自適應式微彎曲成形裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及自適應式微彎曲成形裝置及方法，包括兩個固定底座和兩個加載架，每個固定底座上對應安裝一個加載架，兩個加載架的頂端通過安裝板連接為一體，安裝板上裝兩個步進電機Ⅰ；加載架上裝方形導軌和絲杠，絲杠通過聯軸器和步進電機Ⅰ相連；每個絲杠上連接有滑動面板，兩個滑動面板之間連接有張緊的金屬絲束，安裝臺上設有二維移動臺，二維移動臺上裝凹模固定板，凹模固定板裝凹模，凹模上裝定位塊。使用時只需根據微彎曲件厚度和凹模寬度尺寸及凹模模槽角度將金屬絲張緊在自適應式凸模組件上，即可成形出合格的微彎曲件。本發明解決了微彎曲凸模制造困難的問題，也解決了由于微彎曲件厚度變化而頻繁更換凸模的問題。
【專利說明】自適應式微彎曲成形裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明所涉及的【技術領域】是微塑性成形領域，特指一種自適應式微彎曲成形裝置及方法，主要適用于微小器件中薄板的彎曲成形。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷進步，現代工業的范圍不僅向深度方面延伸，也在不斷擴大其范圍，在此過程當中，產品微型化這個新領域正在不斷的發展。尤其是當今微機電系統，集成化技術等學科的突破性發展，對微塑性成形的需求也越來越大。與此同時，在電子，醫藥，精密儀器等領域，微形器件也發揮著越來越大的作用。但因為產品微小，所以在加工工藝上的困難程度也大大增加，加工過程中的進給量、加載速度、加工精度、位移和力測量的實時性等因素對最終產品質量的影響都很大。很明顯，傳統的加工方法無法適用。
[0003]微彎曲成形作為微塑性成形的重要組成部分，在實際應用中也非常廣泛。比如在微機電系統中的一些微型機械構件中的線條，連接頭，連桿等，以及在一些電子傳感器中的簧片等。目前微彎曲成形技術主要依賴于激光微彎曲成形技術和等離子電弧加熱彎曲成形等，都是依據溫度梯度理論而進行的微彎曲成形方法，其他方法有利用微模具彎曲成形和電化學成形方法等，近期光刻也被應用在這一領域。但目前對于微彎曲的研究大多集中在微彎曲的原理方面，對微彎曲具體的成形方法和裝置研究略顯不足，本設計就是針對于這一方面。
[0004]近年來國內外在微彎曲成形方法和裝置上進行的研究較少。Kals對厚度在
0.flmm鎳合金以及銅合金薄板做了彎曲試驗(Journal of Materials ProcessingTechnology, 2000, 103:95-101),是根據普通自由彎曲比例縮小后的一種成形實驗。W.Wang對鎮箔作了微彎曲試驗(International Journal of Plasticity, 2003，19:365-382),根據應變梯度塑性理論研究了微彎曲的成形問題。上海交通大學的蔣振新等(電子工藝技術，2003，5)提出了一種借助二次熔膠工藝實現微彎曲面成型的新工藝制作了微彎曲鎳梁，成形過程不宜控制。中國科學院力學研究所的黃晨光等人(中國激光，2002, 3)對激光微彎曲的成形機理進行了模擬研究，激光參數對微彎曲成形影響很大，激光加熱成本高且彎曲成形可控性差。經檢索國內外在微塑性成形的專利技術為數不多，特別是專門針對塑性成形領域的微彎曲成形技術幾乎沒有。在微塑性成形領域，美國的Edward G.Wenskis設計了一種微拉伸用成形裝置，專利號為US6983658，該裝置僅用作微拉伸試驗，難以應用在微彎曲上。中國專利03132554.8報道了哈爾濱工業大學的一種精密微塑性成形系統，其原理是采用壓電陶瓷作為驅動器施壓成形，但沒有細化到微彎曲成形方面。中國專利200510022725.1報道了西北工業大學的一種微小型零件的超塑性擠壓成形裝置，但是是針對超塑性材料設計的工藝裝置，適用面窄。
