一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法

摘要

本申请涉及微成形技术领域，尤其涉及一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法。用于对比观察超声作用的微成形装置包括：成形模具、导热座、加热环以及压头。成形模具开设有模压腔，模压腔具有腔口，金属坯料放置于成形模具并遮盖腔口，导热座位于金属坯料的上方，导热座开设有料仓，导热座还开设有加热槽，加热环放置于加热槽并用于熔融柔性介质；压头的下端位于料仓，且向柔性介质施加向下的压力。本申请可以对更薄的金属坯料进行微成形，且成形后柔性介质和微制件易于分离，并将本装置的成形结果与加有超声装置的成形结果进行对比以观察超声在成形过程中所产生的影响。

说明书

技术领域

本申请涉及微成形技术领域，尤其涉及一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法。

背景技术

微制件制造是当今制造业发展的一个重要方向，也是实现产品小型化、微型化的基础。微成形是微制件制造的一个重要分支。微成形是指用压力迫使金属坯料（包括板料和块体材料）变形，以制备特征尺寸在两个维度上小于1mm的微制件或微结构的金属加工工艺。

金属薄板微成形目前有很多方法，包括：传统的机械成形（刚性冲头和刚性凹模的配合）、常规粘性介质成形、超声振动熔融塑料粉末作柔性冲头成形、激光冲击成形、电磁冲击成形、液压成形、高压气体成形以及高压水射流成形等等。

采用粘性介质作柔性冲头来成形金属板料有许多优势，如：可以使板料上的受力分布更加均匀，从而使板料各处的厚度变化更加均匀，避免板料厚度的局部严重减薄，推迟坯料颈缩，提升材料的变形能力；粘性介质流动性和填充性能好，可传递高压力，可使板料较好地贴紧模压腔的腔壁成形；可成形高强度低塑性难变形材料，可成形复杂形面，可获得高尺寸精度和高表面质量的微制件；只需要单边模具，节约模具制造成本，也避免了刚性冲头与刚性凹模在微成形过程中对中困难的问题，等等。

其中，粘性介质在宏观大尺寸制件成形中早已获得实际应用。但采用常规的粘性介质（常温下呈粘性流态，例如高粘度甲基硅油），制件成形后粘附在制件表面的粘性介质清理比较困难，也阻碍了该方法的广泛应用。微成形中，由于制件极其微小，粘性介质的清理更加困难，因而极少见有相关研究报道，粘性介质成形的优势在微成形中并没有得到充分发挥。

超声熔融塑料粉末作柔性冲头的成形，是将超声振动作用到金属坯料上并对其成形产生影响，因而该方法重要的意义是在微成形中引入了超声振动，从而使该方法成为一种超声微成形方法。超声微成形可以大幅降低成形力，可获得更大变形量的制件，微制件质量也能得到改善，这是施加超声带来的优势。但由于施加了超声振动，对较薄（例如厚度5μm以下）的金属薄板，很容易因超声振动导致金属坯料与模具发生反复碰撞，而产生破裂。

更为重要的是，由于在超声熔融塑料粉末作柔性冲头的方法中，熔融塑料粉末是利用超声使塑料粉末颗粒相互摩擦、碰撞从而使塑料粉末温度升高形成熔融塑料粘性介质，而这种粘性介质在超声停止后即刻凝固，因此无法观察超声在成形过程中对金属板料所产生的影响，进而无法提高微制件的成形质量。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法，旨在为成形更薄金属薄板提供一种可行解决方案，以弥补超声熔融塑料粉末做柔性冲头成形方法不能成形更薄金属薄板的不足；以及解决常规粘性介质在制件成形后附着于制件表面不易清理的问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例采用的技术方案是：

提供了一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法，用于将呈板状的金属坯料成形为微制件，通过采用加热方法将EVA粉末熔融而形成粘性介质，且不需要施加超声波，所述用于对比观察超声作用的微成形装置包括：成形模具、导热座、加热环以及压头；所述成形模具开设有模压腔，所述模压腔具有腔口且所述腔口朝上设置，所述金属坯料放置于所述成形模具并遮盖所述腔口，所述导热座位于所述金属坯料的上方并朝所述成形模具压紧所述金属坯料，所述导热座背离所述金属坯料的表面开设有料仓，所述料仓贯通至所述金属坯料且容置有柔性介质，所述导热座还开设有加热槽，所述加热槽的延伸路径呈环形设置且绕所述料仓的周向布置，所述加热环放置于所述加热槽并用于熔融所述柔性介质；所述压头的下端位于所述料仓，且向所述柔性介质施加向下的压力并推压处于熔融状态下的所述柔性介质，以使所述柔性介质压迫所述金属坯料进入所述模压腔而成形为所述微制件。

