一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種成形模具裝置及使用該裝置的成形方法，具體涉及一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法，屬于塑性微成形技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微壓印工藝是一種采用微復(fù)制模具成形微結(jié)構(gòu)的高精度微納制造技術(shù)，具有產(chǎn)品穩(wěn)定性好、成本低以及適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)傳感器、生物MEMS、微型熱交換器以及微能源領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，該技術(shù)主要應(yīng)用到聚氯乙烯、聚苯乙烯以及聚碳酸酯等高分子材料，對(duì)于金屬材料的微熱壓印技術(shù)還處于研宄階段。微熱壓印技術(shù)采用具有微結(jié)構(gòu)的硅模具，在一定溫度下，通過壓力加載和保持，最終將微結(jié)構(gòu)復(fù)制到金屬材料上。由于金屬熱壓印過程中所需的壓力很大，具有微結(jié)構(gòu)的模具表面和坯料表面的平行度顯著影響著壓印成品的質(zhì)量。若模具與坯料之間的不平行誤差過大，則無法保證模具與坯料的均勻一致性接觸，也就無法得到均勻一致的微結(jié)構(gòu)，脫模時(shí)也有可能對(duì)已經(jīng)壓印成形的微結(jié)構(gòu)造成破壞；如果不平行度超過一定限度，還會(huì)引起模具的損傷，造成制造成本的增加。另夕卜，由于硅模具很脆，常規(guī)機(jī)械夾持會(huì)引起破碎，且硅模具的精確定位也對(duì)壓印過程有著顯著影響。
[0003]綜上所述，現(xiàn)有微結(jié)構(gòu)的模具與坯料之間的不平行誤差過大，無法得到均勻一致的微結(jié)構(gòu)，脫模時(shí)對(duì)已經(jīng)壓印成形的微結(jié)構(gòu)易造成破壞；另外，由于硅模具很脆，常規(guī)機(jī)械夾持會(huì)引起破碎，存在影響硅模具精確定位的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微結(jié)構(gòu)的模具與坯料之間的不平行誤差過大，無法得到均勻一致的微結(jié)構(gòu)，脫模時(shí)對(duì)已經(jīng)壓印成形的微結(jié)構(gòu)易造成破壞；另外，由于硅模具很脆，常規(guī)機(jī)械夾持會(huì)引起破碎，存在影響硅模具精確定位的問題，進(jìn)而提供一種金屬微熱壓印成形模具裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種金屬微熱壓印成形模具裝置包括上隔熱板、上模板、上墊板、壓頭、壓頭固定板、真空泵連接螺紋管、硅模具、加熱圈、坯料固定座、壓板、多個(gè)導(dǎo)柱、多個(gè)導(dǎo)套、固定板、下模板、下隔熱板、自適應(yīng)調(diào)平底座、調(diào)整彈簧、調(diào)整平臺(tái)、中間隔熱板、多個(gè)頂絲、坯料、定位頂針、頂針彈簧和固定螺栓，上模板和下模板上下設(shè)置且分別通過上隔熱板和下隔熱板進(jìn)行隔熱保護(hù)并與微成形設(shè)備的連接，上墊板安裝在上模板上，壓頭通過壓頭固定板固定在上墊板上，上模板上的真空泵螺紋管的一端與真空泵相連，真空泵螺紋管的另一端依次穿過上墊板和壓頭后通過真空吸附的方式將硅模具固定在壓頭上，硅模具通過設(shè)置在壓頭上的定位頂針、頂針彈簧和固定螺栓進(jìn)行定位；自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)底座通過固定板固定在下模板上，且自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)底座位于壓頭的正下方，坯料固定座通過螺栓固定在調(diào)整平臺(tái)上，坯料固定座與調(diào)整平臺(tái)之間設(shè)有中間隔熱板，成形時(shí)通過自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)底座和調(diào)整平臺(tái)之間的球面接觸與均勻分布的調(diào)整彈簧配合連接，壓板壓在調(diào)整平臺(tái)、調(diào)整彈簧和固定板上，加熱圈通過多個(gè)頂絲安裝在坯料固定座上，坯料安裝在坯料固定座中的凹槽內(nèi)，壓頭固定板和固定板之間通過多個(gè)導(dǎo)柱和多個(gè)導(dǎo)套進(jìn)行定位和導(dǎo)向。
[0006]本發(fā)明還提供了一種使用金屬微熱壓印成形模具裝置的成形方法，該成形方法包括以下步驟:
[0007]步驟一:坯料準(zhǔn)備:
[0008]選定用來成形微型零件的塊體還料，并加工為直徑10mm，厚度3mm的還料，采用機(jī)械拋光與電解拋光結(jié)合的方式處理坯料，保證坯料的表面質(zhì)量；
[0009]步驟二:選定用于成形的壓力機(jī)型號(hào)；
[0010]步驟三:模具裝置安裝與調(diào)試:
[0011]第一，在合模狀態(tài)下分別將上模板、下模板與壓力機(jī)連接端固定，確保上模板、下模板中心重合后擰緊固定螺釘，并將真空系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)分別連接到裝置中；
[0012]第二，將硅模具放置于壓頭的底端，利用定位頂針進(jìn)行定位，打開真空泵，將硅模具吸附于真空壓頭上；
[0013]第三、上移壓力機(jī)橫梁，帶動(dòng)上模運(yùn)動(dòng)，當(dāng)坯料固定座有足夠空間時(shí)，放入坯料，坯料放置于坯料固定座上的定位凹槽內(nèi)，并將頂絲擰緊，達(dá)到固定坯料的作用；
[0014]第四、設(shè)置電子萬能試驗(yàn)機(jī)參數(shù)，進(jìn)行上下模具導(dǎo)向測(cè)試；
[0015]步驟四:微熱壓印成形試驗(yàn):
[0016]第一、打開加熱開關(guān)，設(shè)置目標(biāo)溫度，對(duì)成形部分進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后溫控系統(tǒng)進(jìn)入保溫程序；
