板13、凹模14、坯料15、凸模導(dǎo)套16。 結(jié)合圖1，激光加熱系統(tǒng)由激光器(1)連接光路系統(tǒng)(2)而成。結(jié)合圖l，微成形系統(tǒng)由凸模墊板8、凸模9、凸模導(dǎo)套16、凹模14、坯料15和凹模墊 板13組成。凸模墊板8用于固定凸模9，凸模墊板中心處開有通孔，以便^[光通過。凸模9 的材料是可透光、耐高溫的高硬度材料，而且其強度要高于加工工件材料的強度。當(dāng)凸模進 入凸模導(dǎo)套16時，凸模導(dǎo)套起導(dǎo)正作用和增強凸模剛度作用。坯料15放置于凹模14之內(nèi)， 在凸模的作用下進行成形。凹模墊板13用于固定凸模9。結(jié)合圖l，加載系統(tǒng)由壓力施加機構(gòu)4、測力傳感器5、壓板6和微致動器7組成。壓力 施加機構(gòu)4由步進電機驅(qū)動，達到預(yù)定值后停止進給，并由測力傳感器5來檢測凸模和工件 的接觸程度。測力傳感器5均勻分布在壓力施加機構(gòu)4和壓板6之間，獲得的數(shù)據(jù)取平均值。 壓板中心處開有通孔，以便激光通過。微致動器7是作為后續(xù)動力源，推動凸模繼續(xù)下行完 成最終精密微成形。圖4是控制系統(tǒng)示意圖，控制系統(tǒng)控制著成形力、位移、定位工作臺、圖像采集與處理， 包括A/D轉(zhuǎn)換器34、計算機35、 D/A轉(zhuǎn)換器37、圖像采集器33、成形載荷控制器32和打 印機36。計算機一個輸入端連接有圖像采集器，另一輸入端經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器34和力傳感器5 相連接；兩個輸出端分別連接三軸微調(diào)定位工作臺12和打印機36，另一輸出端經(jīng)過D/A轉(zhuǎn) 換器37連接成形載荷控制器32，成形載荷控制器32連接并控制著壓力施加機構(gòu)4和微致動 器7。計算機自動控制整個微塑性成形過程，加快了工藝流程，保證了微器件的成形質(zhì)量和 精度。結(jié)合圖1，安裝平臺安裝平臺由外殼3、真空泵10、三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺11和三軸 微調(diào)定位工作臺12組成。外殼3用于系統(tǒng)的安置，真空泵10將外殼內(nèi)部抽成真空，對于有 特殊要求的工作環(huán)境，可以充入惰性氣體。三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺11和三軸微調(diào)定位工 作臺12均用于定位，對微成形系統(tǒng)進行調(diào)整，但是三軸微調(diào)定位工作臺12用于精密微調(diào)。 三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺12上面安裝微成形系統(tǒng)中的凹模墊板。 圖2所示為激光加熱系統(tǒng)，調(diào)制成平頂型的激光1經(jīng)光束擴展器28、激光安全快門27、 三棱鏡26、準(zhǔn)直器25、半透半反鏡20、濾光鏡21、光闌22和調(diào)節(jié)光斑大小的短焦物鏡23， 并且透過凸模9到達坯料，實現(xiàn)對坯料的加熱。激光安全快門27是一個安全元件，它使得 實驗人員能夠在完全符合保護眼睛安全的相關(guān)規(guī)定下進行激光設(shè)備的操作；五位調(diào)節(jié)架24 可以調(diào)節(jié)短焦物鏡23與坯料之間的距離，從而達到控制光斑大小的目的。其中光路系統(tǒng)中 的CCD17、半透半反鏡18和白光源19組成觀測子系統(tǒng)，可以對溫度分布以及成形過程進行 觀測，還可以完成凸模和凹模的對中。激光器1的輸出模式為平頂型分布，這樣可以對工件 進行均勻化加熱，使工件溫度分布均勻，后續(xù)成形的材料流動性也能夠得到改善。結(jié)合圖2，白光源19為CCD17提供光源，使CCD可以對激光光束進行拍攝，經(jīng)過圖像 處理得到光斑中心，實現(xiàn)光斑和工件加熱中心的對中。