基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置制造方法及图纸

基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，涉及微塑性成形技术和微器件制造领域，其利用长脉冲红外激光准静态加载于微小毛坯，直至毛坯温度分布达到适合材料微温挤的范围。本发明专利技术包括激光加热系统、挤压模具、压力施加机构、进给机构、三维精密工作台（６）、支座和控制系统。超磁致伸缩微位移致动器和步进电机相结合实现进给和压力施加，完成。电热棒通电加热凹模，并由温控组件保持凹模的恒温。采用三维微动平台调整挤压头，再结合图像处理技术实现凸凹模的对中。装置中的温度、模具定位、位移、步进电机和三维精密工作台均由控制系统控制。本发明专利技术可控性好，效率高，可以降低变形抗力，增加材料流动的均匀性，提高难成形材料的成形性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微器件制造及微塑性成形
，特指一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，其适用于微金属器件的体积成形，特别适合于常规微成形方法难以成形或无法成形的材料成形，如钛合金、复合材料等，适合微器件的低成本批量化生产。
技术介绍
微型化使得微机电系统在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，在航空航天、医疗卫生、电信电子、精密仪器和国防等各种应用领域具有广阔的发展前景。随着微机电系统从基础研究阶段逐步跨入研制开发和实用阶段，对微机电系统器件的加工工艺、加工质量、成本和批量等提出了新的要求，其最终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。现有的面向MEMS的微机械加工技术和工艺是在集成电路的基础上发展起来的，主要依赖于LIGA、光刻、蚀刻等微细加工技术，无法满足三维复杂形状微器件的加工，也限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的可重复性差，不适合微型器件的批量生产，可见研究高效、低成本的适用于多种材料的微器件成形方法非常迫切。而塑性成形具有工艺简单、生产效率高、成本低，零件精度和强度高的特点，所以近来结合塑性加工方法的微塑性成形技术得到了很大发展。在微塑性成形领域中，微挤压成形的非常适合复杂形状的微器件成形，也满足批量生产的要求。但是，微挤压件结构尺寸的微型化并非传统意义下宏观零件的简单几何缩小，传统宏观的成形理论、挤压模具设计理论、工艺参数等都不能简单按照相似定律缩小应用到微挤压成形中，微型化对微挤压成形工艺和模具结构设计等各方面也都有影响，微挤压的复杂性至今仍是使得国内外研究的热点。经检索国内外已有为数不多的关于微塑性成形和微挤压的专利技术报道，如中国专利200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形，日本Tsuyoshi Masumoto申请专利Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利02159403.1报导了利用激光固化实现对含有微细纤维强化材料的微型零部件加工。U.Engel等人成功采用温微锻成形了难加工材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and Nano Technology.2003，69-72)。目前报导的关于微挤压研究和专利大多集中在冷挤压和超塑性微挤压，但存在下列问题1.由于微冷挤的变形抗力大，而且受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响较大，造成微冷挤的变形、充模不均匀，工艺参数不稳定。2.超塑性微挤压对所使用的工件材料有特殊要求，仅适用于具有超塑性材料的微挤压。3.微塑性成形系统中对工件的加热都是间接式(将热电偶埋入模具之内)或者接触式的加热(油浴、加热炉)，工序复杂而且温度不易控制。4.成形材料和工艺受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置。一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法，其特征在于以长脉冲红外激光器发射激光，激光束通过外光路系统对微小毛坯进行非接触式准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，直至达到适合材料微温挤的温度范围。