在一个实施例中，所述料仓的开口完全覆盖所述模压腔的腔口。

在一个实施例中，所述导热座包括压紧所述金属坯料的导热板以及一端连接所述导热板的导料柱，而所述导料柱的另一端朝上延伸设置，所述料仓开设于所述导热板，所述导料柱中间开设有导向孔，所述料仓连通所述导向孔，所述加热槽开设于所述导热板并绕所述导料柱的周向布置，所述压头的一端经所述导向孔而抵接位于所述料仓内的所述柔性介质。

在一个实施例中，所述用于对比观察超声作用的微成形装置还包括连接所述导热板并与所述导热板层叠设置的压盖，所述压盖对应所述导料柱的位置开设有避让孔，所述导料柱的一端穿过所述避让孔，且所述压盖位于所述加热环的上方并与所述加热环呈预定距离设置。

在一个实施例中，所述压盖包括盖体以及一端连接所述盖体的限位凸台，所述避让孔开设于所述盖体并贯通所述限位凸台，所述导热板还开设有容置腔，所述加热槽开设于所述容置腔的槽底，所述盖体位于所述容置腔，而所述限位凸台的另一端延伸至所述加热槽内并与所述加热环呈预定距离设置。

在一个实施例中，所述用于对比观察超声作用的微成形装置还包括温度控制器以及连接所述导热座的温度传感器，所述温度传感器用于检测所述导热座的温度，所述温度控制器根据所述温度传感器所检测的温度而控制所述加热环。

在一个实施例中，所述用于对比观察超声作用的微成形装置还包括底板，所述底板、所述成形模具、所述金属坯料以及所述导热座依次层叠设置。

在一个实施例中，所述用于对比观察超声作用的微成形装置还包括用于连接所述底板和所述导热座的锁紧螺栓，所述导热座开设有通孔，所述底板对应所述通孔的位置开设有第一螺纹孔，所述锁紧螺栓的一端穿过所述通孔并螺锁于所述第一螺纹孔。

在一个实施例中，用于对比观察超声作用的微成形装置还包括紧固螺栓，所述盖体上开设有连接通孔，所述容置腔的腔底对应所述连接通孔的位置开设有第二螺纹孔，所述紧固螺栓的一端穿过所述连接通孔并螺锁于所述第二螺纹孔。

本申请实施例提供的利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法的有益效果在于：通过加热环对导热座进行加热，使位于料仓内的柔性介质转变成熔融状态，压头的一端朝金属坯料推压熔融态的柔性介质，使金属坯料在柔性介质的压迫下，朝模压腔内移动，从而成形出金属微制件。加热环可以对柔性介质提供持续和稳定的热量，由于未加超声振动，因此金属坯料不会与成形模具发生反复的碰撞，从而可以成形更薄的金属坯料。金属坯料在整个微成形过程中，柔性介质只受压头的压力，且压头上未施加超声振动，通过分析本实施例中的金属坯料的成形参数和成形过程，并与超声成形进行对比分析，可以给施加有超声熔融的微成形提供参照和对比。在微成形完成后，随着温度的降低，柔性介质由熔融态恢复至固态，柔性介质发生收缩而自动与微制件分离，提高了柔性介质清理的便利性。通过采用加热方法将塑料粉末熔融而形成粘性介质，且不需要施加超声波，从而可以对施加有超声波的超声熔融塑料粉末作柔性冲头的方法进行比较，可以清楚了解和分析在相同的熔融塑料作柔性冲头的情况下，施加超声波和不施加超声波的差别，从而了解到施加超声波对金属板料成形所带来的影响，从而根据影响并提出相应的改善措施，最终达到充分有效利用超声成形优势来提高微制件质量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的用于对比观察超声作用的微成形装置的结构原理示意图；

