[发明专利]一种超声辅助微压印成形装置及微压印成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声辅助微压印成形装置及微压印成形方法，属于超声振动辅助成形加工技术领域和微塑性成形技术领域。

背景技术

超声辅助微塑性成形工艺是目前微塑性成形领域前沿研究方向之一。在超声辅助微塑性成形工艺中，超声系统通过超声电源、超声换能器和超声变幅杆（又称超声变幅器）产生超声频机械振动并将振动的幅值增大，传递给加工工具或被加工工件，使其产生高频谐振，从而实现超声辅助微塑性成形加工。现有研究文献报道的超声微塑性成形工艺主要有超声微挤压、超声微镦粗、超声微弯曲、超声微拉伸、超声微冲裁和超声微压印工艺。

微压印是一种典型的模压成形工艺。在现有的超声辅助微压印成形工艺研究中，超声振动装置一般沿Z向竖直设置，超声变幅杆的末端与微压印成形的上模或下模相连接并实现Z向的高频谐振，然后完成超声微压印成形过程。由于竖直放置的超声设备需要较大的安装空间，需要对现有的微压印成形装置进行改造；同时超声振动装置也需要设计较大的超声辐射面来实现微压印装置与超声变幅杆的有效连接，这都增加了设备制造成本和工艺实现难度。因此研发能适用于常规微压印成形设备的超声振动装置以及相应的超声微压印成形工艺成为急需解决的难题之一。

在超声振动系统中，竖直放置的超声换能器和超声变幅杆的长度是决定超声设备所占空间的主要因素。除了提高超声设备的工作频率可以减少超声设备的长度以外，将超声设备从竖直布置改为水平布置也可有效减小设备高度并满足普通微压印成形设备的空间要求。但要满足超声微压印成形工艺要求，水平放置的超声设备则需要产生竖直方向的超声振动，因此需要研发可实现超声振动方向改变的超声变幅器，可将水平的超声振动转变为竖直方向的超声振动，同时还需要负载微压印模具产生超声谐振并实现超声微压印成形过程。要实现微压印模具的高频振动需要较大尺寸的负载表面，而大尺寸的超声变幅器都存在明显的三维耦合振动特性，因此采用大尺寸超声变幅器实现超声振动方向的转换是目前研究的难点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有超声振动辅助微压印成形工艺中超声振动难以实现振动方向有效转换的问题，而提供一种超声辅助微压印成形装置及微压印成形方法，通过采用水平放置的多孔超声变幅器来改变超声振动的传递方向，将超声振动系统所产生的水平超声振动转变为竖直方向的超声振动，并通过超声变幅器的上表面负载微压印模具实现稳定的竖直方向超声振动，实现超声辅助微压印成形过程。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种超声辅助微压印成形装置，包括超声电源、超声换能器、超声变幅杆、多孔超声变幅器、下冲头、微压印模具和上冲头，所述的超声电源与超声换能器连接，超声换能器通过连接螺栓顺序串接超声变幅杆、多孔超声变幅器；所述的超声变幅器下端面通过螺纹连接支撑腿，支撑腿支撑整个装置，超声变幅器上端面通过连接螺栓连接下冲头，工件固定在下冲头上，微压印模具固定在上冲头上；所述的超声电源为超声换能器提供电能，超声换能器用于将电信号转变为高频的机械振动波，超声变幅杆用于将超声换能器所产生的水平超声振幅放大；多孔超声变幅器将超声变幅杆的水平方向超声振动转换为竖直方向的超声振动。

所述的超声变幅杆为常规阶梯型超声变幅杆。

所述的多孔超声变幅器由中部的矩形体块及矩形体块的上下表面沿其法向渐变凸出的两个对称矩形多面体结构构成，多孔超声变幅器的上表面为辐射面，上表面和下底面的四条边与中部矩形体块之间各通过四个圆弧面过渡，在上表面和下底面上沿Z方向均匀分布25个具有相同直径且上下对称的竖直盲孔，所述的竖直盲孔的高度与渐变凸出的矩形多面体高度相同，所述的竖直盲孔在靠近上下表面的一端具有内螺纹用于连接固定下冲头的连接螺栓和支撑腿，在两个渐变凸出的矩形多面体结构中部分别沿水平X和Y两个方向各布置5个直径大小不一的水平通孔；多孔超声变幅器通过在本体内布置的X、Y、Z三个方向的孔来改变超声变幅器的超声振动特性，实现输入水平超声振动与输出竖直超声振动间的转换。

所述的连接螺栓均为双头螺柱，其中超声换能器与超声变幅杆、超声变幅杆与多孔超声变幅器之间的两个连接螺栓的中心线处于同一水平面上，而多孔超声变幅器与下冲头之间的连接螺栓的中心线与前述的两个连接螺栓的中心线垂直。