一种微结构硬质合金模具及其热压微成型制造方法

摘要

本发明公开了一种微结构硬质合金模具，包括带微沟槽的硬质合金模芯，所述带微沟槽的硬质合金模芯的加工面上平行地设置有微沟槽阵列，所述带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈曲面的带曲面微沟槽的硬质合金模芯，所述微沟槽阵列平行地设置在所述曲面上，或者，所述带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈平面的带平面微沟槽的硬质合金模芯，所述微沟槽阵列平行地设置在所述平面上。本发明还公开了一种微结构硬质合金模具的热压微成型制造方法。本发明所做出来的工件微结构表面光滑、精度高，且工艺简单、寿命长，降低热压成型的压力负荷，提高微结构的成型精度和一致性，促进石英玻璃光学元件的大规模实用性，降低制造成本，节能减排。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热压成型用微模具和微细加工技术领域，具体涉及一种微结构硬质合金模具及其热压微成型制造方法。

背景技术

现今，石英玻璃材料因表面进行微结构设计能很好发挥光学性能而被广泛应用，但因其为硬脆性材料，单纯使用机械加工方法，需要进行塑性域加工才能保证其透明及镜面效果，但是塑性域加工的时间极长，不符合石英玻璃光学元件实际生产的需要，迫切需要一种工艺推广石英玻璃的光学元件性能。热压微成型作为一种微成型工艺，具有制品材料、几何形状和尺寸适应性好、成本低、效率高，以及可连续化、自动化生产等一系列优点，是大规模制造微小型产品的重要发展方向。

热压微成型的微模具因其型腔和流道尺寸跨越宏-微观尺度范围，受到尺寸效应的影响，成型过程中熔体的流动、传热都与宏观尺度下不同，对模具的温度，型腔的通气、排气、微塑件的脱模取件等有特殊要求，传统的模具设计理论和方法在微注塑成型模具设计中不再适用，主要包括模温控制系统、排气系统和顶出系统。在微注塑成型中，因模具型腔表面积与体积之比大，导致熔体温度在填充阶段变化范围大，严重影响微塑件的成型质量和成型周期，因此，微模具通常需要设计变模温控制系统。由于微模具表面加工精度高，当模具合模后，动模和定模之间的间隙很小，型腔内残留的空气和熔体释放的气体很难从型腔间隙完全排出，这会影响熔体填充率和微塑件成型质量，因此微模具要设计真空排气系统。由于微塑件质量轻、壁薄、强度低，传统的脱模机构，即顶杆与塑件直接接触的顶出方式会破坏微结构，严重影响微塑件的成型质量，因此设计出合理的微塑件顶出方式。

此外，目前常用的微型模具制作方法，利用MEMS工艺与电铸法结合，通过光刻和等离子体刻蚀实现微结构的制备，具有高精度、批量化的优势。但设备昂贵，模具机械强度低，寿命较短。

发明内容

针对以上的各种问题，在已经设计好微结构硬质合金微模具注塑成型基础上，本发明设计了一种微结构硬质合金模具及其热压微成型制造方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种微结构硬质合金模具，包括带微沟槽的硬质合金模芯，所述带微沟槽的硬质合金模芯的加工面上平行地设置有微沟槽阵列，所述微沟槽阵列用于形成热压后成品件上的微结构。

进一步地，所述带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈曲面的带曲面微沟槽的硬质合金模芯，所述微沟槽阵列平行地设置在所述曲面上，将加工面设为曲面，其目的在于根据研究，利用石英玻璃的良好光学性能，通过微沟槽模芯刻印到石英玻璃上，形成凹面微沟槽石英玻璃，相比现今普通石英玻璃平板，具有导光效率更高、亮度更高且发光更均匀等特点，增加光学性能。

进一步地，所述曲面半径为200~600mm

进一步地，所述的微沟槽阵列的沟槽夹角为10°~120°，沟槽深度为0.1mm~0.6mm，沟槽间隔为0.5mm~0.9mm。

进一步地，所述带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈平面的带平面微沟槽的硬质合金模芯，所述微沟槽阵列平行地设置在所述平面上，通过微沟槽模芯刻印到石英玻璃上，形成平面微沟槽石英玻璃。