圖3所示為釆用光纖的激光加熱系統(tǒng)，激光器1經(jīng)過由聲光調(diào)制器29、單模光纖30、準(zhǔn) 直透鏡組31等組成的入射激光束光路系統(tǒng)直接照射工件，對工件進行準(zhǔn)靜態(tài)非接觸式加熱 使其達到適合材料微成形的溫度范圍。激光器l的輸出模式為平頂型分布，這樣可以對工件 進行均勻化加熱，使工件溫度分布均勻，后續(xù)成形的材料流動性也能夠得到改善。結(jié)合圖l、圖2和圖4，微成形系統(tǒng)位于三軸微調(diào)定位工作臺12的上面，三軸微調(diào)定位 工作臺和計算機相連接。利用CCD攝像頭透過凸模來獲取凹模型腔的平面圖像，并由圖像 采集器采集CCD拍攝的圖像，計算機根據(jù)圖像處理技術(shù)處理所得圖像，根據(jù)定位精度和處 理結(jié)果，由計算機來控制三軸微調(diào)定位工作臺中的Y向和X向步進電機來實現(xiàn)凸凹模的對 中。同時激光通過光路系統(tǒng)，透過凸模對放置于凹模14型腔內(nèi)的工件15進行非接觸式加熱， 通過控制激光功率和光斑直徑來達到預(yù)定溫度，并由紅外測溫儀檢測工件加熱的溫度，保證 溫度在設(shè)定的有效范圍之內(nèi)，此種加熱方式效率高且可控性好。在加熱過程中，CCD可以對 激光光束進行拍攝，并由圖像釆集器采集CCD拍攝的圖像，經(jīng)過圖像處理得到光斑中心， 根據(jù)定位精度和處理結(jié)果，由五位調(diào)節(jié)架來實現(xiàn)光斑和工件中心的對中。接著成形載荷控制 器32控制壓力施加機構(gòu)4的加載狀況，壓力施加機構(gòu)帶動測力傳感器5、壓板6和微致動器 7，使凸模9向下運動，通過力傳感器5來檢測凸模9和工件15的接觸程度，達到預(yù)定值后
停止進給。此時，成形載荷控制器32通過控制微致動器7來實現(xiàn)凸模9的動作和成形力， 加載系統(tǒng)的微致動器7啟動，作為動力源，推動凸模9繼續(xù)下行。成形過程中測力傳感器5、 成形載荷控制器32分別檢測到成形載荷和成形過程的總體變形量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器34輸入到 計算機35，做出紀(jì)錄和反饋控制，并可以將結(jié)果輸出到打印機36。結(jié)合圖1，通過更改凸模和凹模的形狀，具體實施方式
不變，就可以完成各種難成形材 料的微塑性成形工藝。例如模具更改為為鍛壓模具，就可以實現(xiàn)微溫鍛；模具更換為微超塑 性模具，可以實現(xiàn)微超塑性成形；模具更換為校正模，可以實現(xiàn)微校正成形。更多的成形事 例不便勝舉，這里僅闡明它的技術(shù)方案和實施方法。綜上所述，本發(fā)明所涉及的一種微器件的微塑性成形方法及裝置，將激光加熱應(yīng)用到微 器件的微塑性成形，解決了常規(guī)微加工方法難以成形三維復(fù)雜器件以及難成形材料難以成形 的問題，也解決了低成本和大批量生產(chǎn)微器件的問題，可以對本發(fā)明變形或者修改，以此借 用到其他微塑性成形方法。本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計合理、可靠，工藝簡單， 一致性好，而且適于 批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種微器件的微塑性成形方法，其特征在于激光通過光路系統(tǒng)，透過凸模直接對難成形的微小工件材料進行準(zhǔn)靜態(tài)加載，利用激光的熱作用對工件進行非接觸式加熱，并通過熱傳導(dǎo)使材料達到適合熱成形的溫度，同時，通過微驅(qū)動系統(tǒng)使凸模向凹模作進給運動，加載系統(tǒng)和進給系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)凸模對微毛坯的加載作用，完成微塑性成形。
