一种工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置的制作方法

本发明涉及表面微结构成形领域，具体涉及一种工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置。

背景技术：

高频微压印技术是一种典型的模压成形技术，其基本过程是，激振器的振动经过变幅杆放大后传递给下端的微成形模具，并在工件表面通过高频的往复运动完成结构加工，是一种高效的表面微细结构加工工艺。

但在现有的高频压印技术中，有两点因素制约了该技术的应用：其一是高频激振器的振动方向多为固定的单一方向，其余方向及激振器姿态角均不可调节，从而使压印过程只能在平面上进行，不能满足复杂表面的表面微结构的制备需求，；其二是高频压印技术单次成形深度较低，通常需要多次振动渐进成形才能达到要求，这使得在实际加工过程中高频振动常作为一个辅助运动而非主成形运动被施加在工件上。随着被加工材料硬度的增加，所需的振动次数和激振力会不断上升，在对设备提出更高要求的同时，降低了加工效率，不适用于大范围表面微结构的快速成形。

另一方面，电辅助成形技术作为一种新工艺，近年来正得到日益广泛的关注。现有研究表明，将高频脉冲电流通入被加工工件，可以显著降低材料的流动应力、提升材料的延伸率、抑制成形后材料的回弹现象，从而改善材料的成形性、提升成形质量。基于上述特点，电辅助工艺已在诸如辊压，拉深、平压等多种成形工艺中得到应用。

将电辅助技术与高频压印技术相结合，可同时提升材料的成形性、提高微细结构成形速率，扩展成形工艺的适用范围。但该方面研究仍未见报道。

经现有文献检索发现，中国专利公开号为：cn108326137a，名称为：一种通用精密超声振动成形装置，该技术包括：上压力板、支撑杆、支撑板、导套、导柱、下座板、工作板、下模具、变幅杆、超声换能器和工作头。导柱的上端穿过所述导套并且该导柱的下端穿过所述工作台后固定安装在下座板上。该技术的缺点是，其振头只允许z向振动，限制了其应用的广泛性。

又经文献检索发现，中国专利公开号为：cn105195584a，名称为：超声振动辅助塑性成形装置，该技术包括：机架、伺服电机、精密光栅尺、上模具、上模套、下模具、超声变幅杆、超声换能器及压力传感器。压力传感器同伺服电机和精密光栅尺可形成闭环反馈系统。该技术的缺点是，仅将超声振动作为辅助成形手段引入成形过程中，可成形深度较低。

再经文献检索发现，中国专利公开号为：cn108906891a，名称为：大面积功能微结构阵列电流辅助辊压成形装置，该技术包括：精密微结构阵列辊压机、驱动电机、控制柜和辅助成形电源。控制柜用于控制驱动电机驱动精密微结构阵列辊压机完成对成型件的成形过程、辅助成形电源输出脉冲直流，和辊压机与成形件实现电流对闭环回路。该装置采用大面积滚压成形方式，轧辊不易进行更换且模具制备要求较高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种生产效率高、适用范围广的工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置，可满足不同表面微结构的制备需求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置，包括脉冲电源、三轴工作台、高频激振器、信号发生器、控制器和微结构压印模具，待加工工件置于三轴工作台上，所述高频激振器通过其下部设置的变幅杆连接微结构压印模具，所述的脉冲电源分别连接待加工工件和控制器，所述控制器通过信号发生器连接三轴工作台，高频激振器带动下部变幅杆进行的高频振动为主成形运动，通过控制器对三轴工作台和高频激振器进行路线规划和姿态控制，实现复杂曲面工件表面微结构的快速成形加工；将高频脉冲电流引入待加工工件，利用电流产生的电致塑性效应降低材料流动应力，使高频激振器在激振力下完成表面微结构的逐点成形。高频激振器可以在外部信号的激励下实现高频往复振动，变幅杆将振幅放大后传递给下端安装的微结构压印模具，在工件表面完成快速逐点微结构压印成形过程。将高频脉冲电流引入压印成形过程，并通过控制器匹配电信号和振动信号之间的关系，充分利用电致塑性效应，降低材料的流动应力，提升材料的成形性，从而降低所需成形力，提升成形质量。

