微机电安全密码锁编码齿轮加工方法和加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种微机电安全密码锁编码齿轮加工方法和加工装置。选择大块非晶合金坯料，制备编码齿轮微型挤压模具；将装有挤压模具的加工装置整体置于非接触式加热炉中，通入惰性气体后加热至Ｔｇ～Ｔｘ之间；在挤压模具温度稳定后，放入大块非晶合金坯料，继续加热至温度波动消失，稳定在Ｔｇ～Ｔｘ之间；实施微型挤压成形，加载控制成形应变速率；卸载并取出装置冷却至室温，取出成形后的零件即可。它利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，应用微挤压方式成形抗干涉微机电安全密码锁编码齿轮，具有设备投资小、工艺周期短、组件尺寸随模具设计进一步减小、装配灵活等特点。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微细塑性加工
，具体地说明是一种微机电安全密码锁(MEMS safety lock)编码齿轮加工方法和加工装置，特别适用于抗干涉齿轮集机构(CMGcounter meshing gears mechanism)编码齿轮的制造加工。
技术介绍
“要害事件(high-consequence event)”是指对系统的疏忽操作，可能导致生命、财产的灾难性损失或危害环境的系统。微机电安全密码锁(MEMS safety lock)是一类用于确保“要害系统”安全性的装置，也可称为微锁(microlock)、微型组合锁(micro combination lock)、微型密码鉴别器(micro discriminator)或微型使用控制开关(micro use-control switch)。从结构上讲，微机电安全密码锁由锁体、控制回路、能量耦合通路三部分组成。典型的微机电安全密码锁含四个基本功能单元驱动器、鉴别器机构、耦合器和监测器。驱动器是直线式或回转式致动器，用以驱动鉴别器机构。鉴别器机构实现解锁码装定，是密码鉴别的核心；通常使用一个24字长的二元码组(可表示为符号“A”，“B”的任意组合序列)解锁，输入意图码中任何一位误码，将导致鉴别器机构锁定。耦合器实质上是一个需逐步动作才能闭合的常开型隔断器，只有完全正确地输入意图码才能将其逐步驱动到通路“耦合”的解锁位置，使能量或信号得以穿越锁体。用于内建自检的监测器服务于装置的可靠性与可测试性，不影响功能实现。MEMS安全密码锁要求有以下特点尺寸小、重量小；数百个单件定制的锁可同批批量制造，成本低廉；耐振动、冲击；采用表面微机械加工时无需复杂的零件装配。目前，公知的微小型安全密码锁机构是“迷宫中的销钉(Pin in themaze)”机构和“抗干涉齿轮集(CMGCounter meshing gears assembly)”机构。它们的功能是密码符号的机械装配；与安全密码锁其他零部件配合，实现用户输人符号与装定密码符号的逐个鉴别，错误的输人符号将导致机构锁定。作为安全密码锁的“锁芯”，安全密码锁机构必然是单件定制的，以保证“一把钥匙开一把锁”。“抗干涉齿轮集”机构由一对装配有齿牙的“齿轮集”(或称为“码盘集”)轴平行并列布局构成。一对“齿轮集”是多层成对配伍“码盘”的集合。不同实施例中，“码盘对组”的层数、各码盘的齿牙装定设计(即在圆周上的某个分度位置上是否装定齿牙)，与预定的解锁密码符号组合有关，也与机构的具体设计要求有关(是否“误码立即锁定”、一把锁是否允许有多组解锁密码等)。“抗干涉齿轮集”机构的特点是机构结构简单；密码装定逻辑较为复杂、隐含，安全性高；在安全密码锁装置中，只需一种单向步进驱动装置驱动“抗干涉齿轮集”机构，即可实现“密码装定与鉴别”、“误码齿牙干涉锁定”、“装置逐步解锁到位”这三项密码锁装置的核心功能。另外，从系统设计的安全性来考量，“抗干涉齿轮集”机构也有突出的优势。例如，与后级“能量门控机构(Energy gating mechanism)”的级联接口环节上，可以容易地避免“单点失效(single point failure)”一类的安全性设计缺陷。微电子机械系统(MEMSMicro electro mechanical system)的三类主流工艺是表面硅加工工艺、体硅加工工艺、以LIGA为代表的三维非硅材料加工工艺。其中LIGA技术(“LIGA”是德语单词Lithographie，Galvanoformung和Abformung的缩写)是80年代初由德国Karlsruhe原子核研究中心首先提出并发展起来的，它包括同步辐射光刻、微电铸、微塑铸三个过程。一般而论，LIGA技术制作3维微结构具有如下优点可制作较大尺度的微器件；可获得高深宽比、大高度的微结构；可制作不同材料的微器件，材料可以是金属、合金、生物体可接受的聚合物、具有特殊光学性能的树脂、高温陶瓷等；塑铸成型工艺使得简单的小批量生产成为可能。但它的缺点也很突出1)设备投资大。由于用到同步辐射，整体系统需要附加于高能加速器，运行成本非常昂贵；2)工艺周期长；3)组件尺寸难以减小；4)将LIGA零件装配成部件/整机仍有一定困难。美国Sandia国家实验室报道了用多层表面微机械工艺实现“抗干涉齿轮集”机构的实例，驱动装置为静电驱动器。