一種微結構硬質合金模具及其熱壓微成型制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱壓成型用微模具和微細加工技術領域，具體涉及一種微結構硬質合金模具及其熱壓微成型制造方法。
【背景技術】
[0002]現今，石英玻璃材料因表面進行微結構設計能很好發揮光學性能而被廣泛應用，但因其為硬脆性材料，單純使用機械加工方法，需要進行塑性域加工才能保證其透明及鏡面效果，但是塑性域加工的時間極長，不符合石英玻璃光學元件實際生產的需要，迫切需要一種工藝推廣石英玻璃的光學元件性能。熱壓微成型作為一種微成型工藝，具有制品材料、幾何形狀和尺寸適應性好、成本低、效率高，以及可連續化、自動化生產等一系列優點，是大規模制造微小型產品的重要發展方向。
[0003]熱壓微成型的微模具因其型腔和流道尺寸跨越宏-微觀尺度范圍，受到尺寸效應的影響，成型過程中熔體的流動、傳熱都與宏觀尺度下不同，對模具的溫度，型腔的通氣、排氣、微塑件的脫模取件等有特殊要求，傳統的模具設計理論和方法在微注塑成型模具設計中不再適用，主要包括模溫控制系統、排氣系統和頂出系統。在微注塑成型中，因模具型腔表面積與體積之比大，導致熔體溫度在填充階段變化范圍大，嚴重影響微塑件的成型質量和成型周期，因此，微模具通常需要設計變模溫控制系統。由于微模具表面加工精度高，當模具合模后，動模和定模之間的間隙很小，型腔內殘留的空氣和熔體釋放的氣體很難從型腔間隙完全排出，這會影響熔體填充率和微塑件成型質量，因此微模具要設計真空排氣系統。由于微塑件質量輕、壁薄、強度低，傳統的脫模機構，即頂桿與塑件直接接觸的頂出方式會破壞微結構，嚴重影響微塑件的成型質量，因此設計出合理的微塑件頂出方式。
[0004]此外，目前常用的微型模具制作方法，利用MEMS工藝與電鑄法結合，通過光刻和等離子體刻蝕實現微結構的制備，具有高精度、批量化的優勢。但設備昂貴，模具機械強度低，壽命較短。
【發明內容】
[0005]針對以上的各種問題，在已經設計好微結構硬質合金微模具注塑成型基礎上，本發明設計了一種微結構硬質合金模具及其熱壓微成型制造方法。
[0006]本發明采用的技術方案如下:
一種微結構硬質合金模具，包括帶微溝槽的硬質合金模芯，所述帶微溝槽的硬質合金模芯的加工面上平行地設置有微溝槽陣列，所述微溝槽陣列用于形成熱壓后成品件上的微結構。
[0007]進一步地，所述帶微溝槽的硬質合金模芯為加工面呈曲面的帶曲面微溝槽的硬質合金模芯，所述微溝槽陣列平行地設置在所述曲面上，將加工面設為曲面，其目的在于根據研究，利用石英玻璃的良好光學性能，通過微溝槽模芯刻印到石英玻璃上，形成凹面微溝槽石英玻璃，相比現今普通石英玻璃平板，具有導光效率更高、亮度更高且發光更均勻等特點，增加光學性能。
[0008]進一步地，所述曲面半徑為200?600mm
進一步地，所述的微溝槽陣列的溝槽夾角為10°?120°，溝槽深度為0.1mm-0.6mm，溝槽間隔為0.5mm?0.9mm。
[0009]進一步地，所述帶微溝槽的硬質合金模芯為加工面呈平面的帶平面微溝槽的硬質合金模芯，所述微溝槽陣列平行地設置在所述平面上，通過微溝槽模芯刻印到石英玻璃上，形成平面微溝槽石英玻璃。
[0010]進一步地，所述的微溝槽陣列的溝槽夾角為10°?120°，溝槽深度為0.1mm?0.6mm，溝槽間隔為0..Smm^0.9mm。
[0011]進一步地，所述微溝槽陣列由修整后的金剛石砂輪加工而成，成本低、工藝簡單。
[0012]—種如所述微結構硬質合金模具的熱壓微成型制造方法，包括步驟:
1)通過上模板所述帶微溝槽的硬質合金模芯安裝在熱壓成型機的上合模上，通過下模板將石英玻璃工件固定在熱壓成型機的下合模上；
2)按照預設的上模板溫度參數將帶曲面微溝槽的硬質合金模芯加熱至700°0800°C;;
3)熱壓成型機上、下模合模，并且對合模后形成的熱壓腔抽真空處理，形成真空腔，目的在于防止由于熱壓微成型過程中令熔融玻璃受壓過程中產生的氣泡影響石英玻璃工件表面微溝槽質量，保證產生的氣泡第一時間通過真空腔被帶走，提高熱壓成型表面質量效果;
4)所述熱壓成型機按照預先設定的壓力值及熱壓時間值加壓后對石英玻璃工件進行熱壓加工；
6)熱壓完成后保壓Is?5s后，即可脫1?和起件。
[0013]進一步地，所述的預定溫度值為700°C~800°C。
[0014]進一步地，熱壓壓力值為20Mpa?40Mpa，熱壓時間值為I s?5s。
[0015]相比現有技術，本發明與現有技術相比具有如下優點:
(I)與普通熱壓成型模具相比，熱壓微成型通過溫度、壓力、保壓時間、抽真空等參數控制，精確熱壓微成型條件，確定高精度成型的參數范圍，從而保證石英玻璃工件表面質量，易于實現大規模制造及實驗室工藝研究。
[0016](2)利用修整后的金剛石砂輪可以在工件表面制做出具有特定形狀的微結構，與基于光刻、刻蝕的加工方法相比設備成本低、工藝簡單。金剛石砂輪可成型硬度較高的材料。
[0017](3)所做出來的工件微結構表面光滑、精度高。
[0018](4)熱壓加工面設置平面或曲面，其中曲面微溝槽結構能很好帶動石英玻璃依次成型，降低熱壓成型的壓力負荷，提高微結構的成型精度和一致性。
[0019](5)促進石英玻璃光學元件的大規模實用性，降低制造成本，微溝槽設計能增強節能減排效果。
【附圖說明】
[0020]圖1為帶曲面微溝槽的硬質合金模芯三維示意圖。
[0021 ]圖2為帶平面微溝槽的硬質合金模芯三維示意圖。
[0022]圖3為帶曲面微溝槽的硬質合金模芯主視示意圖。
[0023]圖4為帶平面微溝槽的硬質合金模芯主視示意圖。
[0024]圖5為熱壓微成型工藝流程示意圖。
[0025]圖6為帶曲面微溝槽的硬質合金模芯熱壓微成型工件的熱壓裝置局部示意圖。
[0026]圖7為帶平面微溝槽的硬質合金模芯熱壓微成型工件的熱壓裝置局部示意圖。
[0027]圖8為熱壓微成型原理微觀示意圖。
[0028]圖中所示:1-帶曲面微溝槽的硬質合金模芯;2-溝槽夾角；3-溝槽深度;4-溝槽間隔；5-曲面半徑;6-熱壓成型機的上合模;7-熱壓成型機的下合模;8-石英玻璃工件;9-熱壓機壓力；10-下模板;11-真空腔；12-上模板;13-熱壓機上模版溫控模塊;14-受熱變形區域；15-帶平面微溝槽的硬質合金模芯。
【具體實施方式】
[0029]為更好理解本發明，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0030]實施例一
如圖1和圖3所示，一種微結構硬質合金模具，包括帶微溝槽的硬質合金模芯，所述包括帶微溝槽的硬質合金模芯為加工面呈曲面的帶曲面微溝槽的硬質合金模芯I，所述微溝槽陣列平行地設置在所述曲面上，所述曲面半徑5為R=400mm，所述微溝槽陣列的溝槽夾角2為9=70°，溝槽深度3為h=0.4mm，溝槽間隔4為a=0.7mm。
[0031]所述微溝槽陣列用于形成熱壓后成品件上的微結構，其中帶曲面微溝槽的硬質合金模芯I的加工面為曲面，其目的在于根據研究，利用石英玻璃的良好光學性能，通過曲面微溝槽模芯刻印到石英玻璃上，形