进一步地，所述脉冲电源输出的波形电流占空比范围为0.0001-1，频率范围为1hz-10khz，可以在较大范围内自由调节，满足提升待加工工件成形性的需要。

进一步地，所述三轴工作台包括顶部平台和底部平台，顶部平台和底部平台通过设置在两侧的连接柱进行连接，所述顶部平台设有万向轴，该万向轴连接控制器，且所述高频激振器通过万向轴悬挂于顶部平台和底部平台之间，所述底部平台上设有两个平行的滑道，两个滑道之间连接有工件放置板。控制器协调脉冲电源、信号发生器和三轴工作台的输出参数，确保整个装置的正常运行。三轴工作台可以实现高频激振器与工件之间在三维空间中的定位，而万向轴可以调节高频激振器在空间中相对于工件的姿态角，可适用于复杂曲面的成形。底部平台上的工件放置板可适合于不同形状的工件，且便于调节工件和微结构压印模具之间的位置关系。

进一步地，所述滑道的长度宽于工件放置板的宽度，便于加工工件边缘的时候，可将工件进行移动，以便将工件和微结构压印模具控制在一个好加工的相对位置关系。

进一步地，所述三轴工作台包括顶部平台和底部平台，以及成对设置的随动电极，顶部平台和底部平台通过设置在两侧的连接柱进行连接，所述随动电极由依次连接的导电铜鼻、压紧弹簧和导电滚轮组成，两个导电铜鼻的固定端固接在高频激振器的两侧壁上，自由端与脉冲电源相连，在进行待加工工件的压印成形操作时，导电滚轮与待加工工件接触。

进一步地，所述信号发生器输出不同频率和幅值的激励信号至高频激振器，频率范围为1hz-1mhz，幅值范围为10^-3-10a。

进一步地，所述信号发生器由供应电源单独供电，可以输出频率和幅值可调的激励信号。

进一步地，所述微结构压印模具的压印形状选自球形、方形、菱形或金字塔形中的一个或多个，模具可以替换以适应不同加工需求。

进一步地，所述压印形状的特征尺寸为1μm-10cm，既可用于不可视尺寸的微结构也可用于可视尺寸的微结构的加工，适用范围广。

进一步地，所述控制器通过控制线与信号发生器和脉冲电源连接，所述信号发生器通过导线与高频激振器连接，所述脉冲电源通过导线与工件连接。

进一步地，所述的高频激振器在外部信号的激励下实现高频往复振动，高频激振器下端的变幅杆将振幅放大后传递给下端安装的微结构压印模具完成成形过程。

进一步地。所述控制器控制三轴工作台按照设定好的加工轨迹调节高频激振器的空间位置和姿态角，完成工件表面微结构的快速压印成形；同时控制器控制脉冲电源输出电流与信号发生器输出激励信号相匹配，使得在脉冲电流达到峰值的瞬间进行压印成形，从而最大化利用电致塑性效应。

本发明将控制器与高频电源、三轴工作台和信号发生器相连，可控制高频电源输出电流与信号发生器输出激励信号相匹配，在脉冲电流达到峰值的瞬间进行压印成形，利用电流产生的电致塑料性效应降低材料流动应力，使高频激振器在较小的激振力下完成表面微结构的逐点成形，即在最小化焦耳热效应的前提下最大化利用电致塑性效应，同时控制三轴工作台按照设定好的加工轨迹调节高频激振器的空间位置和姿态角，完成待加工工件表面微结构的快速压印成形，且也可以在压印过程中，根据待加工工件的实际加工要求实时调整高频激振器的空间位置和姿态角。