[0017]第二、設(shè)定電子萬能試驗(yàn)機(jī)加載方式，確定加載速度、載荷大小以及保壓時(shí)間等工藝參數(shù)；
[0018]第三、下移壓力機(jī)橫梁，使硅模具與坯料輕微接觸，啟動(dòng)壓力機(jī)成形控制程序，進(jìn)行微壓印成形實(shí)驗(yàn)；
[0019]第四、試驗(yàn)結(jié)束后，壓力機(jī)卸載，橫梁上移過程中完成脫模；等坯料冷卻后取出成形后零件，至此，完成了坯料的金屬微熱壓印成形。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:
[0021]采用本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)硅模具與坯料平行度的自適應(yīng)調(diào)整，球面接觸方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)平與對(duì)中，且調(diào)平過程中無側(cè)向位移，保證了硅模具與坯料表面的平行度，避免由于偏心或者受力不均而導(dǎo)致硅模具損壞，硅模具的使用壽命提高了十倍。通過采用真空吸附方式夾持硅模具，能夠?qū)崿F(xiàn)硅模具的快速更換與無損夾持，不僅實(shí)現(xiàn)了金屬微熱壓印工藝的順利脫模，還縮短了模具更換生產(chǎn)周期并提高了模具壽命；另外，裝置的其他部件設(shè)計(jì)為通用化零件，針對(duì)不同微型通道類零件，成形時(shí)只需更換硅模具，從而大大降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0022]圖1為微型通道類零件熱壓印成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種金屬微熱壓印成形模具裝置，其上模板2與下模板14分別與上隔熱板I和下隔熱板I相連，防止高溫工作時(shí)對(duì)壓力機(jī)傳感器造成損傷。通過四根導(dǎo)柱11和四個(gè)導(dǎo)套12對(duì)模具進(jìn)行精確定位和導(dǎo)向，保證硅模具7和坯料固定座9的同心度。上模板2上的連接的真空泵螺紋管6與真空泵相連，采用真空吸附的方式將硅模具7固定在壓頭5上，通過定位頂針22、頂針彈簧23和固定螺栓24對(duì)硅模具7進(jìn)行定位，該定位方式可以實(shí)現(xiàn)硅模具的柔性定位，有利于保護(hù)硅模具不受損傷。壓頭4通過壓頭固定板5固定在上墊板3上，壓頭固定板5、上墊板3和上模板2通過螺栓固定，采用銷釘進(jìn)行精確定位。自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)底座16通過固定板13固定在下模板14上，成形時(shí)通過自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)底座16和調(diào)整平臺(tái)18之間的球面接觸與均勻分布的調(diào)整彈簧17配合，實(shí)現(xiàn)硅模具7與坯料21的平行度自適應(yīng)調(diào)整。由于旋轉(zhuǎn)中心在坯料上表面中心，因此在調(diào)平過程中硅模具與坯料之間只存在純轉(zhuǎn)動(dòng)，而無側(cè)向位移，故能夠保證硅模具中的微結(jié)構(gòu)不會(huì)損傷，確保壓印成形零件的尺寸精度。整個(gè)自動(dòng)調(diào)整平臺(tái)通過壓板10固定在固定板13上。還料固定座9通過螺栓固定在調(diào)整平臺(tái)上，并通過中間隔熱板19進(jìn)行隔熱保護(hù)，采用銷釘進(jìn)行精確定位。加熱圈8套置在坯料固定座9上，與高精度控溫裝置相連，實(shí)現(xiàn)微壓印加熱及溫度控制。坯料固定座9側(cè)壁有三個(gè)夾角互為120°的頂絲20對(duì)坯料進(jìn)行固定，坯料固定座9中的凹槽用于坯料21的精確定位。
[0024]在進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將上模板2與下模板14通過螺栓分別與壓力機(jī)上橫梁與底座連接。啟動(dòng)真空泵，將硅模具7置于壓頭底部，通過定位頂針4進(jìn)行位置調(diào)整，真空泵壓力表示數(shù)達(dá)到目標(biāo)真空度標(biāo)明硅模具已經(jīng)固定于壓頭底部。接著將坯料21放置于坯料固定座9的中心凹槽中，打開溫度控制系統(tǒng)開關(guān)，設(shè)定目標(biāo)溫度，此時(shí)加熱圈8將按照預(yù)定模式加熱到目標(biāo)溫度，到達(dá)目標(biāo)溫度后自動(dòng)進(jìn)行保溫。
[0025]在裝置進(jìn)行加熱的過程中，設(shè)置壓力機(jī)加載方式，主要參數(shù)包括壓力大小、加載速度、保壓時(shí)間等。當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，將壓力機(jī)載荷清零，手動(dòng)調(diào)整橫梁緩慢下移，使硅模具7與坯料21上表面接觸。啟動(dòng)加載和保壓程序進(jìn)行壓印成形實(shí)驗(yàn)。在壓印過程中，當(dāng)坯料與硅模具之間存在微小傾斜角度時(shí)，切向均勻分布的6根調(diào)整彈簧17根據(jù)坯料固定座9角度的變化發(fā)生伸長(zhǎng)或壓縮，使調(diào)整平臺(tái)18產(chǎn)生相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，坯料固定座9將進(jìn)行輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硅模具7與坯料21之間實(shí)現(xiàn)平行度自適應(yīng)調(diào)整。由于彈簧的對(duì)稱分布方式，調(diào)整平臺(tái)18在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，另外，在自適應(yīng)調(diào)平底座16中開設(shè)有油槽，上下球面通過二硫化鉬