图2是图1的用于对比观察超声作用的微成形装置的爆炸示意图；

图3是图1的导热座的剖视示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1及图3，本申请实施例提供了一种利用用于对比观察超声作用的微成形装置来观察超声作用的方法，其用于将呈板状的金属坯料20成形为微制件。可选地，金属坯料20为薄板状且由紫铜制成，可选地，金属坯料20的厚度范围为1~100μm。用于对比观察超声作用的微成形装置100包括：成形模具12、导热座22、加热环40以及压头32。可选地，成形模具12呈板状且平铺设置于工作台，成形模具12的上表面开设有模压腔10，模压腔10具有腔口且腔口朝上设置。可选地，模压腔10的形状由所要加工的金属微制件的形状决定，模压腔10可以为微圆孔或微沟槽，本实施例中模压腔10为微沟槽。金属坯料20放置于成形模具12并遮盖腔口，导热座22位于金属坯料20的上方并朝成形模具12压紧金属坯料20，以使金属坯料20在成形过程中其板边保持稳定。导热座22背离金属坯料20的一侧表面开设有料仓224，料仓224贯通至金属坯料20且容置有柔性介质30。可选地，柔性介质30可以是各种塑料粉末。本实施例中柔性介质30为塑料粉末（EVA Ethylene Vinyl Acetate Copolymer），EVA熔融温度为90 ˚C，塑料粉末在预定的加热温度下熔融成流体状的粘性介质，在加热停止后其冷却 熔融温度以下时，柔性介质30又恢复成固态。导热座22还开设有加热槽116，加热槽116的延伸路径呈环形设置且绕料仓224的周向布置，加热环40放置于加热槽116并在通电状态下熔融柔性介质30。可选地，加热环40为陶瓷加热环40，其在通电状态下产生热量，并将热量通过导热座22而传递至料仓224内的柔性介质30，以熔融柔性介质30。施力机构在压头32的上端施加一个向下的压力，如图1箭头所示，而压头32的下端位于料仓224，且向柔性介质30传递向下的压力并推压处于熔融状态下的柔性介质30，以使柔性介质30驱动金属坯料20于模压腔10内拉伸而冲裁成形成微制件。可选地，施力机构为向压头32施加静压力的加压装置，比如油压机，或连接压头32的超声焊机的超声头，且超声头只向压头32施加静压力而不施加振动。

请参阅图1及图3，通过加热环40对导热座22进行加热，使位于料仓224内的柔性介质30转变成熔融状态，压头32的一端朝金属坯料20推压熔融态的柔性介质30，使金属坯料20在柔性介质30的压迫下，朝模压腔10内移动，从而成形出金属微制件。加热环40可以对柔性介质30提供持续和稳定的热量，由于未加超声振动，因此金属坯料20不会与成形模具12发生反复的碰撞而破裂，从而可以成形更薄的金属坯料20，例如厚度为1~5μm。金属坯料20在整个微成形过程中，柔性介质30只受压头32的压力，且压头32上未施加超声振动，通过分析本实施例中的金属坯料20的成形参数和成形过程，可以给施加有超声熔融的微成形提供参照和对比。在微成形完成后，随着温度的降低，柔性介质30由熔融态恢复至固态，柔性介质30发生收缩而自动与微制件分离，提高了柔性介质30清理的便利性。请参阅图1及图3，通过采用加热方法将塑料粉末熔融而形成粘性介质，且不需要施加超声波，从而可以对施加有超声波的超声熔融塑料粉末作柔性冲头的方法进行比较，可以清楚了解和分析在相同的熔融塑料柔性冲头材料的情况下，施加超声波和不施加超声波的差别，从而了解到施加超声波对金属坯料20成形所带来的影响，从而根据影响并提出相应的改善措施，最终达到充分有效利用超声成形优势来提高微制件质量的目的。

比如通过分析本实施例中未加超声波的成形力的变化，并将该成形力的变化与加有超声波的微成形的成形力的变化进行对比，从而定量和定性分析超声波在金属坯料20的微成形过程中所产生的影响，有利于改进超声熔融方法的微成形过程，提高金属微制件的成形质量。