[0005]總結以上的研究和報道，現在已有的微彎曲成形技術存在以下缺點:1.在激光方面，利用了材料的溫度梯度效應，通過激光加熱，使得材料表面溫度不均勻，材料變形不均勻，產生彎曲。由于現在激光技術尚不成熟，激光加熱程度難以控制，最后成形工件精度不高，因此，這種技術仍在實驗階段；其次，激光加熱能耗很高，不符合可持續發展的現代化生產理念,生產成本也很高。2.電化學的方法加工成本比較高，專業化程度高，且生產周期太長，不利于廣泛應用。而且電化學方法生產的彎曲件材料表面質量不高，強度也比較低。3.超塑性微成形方法的前提是采用具有超塑性的材料，原材料受限，能夠滿足微器件要求的材料就更少，生產成本高，無法批量生產。另外超塑性材料需要特定的條件才能表現出超塑性，條件較苛刻，生產成本更高。4.采用傳統模具的方法生產微彎曲件，模具制造很困難，而且由于微器件非常小，凸模的剛度就比較差，使用性能比較差。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種新型的自適應式微彎曲成形裝置及成形方法。
[0007]本設計的基本物理學原理:如圖1所示，對于金屬絲，在張緊狀態下，如果給其任意一個方向(不妨設為橫截面)加載一個力，那么金屬絲會趨向于向阻力小的方向運動，并且會產生形變。運用這一原理，如果對于一束金屬絲，在同樣受力時，金屬絲束橫截面則會呈現出向阻力小的方向流動的現象，橫截面的形狀就會根據約束條件發生變化。
[0008]本發明采取的技術方案為:一種自適應式微彎曲成形裝置，包括兩個固定底座和兩個加載架，固定底座安裝在安裝臺上，所述每個固定底座上對應安裝一個加載架，所述兩個加載架的頂端通過安裝板連接為一體，所述安裝板上板面上安裝兩個步進電機I，所述每個步進電機I上分別設置有電機手柄；所述每個加載架上安裝有方形導軌和絲杠，所述兩個絲杠通過所述安裝板下面的固定板實現定位，所述每個絲杠的分別通過聯軸器和所述兩個步進電機I相連；所述每個絲杠上連接有滑動面板，所述兩個滑動面板之間連接有張緊的金屬絲束，所述滑動面板通過絲杠的轉動沿所述方形導軌上下移動；所述安裝臺上正對所述金屬絲束的下方設有二維移動臺，所述二維移動臺上表面安裝有凹模固定板，所述凹模固定板上設有凹模，所述凹模上設有定位塊。
[0009]進一步地，所述滑動面板為T形滑動面板，所述滑動面板上端設有螺栓I和配套螺母III，所述滑動面板左端設有絲杠孔，用來與所述絲杠配合連接，所述滑動面板右端設有螺栓II和配套螺母II，所述螺栓II中部套有導向板，所述導向板為U形導向板，所述導向板的兩平行面上開有與所述螺栓II配合的通孔，所述導向板的側面上開有金屬絲孔，所述導向板內腔設有兩個與所述螺栓II相配合的兩個螺母I，所述螺母I和所述螺栓II配合將所述導向板固定在所述滑動面板上；所述金屬絲束的兩端分別穿過所述導向板側面上的金屬絲孔并對應纏繞在兩個滑動面板的螺栓I上。
[0010]進一步地，所述二維移動臺通過步進電機II和步進電機III實現兩個維度的位移移動。
[0011]進一步地，所述固定板的正中位置固定有CXD攝像機攝像機，所述攝像機用來實現監測金屬絲束與凹模之間的位置是否對中。
[0012]進一步地，所述兩個步進電機1、所述步進電機II和所述步進電機III分別通過步進電機控制器接入計算機；所述每個滑動面板上安裝有位移傳感器，所述兩個位移傳感器通過變送器I和多功能數據采集卡連入計算機；所述CCD攝像機攝像機通過圖像采集卡接入計算機；所述凹模固定板和所述凹模之間安裝力傳感器，所述力傳感器通過變送器變送器II和多功能數據采集卡連入計算機。[0013]進一步地，所述金屬絲束選用鋼絲或鑰絲。
