薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形装置及方法

摘要

薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形装置及方法，它涉及一种薄壁复杂曲面微结构成形装置及方法，以解决薄壁复杂曲面微结构构件现有工艺无法制造的问题，它包括上连接座、下连接座、超声波振动源、凸模、凹模和压料板；超声波振动源安装在上连接座上，上连接座竖向滑动安装在下连接座上，凹模安装在下连接座上，凸模滑动设置在压料板的内孔中，凸模下表面带有阵列的凸起微结构，凹模上表面带有阵列的凹陷微结构，凸起微结构与凹陷微结构匹配设置。微成形方法如下：一、装置组装，二、坯料板微胀形，得到薄壁复杂曲面微结构阵列构件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄壁复杂曲面微结构成形装置及方法，具体涉及一种薄壁复杂曲面微结构阵列超声振动辅助微胀形装置及方法，属于材料成形领域。

背景技术

薄壁复杂曲面微结构构件，其特殊的曲面结构，使得该类结构具有光学、热控等多个方面的功能，在微电子等行业有着广泛的应用潜力。然而，该类型构件壁厚很小，通常在100μm以内，结构最大外轮廓尺寸小于10mm，结构为复杂曲面如球冠、正弦曲线等。目前，该类结构由于壁厚非常小无法采用传统的机械加工方法制造，而常规塑性成形方法容易导致壁厚严重减薄，甚至破裂等瓶颈问题，还不能实现高精度的薄壁复杂曲面微结构构件的精密成形。

发明内容

本发明提供一种薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形装置及方法，为解决薄壁复杂曲面微结构构件现有工艺无法制造的问题。

本发明的技术方案是：

方案一：薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形装置包括上连接座、下连接座、超声波振动源、凸模、凹模和压料板；

超声波振动源安装在上连接座上，上连接座竖向滑动安装在下连接座上，凹模安装在下连接座上，压料板与凹模连接且二者之间用于放置待成形的坯料板，凸模由凸模机驱动，凸模滑动设置在压料板的内孔中，凸模下表面带有阵列的凸起微结构，凹模上表面带有阵列的凹陷微结构，凸起微结构与凹陷微结构匹配设置。

方案二：薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形方法是这样实现的：

一、装置组装，将凸模和凹模分别加工出曲面形的凸起微结构和凹陷微结构，将凹模安装在下模座上，将坯料板放置在凹模的带有凹陷微结构上，压料板安装在凹模上并压紧坯料板，将凸模置于压料板的内孔中，将超声波振动源安装在上连接座上，超声振动冲头及变幅杆穿过支撑板的中心孔，然后，将上连接器和下连接器连接在固定设备上；

二、坯料板微胀形，上连接器连接在试验机上，上连接座连接在上连接器上，在试验机作用下向下运动，其运动方向由导向柱导向，超声波振动源由上连接器经上模座、上支撑柱和固定板带动向下运动，启动超声波振动源，超声振动冲头作用到凸模上，随着凸模运动而向下运动，凸模向下运动作用到坯料板上，同时，超声波振动源提供超声振动并经变幅杆、凸模作用到坯料板上，超声振动频率为20-40KHz，振幅为1-10微米；

凸起微结构和凹陷微结构阵列相互配合，坯料板在凸模和凹模共同作用下，并有超声振动的辅助，产生胀形变形，当凸模下降到与凹模的间隙是坯料板的厚度时，试验机停止上连接座向下运动，并保持所在位置一定时间后返程，取出凸模后即可取出成形的薄壁复杂曲面微结构阵列构件。

本发明相比现有技术的有益效果是：薄壁复杂曲面微结构阵列构件超声振动辅助微胀形装置及方法，是采用薄板成形该构件，利用超声振动辅助成形的优点，对薄板复杂曲面微结构阵列成形具有重要的积极效果，主要以下几个方面：

(1)利用超声振动改善薄板塑性变形性能，提高其延伸率，壁厚更均匀，如最大壁厚减薄量从27％显著降低至19％，能够提高胀形成形极限，非常适合薄壁复杂曲面结构阵列成形；

(2)当凸模移动到位置后保持一定施加超声振动的时间，使得成形的薄板能够更好的贴膜，成形的复杂曲面微结构阵列精度更高，贴膜精度提高了12％。

(3)使用带有阵列微结构的凸模和凹模，可以成形出具有较大面积的阵列微结构件，成形效率高、成本低，并且成形的薄壁复杂曲面微结构一致性好。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2成形原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1说明，薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形装置包括上连接座1、下连接座2、超声波振动源3、凸模4、凹模5和压料板6；