进一步地，所述的微沟槽阵列的沟槽夹角为10°~120°，沟槽深度为0.1mm~0.6mm，沟槽间隔为0.5mm~0.9mm。

进一步地，所述微沟槽阵列由修整后的金刚石砂轮加工而成，成本低、工艺简单。

一种如所述微结构硬质合金模具的热压微成型制造方法，包括步骤：

1)通过上模板所述带微沟槽的硬质合金模芯安装在热压成型机的上合模上，通过下模板将石英玻璃工件固定在热压成型机的下合模上；

2)按照预设的上模板温度参数将带曲面微沟槽的硬质合金模芯加热至700℃~800℃；；

3)热压成型机上、下模合模，并且对合模后形成的热压腔抽真空处理，形成真空腔，目的在于防止由于热压微成型过程中令熔融玻璃受压过程中产生的气泡影响石英玻璃工件表面微沟槽质量，保证产生的气泡第一时间通过真空腔被带走，提高热压成型表面质量效果；

4)所述热压成型机按照预先设定的压力值及热压时间值加压后对石英玻璃工件进行热压加工；

6）热压完成后保压1s~5s后，即可脱模和起件。

进一步地，所述的预定温度值为700℃~800℃。

进一步地，热压压力值为20Mpa~40Mpa，热压时间值为1s~5s。

相比现有技术，本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）与普通热压成型模具相比，热压微成型通过温度、压力、保压时间、抽真空等参数控制，精确热压微成型条件，确定高精度成型的参数范围，从而保证石英玻璃工件表面质量，易于实现大规模制造及实验室工艺研究。

（2）利用修整后的金刚石砂轮可以在工件表面制做出具有特定形状的微结构，与基于光刻、刻蚀的加工方法相比设备成本低、工艺简单。金刚石砂轮可成型硬度较高的材料。

（3）所做出来的工件微结构表面光滑、精度高。

（4）热压加工面设置平面或曲面，其中曲面微沟槽结构能很好带动石英玻璃依次成型，降低热压成型的压力负荷，提高微结构的成型精度和一致性。

（5）促进石英玻璃光学元件的大规模实用性，降低制造成本，微沟槽设计能增强节能减排效果。

附图说明

图1为带曲面微沟槽的硬质合金模芯三维示意图。

图2为带平面微沟槽的硬质合金模芯三维示意图。

图3为带曲面微沟槽的硬质合金模芯主视示意图。

图4为带平面微沟槽的硬质合金模芯主视示意图。

图5为热压微成型工艺流程示意图。

图6为带曲面微沟槽的硬质合金模芯热压微成型工件的热压装置局部示意图。

图7为带平面微沟槽的硬质合金模芯热压微成型工件的热压装置局部示意图。

图8为热压微成型原理微观示意图。

图中所示：1-带曲面微沟槽的硬质合金模芯；2-沟槽夹角；3-沟槽深度；4-沟槽间隔；5-曲面半径；6-热压成型机的上合模；7-热压成型机的下合模；8-石英玻璃工件；9-热压机压力；10-下模板；11-真空腔；12-上模板；13-热压机上模版温控模块；14-受热变形区域；15-带平面微沟槽的硬质合金模芯。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例一

如图1和图3所示，一种微结构硬质合金模具，包括带微沟槽的硬质合金模芯，所述包括带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈曲面的带曲面微沟槽的硬质合金模芯1，所述微沟槽阵列平行地设置在所述曲面上，所述曲面半径5为R=400mm，所述微沟槽阵列的沟槽夹角2为θ=70°，沟槽深度3为h=0.4mm，沟槽间隔4为a=0.7mm。

所述微沟槽阵列用于形成热压后成品件上的微结构，其中带曲面微沟槽的硬质合金模芯1的加工面为曲面，其目的在于根据研究，利用石英玻璃的良好光学性能，通过曲面微沟槽模芯刻印到石英玻璃上，形成凹面微沟槽石英玻璃，相比现今普通石英玻璃平板，具有导光效率更高、亮度更高且发光更均匀等特点，增加光学性能。