目前，我国表面微机械工艺的应用几乎空白；若用体硅加工制作“抗干涉齿轮集”机构，可能由于码盘厚度不够，导致一对齿牙因干涉(鉴别到误码)时的结构强度不够而根折，进而使机构、装置失效。另外，“抗干涉齿轮集”机构本身的“准3维(2维图形沿第3维拉伸)”结构特点与LIGA工艺的特点吻合。因此，用LIGA工艺制作“抗干涉齿轮集”机构似乎是目前最佳的选择。中国工程物理研究院的高杨等人在BSRF的LIGA实验站制作的单个码盘LIGA工艺样品，材料为金属镍，强度难以保证实际使用。但“抗干涉齿轮集”机构中各“码盘集”是多层共轴联动的，必须解决“多层一体化码盘集”的LIGA制作工艺问题，才能对微小型安全密码锁装置成品的安全性、可靠性有所贡献。目前“多层一体化码盘集”的LIGA制作工艺尚需解决如下工艺问题1)LIGA的牺牲层工艺；2)获得致密材料、低应力结构的电铸工艺；3)大高度上的光刻对准问题；4)结构加工误差的控制问题，如轴偏心控制、齿形精度控制等，以确保工艺成品达到设计要求。随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大。在20世纪90年代出现了将传统塑性加工工艺应用于大批量微型金属元件制造的微成形(Microform)技术。作为一种全新的塑性加工技术，它继承了传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优良和误差小的特点，适合于近净产品或净产品的大批量生产。微成形中坯料材料的选择和制备是微成形技术在材料学领域的一个重要研究方向。目前在微成形工艺当中，所用材料很多是经过一定特殊工艺加工的超细晶粒材料或非晶态材料，特别是一些尺寸非常小的零件的制造，基本上使用的都是这类材料。与晶态合金以及常用微机械材料单晶硅相比，非晶合金由于在强度、硬度、冲击断裂能以及耐腐蚀性等方面具有明显的优势，从而引起各国学者的重视。自从Inoue等在20世纪90年代提出大块非晶合金成分选择的3条原则之后，大块非晶合金的制备取得了突破性的进展，不但发展出如Mg，Fe，Co，Zr，Pd，Ti，Cu，Nd，La等多种大块非晶合金材料系列，而且所获得的非晶合金尺寸和所需要的临界冷却速度也更具有实用意义。然而，由于大块非晶合金在室温下无论采用机加工还是塑性加工，其成形加工都十分困难，大大制约了大块非晶合金的应用。利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，开发塑性精密成形技术，是解决这一问题的有效方法之一。然而，利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，应用微挤压方式成形微机电安全密码锁编码齿轮的技术目前尚未见报道。
技术实现思路
为了克服现有技术中LIGA技术设备投资大；工艺周期长；组件尺寸难以减小；将LIGA零件装配成部件/整机仍有一定困难的种种不足，本专利技术的目的之一是提供一种利用大块非晶合金在过冷温度区域内的粘性流动行为，应用微挤压方式成形抗干涉微机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电安全密码锁编码齿轮加工方法，其特征在于包括如下步骤：１）根据编码齿轮的具体轮廓尺寸，选择大块非晶合金坯料，制备编码齿轮微型挤压模具；２）将装有挤压模具的加工装置整体置于非接触式加热炉中，通入惰性气体后开始加热，加热 温度在Ｔｇ～Ｔｘ之间，以使大块非晶合金在过冷液相温度区域内实现粘性流变成形；３）在挤压模具温度稳定后，放入大块非晶合金坯料，继续加热至温度波动消失，稳定在Ｔｇ～Ｔｘ之间；４）实施微型挤压成形，加载控制成形应变速率在１×１０↑ ［－２］～１×１０↑［－３］ｓ↑［－１］之间；５）卸载并取出装置冷却至室温，取出成形后的零件即可；其中：所述Ｔｇ为所选大块非晶合金的玻璃转变温度，Ｔｘ为所选大块非晶合金的晶化开始温度。

【技术特征摘要】
1.一种微机电安全密码锁编码齿轮加工方法，其特征在于包括如下步骤1)根据编码齿轮的具体轮廓尺寸，选择大块非晶合金坯料，制备编码齿轮微型挤压模具；2)将装有挤压模具的加工装置整体置于非接触式加热炉中，通入惰性气体后开始加热，加热温度在Tg～Tx之间，以使大块非晶合金在过冷液相温度区域内实现粘性流变成形；3)在挤压模具温度稳定后，放入大块非晶合金坯料，继续加热至温度波动消失，稳定在Tg～Tx之间；4)实施微型挤压成形，加载控制成形应变速率在1×10-2～1×10-3s-1之间；5)卸载并取出装置冷却至室温，取出成形后的零件即可；其中所述Tg为所选大块非晶合金的玻璃转变温度，Tx为所选大块非晶合金的晶化开始温度。2.一种微机电安全密码锁编码齿轮加工装置，其特征在于包括微型直线马达(1)、上压头(2)、限位套筒(3)、磁致伸缩致动器(4)、气保护非接触式加热炉(5)、冲头底座(6)、冲头(7)、坯料(8)、模具(9)、模座(11)、下压头(13)，其中所述微型直线马达(1)与上压头(2)的顶部连接，上压头(2)的颈部设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，张士宏，王忠堂，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]