一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法
【專利摘要】本發明涉及一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法，裝置包括超聲電源和超聲換能器，以及通過連接螺栓順序串接的超聲變幅桿和多孔超聲變幅器，超聲變幅器下端面通過螺紋連接支撐腿，支撐腿支撐整個裝置，超聲變幅器上端面通過連接螺栓連接下沖頭，工件固定在下沖頭上，微壓印模具固定在上沖頭上。微壓印成形是通過多孔超聲變幅器將輸入的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動，并驅動微壓印成形模具與工件一起做豎直高頻振動，實現豎直方向的超聲輔助微壓印成形。本發明可在較小的空間高度內實現微壓印成形裝置的豎直超聲振動，并完成超聲微壓印成形過程，本發明有利于超聲微壓印工藝過程的實現并改善材料的微壓印成形過程和質量。
【專利說明】一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法，屬于超聲振動輔助成形加工【技術領域】和微塑性成形【技術領域】。
【背景技術】
[0002]超聲輔助微塑性成形工藝是目前微塑性成形領域前沿研究方向之一。在超聲輔助微塑性成形工藝中，超聲系統通過超聲電源、超聲換能器和超聲變幅桿(又稱超聲變幅器)產生超聲頻機械振動并將振動的幅值增大，傳遞給加工工具或被加工工件，使其產生高頻諧振，從而實現超聲輔助微塑性成形加工。現有研究文獻報道的超聲微塑性成形工藝主要有超聲微擠壓、超聲微鐓粗、超聲微彎曲、超聲微拉伸、超聲微沖裁和超聲微壓印工藝。
[0003]微壓印是一種典型的模壓成形工藝。在現有的超聲輔助微壓印成形工藝研究中，超聲振動裝置一般沿Z向豎直設置，超聲變幅桿的末端與微壓印成形的上模或下模相連接并實現Z向的高頻諧振，然后完成超聲微壓印成形過程。由于豎直放置的超聲設備需要較大的安裝空間，需要對現有的微壓印成形裝置進行改造；同時超聲振動裝置也需要設計較大的超聲輻射面來實現微壓印裝置與超聲變幅桿的有效連接，這都增加了設備制造成本和工藝實現難度。因此研發能適用于常規微壓印成形設備的超聲振動裝置以及相應的超聲微壓印成形工藝成為急需解決的難題之一。
[0004]在超聲振動系統中，豎直放置的超聲換能器和超聲變幅桿的長度是決定超聲設備所占空間的主要因素。除了提高超聲設備的工作頻率可以減少超聲設備的長度以外，將超聲設備從豎直布置改為水平布置也可有效減小設備高度并滿足普通微壓印成形設備的空間要求。但要滿足超聲微壓印成形工藝要求，水平放置的超聲設備則需要產生豎直方向的超聲振動，因此需要研發可實現超聲振動方向改變的超聲變幅器，可將水平的超聲振動轉變為豎直方向的超聲振動，同時還需要負載微壓印模具產生超聲諧振并實現超聲微壓印成形過程。要實現微壓印模具的高頻振動需要較大尺寸的負載表面，而大尺寸的超聲變幅器都存在明顯的三維耦合振動特性，因此采用大尺寸超聲變幅器實現超聲振動方向的轉換是目前研究的難點。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有超聲振動輔助微壓印成形工藝中超聲振動難以實現振動方向有效轉換的問題，而提供一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法，通過采用水平放置的多孔超聲變幅器來改變超聲振動的傳遞方向，將超聲振動系統所產生的水平超聲振動轉變為豎直方向的超聲振動，并通過超聲變幅器的上表面負載微壓印模具實現穩定的豎直方向超聲振動，實現超聲輔助微壓印成形過程。