[0014]進一步地，為了加強加載架剛度，所述每個加載架的兩側還設置有角鐵固定塊。
[0015]一種自適應式微彎曲成形方法，將金屬絲束張緊在滑動面板上，將被張緊的金屬絲束用作微彎曲成形時的凸模，與滑動面板一起構成自適應式凸模組件；將凹模固定板安裝在二維移動臺上，凹模固定板上設有凹模和定位塊；利用CCD攝像機攝像機測試金屬絲束與凹模的位置關系，通過調整二維移動臺，實現金屬絲束和凹模的對中，經安裝在凹模上的定位塊對工件定位，以步進電機I作為動力源驅動絲杠，帶動滑動面板沿方形導軌移動，使與滑動面板相連的凸模組件上下移動，實現被張緊的金屬絲束對凹模上的工件進行微彎曲成形，得到與凹模形狀相匹配的微彎曲器件。
[0016]進一步地，所述工件厚度h、所述凹模寬度w和所述金屬絲直徑d之間的關系為:w ^ (5~10) d, h ^ (3~8) d ;金屬絲的數量η滿足:S < 1.25ns < 1.5S，其中S為凹模凹槽橫截面面積，s為金屬絲截面積。
[0017]本設計所提出的自適應式微彎曲成形技術，不同于常規方法所進行的彎曲成形，而是利用被張緊的金屬絲束作為微彎曲成形的凸模進行彎曲成形:1.根據工件材料的硬度和材料，選取金屬絲的材料；根據工件的尺寸，選擇金屬絲的直徑，張緊后能有效的成形普通方法無法成形的微彎曲零件。2.根據工件形狀以及凹模形狀的要求，通過調整兩個滑動面板的高度，調整金屬絲束的角度，以滿足不同工件的需求。3.因為金屬絲比較軟，剛性不足，為能利用金屬絲束作為凸模成形彎曲件，本設計采取的張緊方式是金屬絲束兩邊經過導向板后纏緊在螺栓上，通過旋緊螺栓張緊金屬絲，并使用螺母固定螺栓防止金屬絲松動。4.根據工件的尺寸和材料以及位移傳感器，力傳感器，步進電機反饋的信息通過計算機的處理,控制位移大小和力的大小。
[0018]本設計具有以下的技術優勢:1.采用張緊的金屬絲或金屬絲束作為凸模，解決了傳統凸模微型化后制造困難的難題。2.采用張緊的金屬絲束作為凸模，彎曲力由金屬絲拉力承擔，解決了傳統凸模微型化后在彎曲零件時剛度不足問題，強化了使用性能。3.根據微彎曲件厚度不同的要求，選用對應直徑尺寸的金屬絲張緊后作為微彎曲凸模即可，操作方便。4.根據微彎曲件的形狀以及凹`模凹槽的角度，只需要調整兩個滑動面板的相對高度，就可以調整金屬絲束的角度，生產出不同形狀的工件，更有利于批量化生產。5.整個裝置的支承系統采取H型的結構，精度高。6.裝置中金屬絲束與凹模槽的平行度問題可以通過導向板得到解決，提高了定位效率和精度。7.對于金屬絲的張緊，金屬絲束兩端通過螺栓的旋轉張緊金屬絲，張緊過程簡單，且螺栓選用方便，張緊力可根據需要調節，實現過程容易。
8.根據不同材料抗拉強度、硬度等不同，可以選用其他如鑰絲等金屬絲替代金屬絲，實用性強。9.采用C⑶攝像機和工業圖像采集卡通過計算機觀測金屬絲和凹模的位置關系和距離，調整二維移動臺實現金屬絲束和凹模對中，方便可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是自適應式微彎曲加工基本原理圖。
[0020]圖2是本發明裝置的結構示意圖。
[0021]圖3是C⑶攝像機攝像機與滑動面板對中示意圖。
[0022]圖4是本發明滑動面板主視圖。[0023]圖5是本發明滑動面板俯視圖。
[0024]圖6是本發明凸模組件主視結構圖。
[0025]圖7是本發明凸模組件俯視結構圖。
[0026]圖8是本發明導向板主視圖。
[0027]圖9是本發明導向板俯視圖。
[0028]圖10是本發明導向板左視圖。
[0029]圖11是本發明凹模組件結構圖。
[0030]圖12是本發明凸模組件和凹模組件的配合工作示意圖。