同时，压力施加机构和进给机构相结合，利用挤压头和凹模对毛坯进行微挤压。控制系统实行对模温、定位、位移、步进电机和三维精密工作台的控制，最终达到需要的加工质量要求。基于激光加热的微器件温挤压成形装置，包括激光加热系统、挤压模具、压力施加机构、进给机构，支座、三维精密工作台和控制系统。整个装置的最下方是支座，支座上方从左至右，依次为挤压模具、压力施加机构、进给机构；三维精密工作台位于支座和压力施加机构中间；激光加热系统位于支座的左端，由激光器和外光路系统组成，外光路系统由扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜组成；挤压模具部分从左到右依次为左底座、平面玻璃、顶杆、垫板、凹模垫板、凹模、压头导套、凸模；凹模的内部装有电热棒和热电偶，分别用来加热和测量凹模的温度；压力施加机构从左到右依次为支臂、超磁致伸缩微位移控制器、力传感器、超磁致伸缩微致动器、微致动控制器；进给机构从左到右依次为螺母、螺杆、步进电机、步进电机控制器；激光加热系统按照光路的传播路线依次是激光器、扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜；控制系统包括A/D转换器、计算机、D/A转换器、图像采集器和模具温度控制组件。整个激光加热的微器件温挤压成形方法由控制系统协调作业，首先，长脉冲红外激光束经扩展器、可调光阑、准直器、导光系统、反射镜和短焦物镜组成的入射激光束光路系统直接照射毛坯，利用激光束对毛坯进行准静态非接触式加热，激光束在坯料表面和内部形成一定的温度分布和梯度，随着激光照射时间(能量)的增加，毛坯平均温度达到适合材料微温挤的范围。然后，通过电热棒实现凹模的恒温加热，同时用热电偶测量毛坯加热后的温度。再次，进给机构实现挤压头的进程，步进电机控制器控制步进电机带动螺杆向左运动，螺杆通过螺母推动压力施加机构和挤压凸模向左运动，三维精密平台可实现X、Y和Z向的线性精密调节；此过程由力传感器测挤压头和毛坯的接触程度，压力施加机构的超磁致伸缩微致动器作为动力源提供成形力，由超磁致伸缩微位移控制器控制输出的成形力，完成温微挤压。挤压成形后，转动挤压模具组件的左底座，完成顶出机构和凹模孔的对中，由布置在模具组件的左底座上的模具顶出机构，由顶出机构顶出成形件。上述加工过程由控制系统中的微型计算机来控制，加快了工艺流程，还保证了成形件的质量。通过三维微动平台、分光镜、CCD摄像头、图像采集器和图像处理技术来实现坯料、凸凹模的对中和定位。可以通过改变激光脉宽、能量、光斑直径、重复频率等激光参数来调整温度边界条件，通过控制照射区域和照射时间的长短，可获得精确的温度梯度和温度分布。本专利技术的能量加载方式有两种1.通过激光器电源及控制系统使激光器能量连续变化。2.通过控制激光在工件上的照射区域和照射时间，从而调节激光在工件上的能量加载。本专利技术能有效提高难成形材料的成形性能，易于实现微器件的温微挤压成形，通过改变凸凹模结构可以成形形状复杂的三维微小型零件，而且适于批量生产。本专利技术与现有的微挤压和微塑性成形方法比，有下列优点1.微温挤压不仅可以减小应变强化的影响，降低材料变形抗力，而且增加材料流动的均匀性，因此可实现难成形材料的微成形，如钦合金的微挤压成形。2.微温成形机理简洁，为其他微塑性成形(如微锻、微拉拔、微弯曲等)提供了指导。采用长脉冲红外激光作为热源，对工件实施准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，在坯料中形成温度梯度较小的温度场，直至毛坯温度分布达到适合材料微温挤的范围。同时加载系统和进给系统相结合，在微模具的作用下实现对微毛坯的微温挤压。3.激光与工件材料之间的热作用可以精确控制，激光能量载荷控制准确方便，激光的功率、能量和光斑直径等参数可以直接控制。4.应用范围广，易于成形各本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光加热的微器件温挤压成形方法，其特征在于：以长脉冲红外激光器发射激光，激光束通过外光路系统对微小毛坯进行非接触式准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，直至达到适合材料微温挤的温度范围；同时，压力施加机构和进给机构相结合，利用挤压头和凹模对毛坯进行微挤压，控制系统实行对模温、定位、位移、步进电机和三维精密工作台的控制，最终达到需要的加工质量要求。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王匀，许桢英，孙日文，张凯，周明，蔡兰，杨昆，董培龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]