[0006]為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案是:提供一種超聲輔助微壓印成形裝置，包括超聲電源、超聲換能器、超聲變幅桿、多孔超聲變幅器、下沖頭、微壓印模具和上沖頭，所述的超聲電源與超聲換能器連接，超聲換能器通過連接螺栓順序串接超聲變幅桿、多孔超聲變幅器；所述的超聲變幅器下端面通過螺紋連接支撐腿，支撐腿支撐整個裝置，超聲變幅器上端面通過連接螺栓連接下沖頭，工件固定在下沖頭上，微壓印模具固定在上沖頭上；所述的超聲電源為超聲換能器提供電能，超聲換能器用于將電信號轉變為高頻的機械振動波，超聲變幅桿用于將超聲換能器所產生的水平超聲振幅放大；多孔超聲變幅器將超聲變幅桿的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動。
[0007]所述的超聲變幅桿為常規階梯型超聲變幅桿。
[0008]所述的多孔超聲變幅器由中部的矩形體塊及矩形體塊的上下表面沿其法向漸變凸出的兩個對稱矩形多面體結構構成，多孔超聲變幅器的上表面為輻射面，上表面和下底面的四條邊與中部矩形體塊之間各通過四個圓弧面過渡，在上表面和下底面上沿Z方向均勻分布25個具有相同直徑且上下對稱的豎直盲孔,所述的豎直盲孔的高度與漸變凸出的矩形多面體高度相同，所述的豎直盲孔在靠近上下表面的一端具有內螺紋用于連接固定下沖頭的連接螺栓和支撐腿，在兩個漸變凸出的矩形多面體結構中部分別沿水平X和Y兩個方向各布置5個直徑大小不一的水平通孔；多孔超聲變幅器通過在本體內布置的X、Y、Z三個方向的孔來改變超聲變幅器的超聲振動特性，實現輸入水平超聲振動與輸出豎直超聲振動間的轉換。
[0009]所述的連接螺栓均為雙頭螺柱，其中超聲換能器與超聲變幅桿、超聲變幅桿與多孔超聲變幅器之間的兩個連接螺栓的中心線處于同一水平面上，而多孔超聲變幅器與下沖頭之間的連接螺栓的中心線與前述的兩個連接螺栓的中心線垂直。
[0010]本發明還提供一種應用上述超聲輔助微壓印裝置的微壓印成形方法，采用所述的多孔超聲變幅器將水平超聲振動轉換為豎直超聲振動，多孔超聲變幅器的上表面作為輻射面來負載下沖頭和工件實現高頻諧振；工件和下沖頭固結在一起通過連接螺栓與多孔超聲變幅器一起作豎直高頻振動，微壓印模具則在上沖頭的驅動下向下運動到預定位置，與下沖頭一起完成對工件的微壓印成形過程。
[0011]所述的超聲輔助微壓印成形裝置的微壓印成形方法，至少包括如下步驟:
[0012]步驟1、將工件固定在下沖頭上，下沖頭通過連接螺栓與多孔超聲變幅器連接，微壓印模具與上沖頭連接在一起；通過計算機設定和控制微壓印模具的行程；
[0013]步驟2、將超聲電源和超聲換能器通過電源線連接起來，開啟超聲電源，超聲換能器將電信號轉變為高頻的機械振動波輸出，超聲變幅桿將超聲換能器輸出的水平超聲振幅放大；多孔超聲變幅器將超聲變幅桿的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動，同時多孔超聲變幅器的上表面作為輻射面來負載下沖頭和工件；輻射面支撐下沖頭和工件實現豎直方向的高頻諧振；
[0014]步驟3、下沖頭、工件與多孔超聲變幅器一起作豎直高頻振動，微壓印模具則在上沖頭的驅動下向下運動，當微壓印模具與工件接觸后，微壓印模具繼續運動到預定位置使二者間產生預定的壓力并使微壓印模具壓入到工件材料中，微壓印模具運動到預定位置后需要保持設定的時間，完成工件的微壓印成形；