请参阅图1及图3，在一个实施例中，料仓224的开口完全覆盖模压腔10的腔口。即料仓224的内径大于模压腔10的内径，可选地，料仓224的横截面所确定的区域完全覆盖模压腔10的腔口所确定的区域，从而使柔性介质30在微成形过程中可以完全覆盖模压腔10的腔口，进而使金属坯料20充分填充模压腔10。

请参阅图1及图3，在一个实施例中，导热座22包括压紧金属坯料20的导热板222以及一端连接导热板222的导料柱221，而导料柱221的另一端朝上延伸设置，料仓224开设于导热板222，导料柱221开设有沿其轴向布置的导向孔117，料仓224连通导向孔117和模压腔10，加热槽116开设于导热板222并绕导料柱221的周向布置，压头32的一端经导向孔117而抵接位于料仓224内的柔性介质30。通过导热板222压紧金属坯料20，从而使金属坯料20在微成形过程中保持稳定。可选地，导向孔117的深度远大于料仓224的深度，而压头32和导向孔117之间的配合，可以对位于料仓224内的熔融的塑料粉末进行有效密封，防止熔融塑料溢出。

在一个实施例中，用于对比观察超声作用的微成形装置100还包括连接导热板222并与导热板222层叠设置的压盖50，压盖50对应导料柱221的位置开设有避让孔113，导料柱221的一端穿过避让孔113，且压盖50设置于加热环40的上方，且与加热环40之间具有微小的预定距离，以避免压盖50损坏加热环40。

在一个实施例中，压盖50包括盖体51以及一端连接盖体51的限位凸台52，避让孔113开设于盖体51并贯通限位凸台52，导热板222还开设有容置腔115，加热槽116开设于容置腔115的槽底，盖体51位于容置腔115，而限位凸台52的另一端延伸至加热槽116内并位于加热环40上方。可选地，限位凸台52与加热环40之间可以设置弹簧垫片，从而既可以使加热环40保持稳定，还可以避免加热环40被限位凸台52压坏。

请参阅图1及图3，在一个实施例中，用于对比观察超声作用的微成形装置100还包括温度控制器31以及连接导热座22的温度传感器13，温度传感器13用于检测导热座22的温度。可选地，温度传感器13检测导热座22内料仓224附近的温度，温度控制器31根据所检测的温度而控制加热环40的发热量。可选地，本实施例中EVA的熔融温度为90゜C，将加热温度控制在超过塑料粉末熔融温度的2~5︒C，即通过温度控制器31可将加热环40的加热温度范围控制为92~95˚C，温度传感器13检测到导热座22的温度低于92 ˚C时，温度控制器31控制加热环40开始加热；而当温度传感器13检测到导热座22的温度高于95 ˚C时，温度控制器31控制加热环40停止加热，依此，循环动态控制。

可选地，温度传感器13为热敏电阻。导热板222上开设有测温孔223，且测温孔223延伸至盖体51处，并尽量接近料仓224。温度传感器13设置于测温孔223内，以检测导热板222的温度，并根据所检测的导热板222的温度而间接监测柔性介质30的温度，即控制导热板222的温度高于塑料熔融温度2~5度即可，但不能高于塑料的分解温度。

请参阅图1及图3，在一个实施例中，用于对比观察超声作用的微成形装置100还包括底板11，底板11、成形模具12、金属坯料20以及导热座22依次层叠设置。底板11用于支撑成形模具12，使成形模具12保持平稳。可选地，通过底板11，可以将成形模具12、金属坯料20、导热座22固定为一体，每次成形前将金属坯料20放置好后即锁紧底板11和导热座22，成形完成后打开底板11和导热座22并取出微制件。

在一个实施例中，用于对比观察超声作用的微成形装置100还包括用于连接底板11和导热座22的锁紧螺栓23，导热座22开设有通孔24，底板11对应通孔24的位置开设有第一螺纹孔111，锁紧螺栓23的一端穿设通孔24并螺锁于第一螺纹孔111。可选地，通孔24开设于导热板222，底板11和导热板222相对设置，而成形模具12位于底板11和导热板222之间。可选地，通孔24开设有四个，四个通孔24绕导料柱221的周向间隔设置，第一螺纹孔111的数量与通孔24的数量适配，且一一对应设置，各第一螺纹孔111内均螺锁有锁紧螺栓23。可选地，模压成形前将金属坯料20放置于成形模具和导热座之间，随后拧紧锁紧螺栓23，以紧固底板11和导热座22，模压成形完成后，松开锁紧螺栓23，以打开底板11和导热座22，并取出微制件。