[0031]圖中:1加載架2方形導軌3步進電機I 4步進電機手柄5安裝板6聯軸器7固定板8絲杠9位移傳感器10滑動面板11變送器I 12工業圖像采集卡13多功能數據采集卡14計算機15變送器II 16步進電機控制器17凹模18力傳感器19凹模固定板20步進電機II 21安裝臺22固定底座 23角鐵固定塊24二維移動臺25步進電機III 26定位塊27CXD攝像機28螺栓I 29螺栓II 30墊圈31導向板32螺母I 33螺母II 34螺母III。
【具體實施方式】
[0032]以下將結合附圖，具體說明本設計裝置的具體細節，裝配及工作情況。
[0033]本發明所提出的成形裝置包括六個部分:安裝臺、平移加載工作臺、數據采集系統、自適應式凸模組件、凹模組件和控制系統。動力源由平移加載工作臺提供，數據采集系統提供控制所需的信息，自適應式凸模組件與凹模組件共同完成成形彎曲，控制系統主要根據加工需要控制位移，速度以及對中等。下面將結合圖具體介紹每一部分的細節:
結合圖2和圖3，平移加載工作臺由固定底座21、角鐵固定塊23、加載架1、方形導軌2、絲杠8、固定板7、聯軸器6、安裝板5、步進電機I 3、步進電機手柄4組成，步進電機I 3通過聯軸器6驅動絲杠8轉動，絲杠帶動滑動面板沿方形導軌2移動，步進電機手柄4用來手動驅動絲杠8，實現滑動面板沿方形導軌2移動。數據采集系統包括位移傳感器9、力傳感器18、變送器11、多功能數據采集卡13和計算機14，位移傳感器9、力傳感器18采集位移和力的模擬信號，經變送器11放大傳送給多功能數據采集卡13，轉換成數字信號后儲存于計算機14中。控制系統由CC攝像機27、圖像采集卡12、步進電機控制器16和計算機14組成，CXD攝像機27和工業圖像采集卡12和計算機14用于觀測金屬絲束與凹模之間位置關系，步進電機控制器16用于控制步進電機I 3、步進電機II 20和步進電機III 25的運動，保證成形力以及金屬絲束34與凹模21對中。
[0034]自適應式凸模組件如圖6和圖7所示，主要包括滑動面板10(如圖4和圖5所示)，所述滑動面板10為T形滑動面板，所述滑動面板10上端設有螺栓I 28和配套螺母III 34，所述滑動面板10左端設有絲杠孔，用來與所述絲杠8配合連接，所述滑動面板10右端設有螺栓II 29和配套螺母II 33，所述螺栓II 29中部套有導向板31(如圖8圖9和圖10)，所述導向板31為U形導向板，所述導向板31的兩平行面上開有與所述螺栓II 29配合的通孔，所述導向板31的側面上開有金屬絲孔，所述導向板31內腔設有兩個與所述螺栓II 29相配合的兩個螺母I 32，所述螺母I 32和所述螺栓II 29配合將所述導向板31固定在所述滑動面板10上；所述金屬絲束的兩端分別穿過所述導向板31側面上的金屬絲孔并對應纏繞在兩個滑動面板10的螺栓I 28上，調節螺栓I 28使得金屬絲張緊，用螺母III 34固定住螺栓
I2828并防止金屬絲束松動，張緊后的金屬絲束用作微彎曲成形的凸模。
[0035]如圖11所示，凹模組件由二維移動臺24、步進電機III25、步進電機II 20、凹模固定板19、凹模17和定位塊26組成，通過步進電機控制器16控制步進電機III 25和步進電機
II20，調整二維移動臺24，從而保證安裝在二維移動臺24上的凹模17和自適應式凸模組件中金屬絲束的位置關系對中，起定位的作用。