[0015]步驟4、工件微壓印成形后，升起上沖頭和微壓印模具，實現微壓印模具和工件的分離，完成整個超聲微壓印成形過程。
[0016]本發明所述的多孔超聲變幅器結構經阻抗分析儀、激光測振儀進行性能參數檢測并修正，多孔超聲變幅器的超聲振動特性采用ANSYS仿真軟件進行模擬優化設計。采用多孔超聲變幅器實現水平超聲振動與豎直超聲振動間的轉換，并通過超聲變幅器的上表面承載微壓印模具實現豎直方向高頻諧振和超聲微壓印成形過程。
[0017]本發明的一種超聲輔助微壓印成形裝置及微壓印成形方法具有如下有益效果:
[0018]1、本發明的裝置是通過多孔超聲變幅器實現水平超聲振動與豎直超聲振動間的轉換，通過超聲振動方向的轉換來實現超聲輔助成形加工過程，從而可以在較小的空間高度內實現微壓印成形裝置的安裝，這種裝置的設計可以降低了設備制造成本和工藝實現難度。本發明的裝置在市場上未見過，裝置及相應的微壓印成形方法在國內外研究文獻中都還未見過報道。
[0019]2、本發明的超聲微壓印工藝有利于實現并改善材料的微壓印成形過程和質量。
[0020]3、本發明可廣泛應用于各種微塑性成形過程，具有較廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明超聲輔助微壓印成形裝置剖面結構示意圖。
[0022]圖2為本發明超聲輔助微壓印成形裝置的俯視示意圖。圖中不含超聲電源。
[0023]上述圖中:1 一超聲電源，2—超聲換能器，3—超聲變幅桿，4 一多孔超聲變幅器，5—下沖頭，6—工件，7—微壓印模具，8—上沖頭，9一連接螺栓，10—支撐腿，11 一中部矩形體塊，12—射面，13一Z向盲孔，14一Y向水平通孔，15一X向水平通孔。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳述:
[0025]實施例1:本發明提供的一種超聲輔助微壓印成形裝置，其結構如圖1所示。包括超聲電源1、超聲換能器2、超聲變幅桿3、多孔超聲變幅器4、下沖頭5、微壓印模具7和上沖頭8，所述的超聲電源I與超聲換能器2連接，超聲換能器2通過連接螺栓9順序串接超聲變幅桿3、多孔超聲變幅器4，所述的超聲變幅器3下端面通過螺紋連接支撐腿10，支撐腿10支撐整個裝置，超聲變幅器3上端面通過連接螺栓連接下沖頭5，工件6固定在下沖頭5上，微壓印模具7固定在上沖頭8上；所述的超聲電源I為超聲換能器2提供電能，超聲換能器2用于將電信號轉變為高頻的機械振動波。所述的超聲變幅桿3為常規階梯型超聲變幅桿，超聲變幅桿用于將超聲換能器2所產生的水平超聲振幅放大；多孔超聲變幅器4將超聲變幅桿3的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動。
[0026]所述的連接螺栓9均為雙頭螺柱，其中超聲換能器2與超聲變幅桿3、超聲變幅桿3與多孔超聲變幅器4之間的兩個連接螺栓9的中心線處于同一水平面上，而多孔超聲變幅器4與下沖頭5之間的連接螺栓的中心線與前述的兩個連接螺栓9的中心線垂直。