与现有技术相比，本发明通过高频振动实现逐点快速成形，解决了复杂工件表面大规模微结构的快速高精度加工问题；同时本发明将电流引入加工过程，减小所需成形力，降低了激振快速成形难度，并可显著提升成形质量；且本发明易于调节，生产效率高，是一种适合于表面微结构的快速压印成形装置。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的主视图；

图4为实施例2中设有随动电极的高频激振器的立体结构示意图。

图中：1-脉冲电源；2-导线；3-三轴工作台；4-控制线；5-信号发生器；6-供应电源；7-控制器；8-万向轴；9-高频激振器；10-变幅杆；11-待加工工件；12-微结构压印模具；13-随动电极；14-导电铜鼻；15-压紧弹簧；16-导电铜轮；17-顶部平台；18-底部平台；19-连接柱；20-滑道；21-工件放置板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参照图1-3所示，一种工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置，包括脉冲电源1、三轴工作台3、高频激振器9、信号发生器5、控制器7和微结构压印模具12，待加工工件11置于三轴工作台3上，高频激振器9通过其下部设置的变幅杆10连接微结构压印模具12，脉冲电源1分别连接待加工工件11和控制器7；控制器7通过信号发生器5连接三轴工作台3；高频激振器9带动下部变幅杆10进行的高频振动为主成形运动，通过控制器7对三轴工作台3和高频激振器9进行路线规划和姿态控制，实现复杂曲面工件表面微结构的快速成形加工；将高频脉冲电流引入待加工工件11，利用电流产生的电致塑性效应降低材料流动应力，使高频激振器9在激振力下完成表面微结构的逐点成形，信号发生器5由供应电源6单独供电，控制器7通过控制线4与信号发生器5和脉冲电源1连接进行控制，信号发生器5通过导线2与高频激振器9连接，脉冲电源1通过导线2与工件11连接。

三轴工作台3包括顶部平台17和底部平台18，顶部平台17和底部平台18通过设置在两侧的连接柱19进行连接，顶部平台17设有万向轴8，该万向轴8连接控制器7，且所述高频激振器9通过万向轴8悬挂于顶部平台17和底部平台18之间，底部平台18上设有两个平行的滑道20，两个滑道20之间连接有工件放置板21，待加工工件放置板21用于放置工件11，其中滑道20的长度宽于工件11放置板的宽度，三轴工作台3可用于调整高频振动器9的空间位置和姿态角。

微结构压印模具12的压印形状选自球形、方形、菱形或金字塔形中的一个或多个，压印形状的特征尺寸为1μm-10cm。

脉冲电源1输出的波形电流占空比为0.0001-1，频率为1hz-10khz；信号发生器5输出不同频率和幅值的激励信号至高频激振器9，频率范围为1hz-1mhz，幅值范围为10^-3-10a。

高频激振器9在外部信号的激励下实现高频往复振动，高频激振器9下端的变幅杆10将振幅放大后传递给下端安装的微结构压印模具12完成成形过程。

控制器7控制三轴工作台3按照设定好的加工轨迹调节高频激振器9的空间位置和姿态角，完成工件11表面微结构的快速压印成形；同时控制器7控制脉冲电源1输出电流与信号发生器5输出激励信号相匹配，使得在脉冲电流达到峰值的瞬间进行压印成形，从而最大化利用电致塑性效应。

实施例2

一种工件表面微结构的电辅助快速压印成形装置，与实施例1类似，其中，三轴工作台3设有随动电极，具体如图4所示，三轴工作台3包括顶部平台17和底部平台18，以及成对设置的随动电极13，顶部平台17和底部平台18通过设置在两侧的连接柱19进行连接，所述随动电极13由依次连接的导电铜鼻14、压紧弹簧15和导电滚轮16组成，两个导电铜鼻14的固定端固接在高频激振器9两侧壁上，自由端与脉冲电源1相连，在进行待加工工件11的压印成形操作时，导电滚轮16与待加工工件11接触。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。