[0036]具體安裝方式:根據需要把固定底座22安裝在安裝臺21上，然后將角鐵固定塊23安裝在固定底座22上，再將加載架I安裝在角鐵固定塊23右側，并將滑動面板10連同絲杠8和方形導軌2安裝在加載架I上，在絲杠8上安裝固定板7和聯軸器6，固定板7用來固定兩個絲杠8 ;并在加載架I上面安裝安裝板5，在安裝板5上面左右對稱安裝步進電機I 3和步進電機手柄4，再將兩個步進電機I 3分別接入步進電機控制器16，最后接入計算機14 ;然后在兩塊滑動面板10上安裝力傳感器9，再將兩個力傳感器9與變送器11連接，再接入多功能數據采集卡13，最后接入計算機14 ;將CCD攝像機27安裝在固定板正中間位置，朝下，再將CXD攝像機27接入工業圖像采集卡12，最后接入計算機14 ;將步進電機II 20和步進電機III 25連同二維移動臺24安裝在安裝臺21上，并將凹模固定板19安裝在二維移動臺24上，在凹模固定板19上安裝力傳感器18、凹模17和定位塊26，將步進電機II 20和步進電機III 25連接到步進電機控制器16上，并將步進電機控制器16連接到計算機13中；根據微彎曲件的尺寸要求，選用與之相配直徑的金屬絲束，并設計尺寸匹配的凹模17 ；金屬絲束的一端纏繞系在螺栓I 28上，然后經過導向片31中間的孔，根據兩個滑動面板的相對位置調整導向板的角度，再用螺栓II 29和墊圈30以及螺母I 32將導向板固定，另一側以相同的方式固定，再調節螺栓I 28使得金屬絲張緊，用螺母固定住螺栓并防止金屬絲束松動，張緊后的金屬絲束用作微彎曲成形的凸模。然后利用計算機14和步進電機控制器16控制步進電機I 3，使自適應式凸模組件處于適當的位置，打開CXD攝像機27，通過計算機14觀測金屬絲束和凹模17的相對位置，并使用計算機14和步進電機控制器16控制步進電機II 20和步進電機III25，使凹模17與自適應式凸模組件中的金屬絲束對中，然后將定位塊26安裝在凹模17上，通過定位塊26把工件平放于凹模17上；利用計算機14和步進電機控制器16控制步進電機I 3，使金屬絲束通過凹模17對工件加載成形；與此同時，通過位移傳感器9和力傳感器18所測得的位移和力的模擬信號，經過變送器11和15放大傳送給多功能數據采集卡13轉換成數字信號，并保存于計算機14中，以便分析成形過程的受力情況。
[0037]當需要成形不同的微彎曲件時，只需根據微彎曲件厚度和凹模寬度尺寸及凹模模槽角度，更換匹配直徑的金屬絲，調節兩塊滑動面板的相對位置，使金屬絲束呈現相應的角度，最后將金屬絲張緊在自適應式凸模組件上即可成形出合格的微彎曲件。
[0038]綜上所述，本發明所涉及的一種自適應式微彎曲成形方法及裝置，將張緊的金屬絲束作為微彎曲的凸模，解決了微彎曲凸模制造困難的問題，也解決了由于微彎曲件厚度變化導致微彎曲凸模寬度變化而頻繁更換凸模的問題，只需更換金屬絲，便可以重復利用自適應式凸模組件，降低了模具生產的成本和周期。本發明的裝置設計合理，可靠，而且適于批量生產。
【權利要求】
1.一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，包括兩個固定底座(22)和兩個加載架(I)，固定底座(22)安裝在安裝臺(21)上，所述每個固定底座(22)上對應安裝一個加載架(I)，所述兩個加載架(1)的頂端通過安裝板(5)連接為一體，所述安裝板(5)上板面上安裝兩個步進電機I (3)，所述每個步進電機I (3)上分別設置有電機手柄(4);所述每個加載架(1)上安裝有方形導軌(2)和絲杠(8)，所述兩個絲杠(8)通過頂端的固定板(7)來實現定位；所述每個絲杠(8)的分別通過聯軸器(6)和所述兩個步進電機I (3)相連；所述每個絲杠(8)上連接有滑動面板(10)，所述兩個滑動面板(10)之間連接有張緊的金屬絲束，所述滑動面板(10)通過絲杠(8)的轉動沿所述方形導軌(2)上下移動；所述安裝臺(21)上正對所述金屬絲束的下方設有二維移動臺(24)，所述二維移動臺(24)上表面安裝有凹模固定板(19)，所述凹模固定板(19)上設有凹模(17)，所述凹模(17)上設有定位塊(26)。