[0027]參見圖1、2，所述的多孔超聲變幅器4由中部的矩形體塊11及矩形體塊的上下表面沿其法向漸變凸出的兩個對稱矩形多面體結構構成，多孔超聲變幅器4的上表面為輻射面12，上表面和下底面的四條邊與中部矩形體塊之間各通過四個圓弧面過渡，在上表面和下底面上沿Z方向均勻分布25個具有相同直徑且上下對稱的豎直Z向盲孔13，所述的Z向盲孔13的高度與漸變凸出的矩形多面體高度相同，所述的Z向盲孔13在靠近上下表面的一端具有內螺紋用于連接固定下沖頭5的連接螺栓9和支撐腿10，在兩個漸變凸出的矩形多面體結構中部分別沿水平X和Y兩個方向各布置5個直徑大小不一的X向水平通孔15和Y向水平通孔14 ；X向水平通孔15和Y向水平通孔14為直徑大小不一的通孔是根據仿真優化的結果設計的，多孔超聲變幅器通過在本體內布置的X、Y、Z三個方向的孔來改變超聲變幅器的超聲振動特性，實現輸入水平超聲振動向輸出豎直超聲振動的轉換。
[0028]本發明所述的多孔超聲變幅器4的結構經阻抗分析儀、激光測振儀進行性能參數檢測并修正，多孔超聲變幅器4的超聲振動特性是采用ANSYS仿真軟件進行模擬優化設計的。采用多孔超聲變幅器4實現水平超聲振動與豎直超聲振動間的轉換，并通過超聲變幅器的上表面承載下沖頭5和工件6實現豎直方向高頻諧振和超聲微壓印成形過程。
[0029]實施例2:本發明還提供一種應用實施例1的超聲輔助微壓印成形裝置的微壓印方法，采用所述的多孔超聲變幅器4將水平超聲振動轉換為豎直超聲振動，多孔超聲變幅器4的上表面作為輻射面12支撐微壓印模具7實現高頻諧振；工件6和下沖頭5固結在一起通過連接螺栓9與多孔超聲變幅器4 一起作豎直高頻振動，微壓印模具7則在上沖頭8的驅動下向下運動到預定位置，與下沖頭5 —起完成對工件的微壓印成形過程。
[0030]具體的超聲輔助微壓印裝置的微壓印成形方法，至少包括如下步驟:
[0031]步驟1、將工件6固定在下沖頭5上，下沖頭5通過連接螺栓9與多孔超聲變幅器4連接，將微壓印模具7與上沖頭8固定在一起；通過計算機設定和控制微壓印模具的行程。
[0032]步驟2、將超聲電源I和超聲換能器2通過電源線連接起來，開啟超聲電源1，超聲換能器2將電信號轉變為高頻的機械振動波輸出，超聲變幅桿3將超聲換能器2傳遞的水平超聲振幅放大；同時多孔超聲變幅器4將超聲變幅桿3的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動，同時多孔超聲變幅器4的上表面作為輻射面12來負載下沖頭5和工件6 ；輻射面12支撐下沖頭5和工件6實現豎直方向的高頻諧振。
[0033]步驟3、下沖頭5、工件6與多孔超聲變幅器4 一起作豎直高頻振動，微壓印模具7則在上沖頭8的驅動下向下運動，當微壓印模具7與工件6接觸后，微壓印模具7繼續運動到預定位置使二者間產生預定的壓力并使微壓印模具壓入到工件材料中，微壓印模具7運動到預定位置后需要保持設定的時間，從而完成對工件6的微壓印成形。
[0034]步驟4、工件6壓印成形后，升起上沖頭8和微壓印模具7，完成微壓印模具7和工件6的分離，完成對工件6的超聲微壓印成形過程。
[0035]本發明通過多孔超聲變幅器實現水平超聲振動與豎直超聲振動間的轉換，實現超聲輔助成形加工過程，應用本發明的裝置有利于實現并改善材料的微壓印成形過程和質量。本發明可廣泛應用于各種微塑性成形過程，具有較廣闊的應用前景。
【權利要求】