请参阅图1及图3，可选地，用于对比观察超声作用的微成形装置100还包括紧固螺栓28，盖体51上开设有连接通孔29，容置腔115的腔底对应连接通孔29的位置开设有第二螺纹孔112，紧固螺栓28的一端穿设连接通孔29并螺锁于第二螺纹孔112，以可拆卸地连接盖体51和导热板222。可选地，紧固螺栓28与第二螺纹孔112的配合，使盖体51、导热板222等零件成为一体。在陶瓷加热环40被损坏后，通过松开紧固螺栓28，从而进行加热环40的维修或更换。

可选地，金属坯料20成形完成后，加热环40停止发热，经过一定的时间冷却后，流体状的熔融塑料冷却至熔融温度以下而收缩凝固并与成形后的金属坯料20分离，从而便于柔性介质30与微制件的清理；最后再松开各锁紧螺栓23，取出成形后的金属微制件。

请参阅图1及图3，本申请的用于对比观察超声作用的微成形装置100在成形过程中，不施加超声波，从而可以适应更薄的金属坯料20的成形，例如1~5μm。而且本申请中的柔性介质30在微成形结束并冷却凝固后，柔性介质30可以与微制件自动分离，从而解决了常规的粘性介质难于清理的问题。

请参阅图1及图3，本申请实施例还提供了一种成形方法，该成形方法使用上述用于对比观察超声作用的微成形装置100而实现。成形方法用于将金属坯料20成形为微制件，成形方法包括如下步骤：

S1：准备具有模压腔10的成形模具12、导热座22、加热环40以及压头32，压头32连接外部的施力机构，施力机构向压头32施加向下的压力；

S2：导热座22背离金属坯料20的表面开设有料仓224，料仓224贯通至金属坯料20，柔性介质30放置于料仓224，导热座22开设有加热槽116，加热槽116的延伸路径呈环形设置且绕料仓224的周向布置，加热环40放置于加热槽116并在导电状态下熔融柔性介质30；

S3：模压腔10具有腔口且腔口朝上设置，将金属坯料20放置于成形模具12并遮盖腔口，将导热座22设置于金属坯料20的上方并朝成形模具12压紧金属坯料20；

S4：在施力机构的作用下，压头32的上端受到一个朝下的压力，且压头32的下端向柔性介质30传递向下的压力并推压处于熔融状态下的柔性介质30，以使柔性介质30压迫金属坯料20进入模压腔10而成形成微制件。

请参阅图1及图3，可选地，先将安置有加热环40和热敏电阻的导热板222与薄板状的金属坯料20、成形模具12、底板11等，按预定位置安放，并用锁紧螺栓23锁紧成为一体。温度控制器31设定一个合适的温度范围，例如，以EVA塑料粉末做柔性冲头时，EVA熔融温度为90 ˚C，可将温度范围设置为92~95˚C。

再打开通电开关给陶瓷加热环40通电，陶瓷加热环40发热并使导热板222的温度上升，从而使塑料粉末的温度一并上升，当塑料粉末温度达到熔融温度（例如EVA粉末为90゜C）后开始熔融，待塑料粉末完全熔融后，压头32向熔融后的柔性介质30传递向下的压力，使熔融塑料推动金属坯料20发生变形。

请参阅图1及图3，可选地，本实施例中模压腔10为微沟槽，微沟槽对金属坯料20进行微胀形，即金属坯料20被柔性介质30压迫进入模压腔10，并进行微胀形。在其它实施例中，模压腔10为微圆孔，从而对对金属坯料20进行微冲裁，即金属坯料20进入微圆孔，并被微圆孔的周边切断，从而得到冲裁的微制件。

可选地，通过上述用于对比观察超声作用的微成形装置100可以完成微冲裁、微胀形、微拉深等各种冲压成形工序，只要更换不同的成形模具12即可。金属坯料20成形完成后，关闭加热环40的电源，经过一定的时间冷却后，塑料粉末冷却至熔融温度以下而凝固，然后再取出压头32，并松开各锁紧螺栓23，取出成形后的金属微制件。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。