实施例二

如图2和图4所示，一种微结构硬质合金模具，包括带微沟槽的硬质合金模芯，所述带微沟槽的硬质合金模芯为加工面呈平面的带平面微沟槽的硬质合金模芯(15)，所述微沟槽阵列平行地设置在所述平面上，所述的微沟槽阵列的沟槽夹角2为θ=50°，沟槽深度3为h=0.6mm，沟槽间隔4为a=0.9mm；

上述实施例的微沟槽阵列由修整后的金刚石砂轮加工而成，具体而言，加工曲面微沟槽阵列时，首先将磨成预定尺寸和表面粗糙度的带曲面微沟槽的硬质合金模芯1夹在虎钳上，虎钳固定在磁力平台上，调好位置后采用修整好的粗粒度的金刚石砂轮在带曲面微沟槽的硬质合金模芯1曲面上通过曲面成型算法，利用三轴磨床磨削出具有砂轮表面形状的微结构，然后，在同样的方位上，利用细粒度的金刚石砂轮将粗成型后的工件进行精磨，加工出更加光滑的表面。

所述粗粒度的金刚石砂轮由金刚石磨料和青铜结合剂组成，金刚石磨料粒度为60~200目；所述细粒度的砂轮由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料粒度1500~4000目。砂轮转速为2000~5000转/分；在微结构粗成型加工过程中，砂轮进给深度为10~40微米/每行程，进给速度为5~30mm/min；精加工成型的进给深度为1~10微米/每行程，进给速度为1~5mm/min。

实施例三

如图6和图7及图8所示，一种如所述微结构硬质合金模具的热压微成型制造方法，包括步骤：

1)通过上模板12将所述带曲面微沟槽的硬质合金模芯1或带平面微沟槽的硬质合金模芯15安装在热压成型机的上合模6上，通过下模板10将石英玻璃工件8固定在热压成型机的下合模7上；

2)按照预设的上模板12温度参数将带曲面微沟槽的硬质合金模芯1或带平面微沟槽的硬质合金模芯15加热至700°~800°，所述的预定温度值为750°，这是通过热压机上模版温控模块13来实现；

3)热压成型机上、下模合模，并且对合模后形成的热压腔抽真空处理，目的在于防止由于热压微成型过程中令熔融玻璃受压过程中产生的气泡影响石英玻璃工件8表面微沟槽质量，保证产生的气泡第一时间通过真空腔被带走，提高热压成型表面质量效果；

4)所述热压成型机按照预先设定的压力值及热压时间值加压后对石英玻璃工件8进行热压加工(见图6及图7)，所述热压压力值为20Mpa~40Mpa，热压保压时间值为3s，带曲面微沟槽的硬质合金模芯1或带平面微沟槽的硬质合金模芯15加工面和石英玻璃工件8在热压机压力9的作用下，使石英玻璃工件8受热变形形成与所述曲面微沟槽阵列或带平面微沟槽阵列相对应的受热变形区域14（见图8）；

6）热压完成后保压1s~5s后，即可脱模和起件。

本实施例的热压微成型制造方法，相对于普通热压成型模具，热压微成型通过温度、压力、保压时间、抽真空等参数控制，精确热压微成型条件，确定高精度成型的参数范围，从而保证石英玻璃工件表面质量，易于实现大规模制造及实验室工艺研究。带曲面微沟槽的硬质合金模芯1或带平面微沟槽的硬质合金模芯15可以利用修整后的金刚石砂轮可以在工件表面制作出具有特定形状的微结构，与基于光刻、刻蚀的加工方法相比设备成本低、工艺简单。金刚石砂轮可成型硬度较高的材料，即硬质合金材料；热压微成型制造方法能所做出来的工件微结构表面光滑、精度高。且热压加工面设置平面或曲面，其中曲面微沟槽结构能很好带动石英玻璃依次成型，降低热压成型的压力负荷，提高微结构的成型精度和一致性。本发明促进石英玻璃光学元件的大规模实用性，降低制造成本，微沟槽设计能增强节能减排效果。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。