1.一種超聲輔助微壓印成形裝置，包括超聲電源、超聲換能器、超聲變幅桿、多孔超聲變幅器、下沖頭、微壓印模具和上沖頭，其特征在于:所述的超聲電源與超聲換能器連接，超聲換能器通過連接螺栓順序串接超聲變幅桿、多孔超聲變幅器；所述的超聲變幅器下端面通過螺紋連接支撐腿，支撐腿支撐整個裝置，超聲變幅器上端面通過連接螺栓連接下沖頭，工件固定在下沖頭上，微壓印模具固定在上沖頭上；所述的超聲電源為超聲換能器提供電能，超聲換能器用于將電信號轉變為高頻的機械振動波，超聲變幅桿用于將超聲換能器所產生的水平超聲振幅放大；多孔超聲變幅器將超聲變幅桿的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動。
2.根據權利要求1所述的一種超聲輔助微壓印成形裝置，其特征在于:所述的超聲變幅桿為常規階梯型超聲變幅桿。
3.根據權利要求1所述的一種超聲輔助微壓印成形裝置，其特征在于:所述的多孔超聲變幅器由中部的矩形體塊及矩形體塊的上下表面沿其法向漸變凸出的兩個對稱矩形多面體結構構成，多孔超聲變幅器的上表面為輻射面，上表面和下底面的四條邊與中部矩形體塊之間各通過四個圓弧面過渡，在上表面和下底面上沿Z方向均勻分布25個具有相同直徑且上下對稱的豎直盲孔，所述的豎直盲孔的高度與漸變凸出的矩形多面體高度相同，所述的豎直盲孔在靠近上下表面的一端具有內螺紋用于連接固定下沖頭的連接螺栓和支撐腿，在兩個漸變凸出的矩形多面體結構中部分別沿水平X和Y兩個方向各布置5個直徑大小不一的水平通孔；多孔超聲變幅器通過在本體內布置的X、Y、Z三個方向的孔來改變超聲變幅器的超聲振動特性，實現輸入水平超聲振動與輸出豎直超聲振動間的轉換。
4.根據權利要求1中所述的一種超聲輔助微壓印成形裝置，其特征在于:所述的連接螺栓均為雙頭螺柱，其中超聲換能器與超聲變幅桿、超聲變幅桿與多孔超聲變幅器之間的兩個連接螺栓的中心線處于同一水平面上，而多孔超聲變幅器與下沖頭之間的連接螺栓的中心線與前述的兩個連 接螺栓的中心線垂直。
5.一種應用權利要求1所述的超聲輔助微壓印成形裝置的微壓印成形方法，其特征在于:采用所述的多孔超聲變幅器將水平超聲振動轉換為豎直超聲振動，多孔超聲變幅器的上表面作為輻射面來負載下沖頭和工件實現高頻諧振；工件和下沖頭固結在一起通過連接螺栓與多孔超聲變幅器一起作豎直高頻振動，微壓印模具則在上沖頭的驅動下向下運動到預定位置，與下沖頭一起完成對工件的微壓印成形過程。
6.根據權利要求5所述的超聲輔助微壓印成形裝置的微壓印成形方法，其特征在于至少包括如下步驟: 步驟1、將工件固定在下沖頭上，下沖頭通過連接螺栓與多孔超聲變幅器連接，微壓印模具與上沖頭連接在一起；通過計算機設定和控制微壓印模具的行程； 步驟2、將超聲電源和超聲換能器通過電源線連接起來，開啟超聲電源，超聲換能器將電信號轉變為高頻的機械振動波輸出，超聲變幅桿將超聲換能器輸出的水平超聲振幅放大；多孔超聲變幅器將超聲變幅桿的水平方向超聲振動轉換為豎直方向的超聲振動，同時多孔超聲變幅器的上表面作為輻射面來負載下沖頭和工件；輻射面支撐下沖頭和工件實現豎直方向的高頻諧振； 步驟3、下沖頭、工件與多孔超聲變幅器一起作豎直高頻振動，微壓印模具則在上沖頭的驅動下向下運動，當微壓印模具與工件接觸后，微壓印模具繼續運動到預定位置使二者間產生預定的壓力并使微壓印模具壓入到工件材料中，微壓印模具運動到預定位置后需要保持設定的時間，完成工件的微壓印成形； 步驟4、工件微壓印成形后，升起上沖頭和微壓印模具，實現微壓印模具和工件的分離，完成整個超聲微 壓印成形過程。
【文檔編號】B06B1/02GK103935030SQ201410157282
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】韓光超, 王新云, 孫瑩, 孫明, 劉初見 申請人:中國地質大學（武漢）