2. 為實施權(quán)利要求1所述的一種微器件的微塑性成形方法的裝置，其包括安裝平臺、 微成形系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、激光加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五部分；安裝平臺由外殼(3)、真空泵(10)、 三軸手動調(diào)節(jié)定位工作臺(11)和三軸微調(diào)定位工作臺(12)組成，三軸手動調(diào)節(jié)定位工作 臺(11)和三軸微調(diào)定位工作臺(12)依次由下至上安置于外殼(3)底部，真空泵(10) 通過外殼(3)右下側(cè)的管道使成形系統(tǒng)處于真空狀態(tài)；微成形系統(tǒng)安置于三軸微調(diào)定位工 作臺(12)上面，由下到上依次為凹模墊板(13)、凹模(14)、凸模導(dǎo)套(16)、凸模(9) 和凸模墊板(8);加載系統(tǒng)安裝于凸模墊板(8)之上，由下到上依次為微致動器(7)、壓 板(6)、測力傳感器(5)和壓力施加機構(gòu)(4)，壓力施加機構(gòu)(4)由步進電機驅(qū)動；激光 加熱系統(tǒng)位于該裝置最上方，由激光器(1)和光路系統(tǒng)(2)組成，其中光路系統(tǒng)(2)由 依次安置的光束擴展器(28)、激光安全快門(27)、三棱鏡(26)、準(zhǔn)直器(25)、半透半反 鏡(20)、濾光鏡(21)、光闌(22)、短焦物鏡(23)和與短焦物鏡(23)相連的五位調(diào)節(jié) 架(24)以及安置于半透半反鏡(20)上方的由CCD (17)、半透半反鏡(18)和白光源(19) 組成的觀測子系統(tǒng)組成；控制系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器(34)、計算機(35)、 D/A轉(zhuǎn)換器(37)、 圖像采集器(33)、成形載荷控制器(32)和打印機(36)，其中成形載荷控制器(32) —端 與微致動器(7)和壓力施加機構(gòu)(4)相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器(37)與計算機(35) 相連，控制著成形力和位移。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微器件的微塑性成形裝置，其特征在于激光器(1)的 輸出模式為平頂型分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微器件的微塑性成形裝置，其特征在于凸模(9)材料 是可透光、高熔點高硬度材料。
全文摘要
一種微器件的微塑性成形方法及裝置，涉及微器件制造和微塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，特指，其裝置包括激光加熱系統(tǒng)、微成形系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安裝平臺五部分，由激光器發(fā)出的平頂型激光束通過光路系統(tǒng)，經(jīng)過可透射凸模直接加載于難成形的微小工件材料表面，利用激光熱作用對工件的非接觸式加熱和熱傳導(dǎo)，加熱工件到材料再結(jié)晶溫度以下適合成形的溫度范圍。同時，通過微驅(qū)動系統(tǒng)使凸模向凹模作進給運動，加載系統(tǒng)和微驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)凸模對微毛坯的加載作用，完成微塑性成形。本發(fā)明利用激光非接觸式加熱工件上表面的方式來降低材料的變形抗力，增加材料流動的均勻性，提高難成形材料的成形性能，適合微器件的批量生產(chǎn)，易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
文檔編號B21C29/00GK101130196SQ200710024690
公開日2008年2月27日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者盾 呂, 姚紅兵, 孫日文, 凱 張, 戴亞春, 昆 楊, 勻 王, 董培龍, 蘭 蔡, 袁國定, 許楨英 申請人:江蘇大學(xué)