2.根據權利要求1所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述滑動面板(10)為T形滑動面板，所述滑動面板(10)上端設有螺栓I (28)和配套螺母III (34)，所述滑動面板(10)左端設有絲杠孔，用來與所述絲杠(8)配合連接，所述滑動面板(10)右端設有螺栓II (29)和配套螺母II (33)，所述螺栓II (29)中部套有導向板(31)，所述導向板(31)為U形導向板，所述 導向板(31)的兩平行面上開有與所述螺栓II (29)配合的通孔，所述導向板(31)的側面上開有金屬絲孔，所述導向板(31)內腔設有兩個與所述螺栓II (29)相配合的兩個螺母I (32)，所述螺母I (32)和所述螺栓II (29)配合將所述導向板(31)固定在所述滑動面板(10)上；所述金屬絲束的兩端分別穿過所述導向板(31)側面上的金屬絲孔并對應纏繞在兩個滑動面板(10)的螺栓I (28)上。
3.根據權利要求2所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述二維移動臺(24)通過步進電機II (20)和步進電機III (25)實現兩個維度的位移移動。
4.根據權利要求3所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述固定板(7)的正中位置固定有(XD(27)攝像機。
5.根據權利要求4所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述兩個步進電機I (3)、所述步進電機II (20)和所述步進電機III (25)分別通過步進電機控制器(16)接入計算機(14);所述每個滑動面板(10)上安裝有位移傳感器(9)，所述兩個位移傳感器(9)通過變送器I (11)和多功能數據采集卡(13)連入計算機(14);所述CCD(27)攝像機通過圖像采集卡(12)接入計算機(14);所述凹模固定板(19)和所述凹模(17)之間安裝力傳感器(18)，所述力傳感器(18)通過變送器變送器II (15)和多功能數據采集卡(13)連入計算機(14)。
6.根據權利要求1所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述金屬絲束選用鋼絲或鑰絲。
7.根據權利要求1所述的一種自適應式微彎曲成形裝置，其特征在于，所述每個加載架(1)的兩側還設置有角鐵固定塊(23)。
8.—種自適應式微彎曲成形方法，其特征在于，將金屬絲束張緊在滑動面板上，將被張緊的金屬絲束用作微彎曲成形時的凸模，與滑動面板一起構成自適應式凸模組件；將凹模固定板(19)安裝在二維移動臺(24)上，凹模固定板(19)上設有凹模(17)和定位塊(26)；利用(XD27攝像機測試金屬絲束與凹模的位置關系，通過調整二維移動臺，實現金屬絲束和凹模的對中，經安裝在凹模上的定位塊(26)對工件定位，以步進電機I作為動力源驅動絲杠，帶動滑動面板沿方形導軌移動，使與滑動面板相連的凸模組件上下移動，實現被張緊的金屬絲束對凹模上的工件進行微彎曲成形，得到與凹模形狀相匹配的微彎曲器件。
9.根據權利要求8所述的一種自適應式微彎曲成形方法，其特征在于:所述工件厚度h、所述凹模寬度w和所述金屬絲直徑d之間的關系為:w ^ (5~10)d,h ^ (3、)d ;金屬絲的數量η滿足: S < 1.25ns < 1.5S，其中S為凹模凹槽橫截面面積，s為金屬絲截面積。
【文檔編號】B21D11/20GK103722061SQ201310702900
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】許楨英, 王勻, 朱金鑫, 薛小峰, 朱凱, 杜金星, 魏人杰, 徐吉偉, 蔣素琴 申請人:江蘇大學