超声波振动源3安装在上连接座1上，上连接座1竖向滑动安装在下连接座2上，凹模5安装在下连接座2上，压料板6与凹模5连接且二者之间用于放置待成形的坯料板，凸模4由凸模机驱动，凸模4滑动设置在压料板6的内孔中，凸模4下表面带有阵列的凸起微结构4-1，凹模5上表面带有阵列的凹陷微结构5-1，凸起微结构4-1与凹陷微结构5-1匹配设置。

使用带有阵列微结构的凸模和凹模，可以成形出具有较大面积的阵列微结构件。

参见图1，为了保证成形过程运行稳定可靠，上连接座1包括上模座1-1、上支撑柱1-2、固定板1-3和导向柱1-4；固定板1-3通过上支撑柱1-2与上模座1-1连接，超声波振动源3和导向柱1-4安装在固定板1-3上，导向柱1-4能在下连接座2上上下滑动。在上述基础上，作为另一个可实施方式，下连接座2包括下模座2-1、垫板2-2、下支撑柱2-3和支撑板2-4；垫板2-2安装在下模座2-1上，凸模4、凹模5、压料板6和垫板2-2连接在一起，垫板2-2上加工导向槽，支撑板2-4上加工有穿过导向柱1-4的导向孔，支撑板2-4通过下支撑柱2-3与垫板2-2连接。

为了保证得到成形的构件强度满足要求，凸模4和凹模5的材质为SKD11。SKD11为强度、韧性及耐热平衡性的冷模具钢。具有使模具寿命更长，性能更稳定，且易于加工，热处理变形小的特点。为了保证成形的稳定性，超声波振动工况条件为：超声振动频率为20-40KHz，振幅为1-10微米。

参见图1和图2说明，本发明还提供薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形方法，该方法是这样实现的：

一、装置组装，将凸模4和凹模5分别加工出曲面形的凸起微结构和凹陷微结构，将凹模5安装在下模座2-1上，将坯料板7放置在凹模5的带有凹陷微结构上，压料板6安装在凹模5上并压紧坯料板7，将凸模4置于压料板6的内孔中，将超声波振动源3安装在上连接座1上，超声振动冲头3-1及变幅杆3-2穿过支撑板2-4的中心孔，然后，将上连接器8和下连接器9连接在固定设备上；

二、坯料板微胀形，上连接器8连接在试验机上，上连接座1连接在上连接器8上，在试验机作用下向下运动，其运动方向由导向柱1-4导向，超声波振动源3由上连接器8经上模座1-1、上支撑柱1-2和固定板1-3带动向下运动，启动超声波振动源3，超声振动冲头3-1作用到凸模4上，随着凸模4运动而向下运动，凸模4向下运动作用到坯料板7上，同时，超声波振动源3提供超声振动并经变幅杆3-2、凸模4作用到坯料板7上，超声振动频率为20-40KHz，振幅为1-10微米；

凸起微结构和凹陷微结构阵列相互配合，坯料板7在凸模4和凹模5共同作用下，并有超声振动的辅助，产生胀形变形，当凸模4下降到与凹模5的间隙是坯料板7的厚度时，试验机停止上连接座1向下运动，并保持所在位置一定时间后返程，取出凸模4后即可取出成形的薄壁复杂曲面微结构阵列构件。为了更好的给导向柱1-4导向，装置的中间部位设计了支撑板2-4，支撑板2-4在导向孔相应位置安装了导套。

本方法可成形得到球冠、正弦曲线等复杂曲面的微结构构件。成形过程中超声波振动源满足：超声振动频率为30KHz，振幅为5微米。超声波振动源3由压电陶瓷提供振动。成形过程中凸模机施加的时间-力关系呈正弦曲线分布。

实施例，凸起微结构4-1为球冠结构，凹陷微结构5-1为与球冠结构相匹配的球冠槽，通过薄壁复杂曲面微结构构件超声振动辅助微胀形方法可成形出壁厚为30-100μm薄壁复杂曲面微结构构件，以球冠为例，球冠曲面结构：球径2.44mm、高0.3mm，阵列宽30mm、长50mm。本方法实验在三思拉伸试验机上，成形工艺参数：最大输出力为10kN，输出速度为1-10mm/min；超声振动频率20-40kHz，振幅为1-10μm。振动源采用压电陶瓷提供振动。凸模4、凹模5采用精密数控加工出曲面结构，凸模4和凹模5材料采用SKD11，性能更稳定，热处理变形小。

本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。