一种微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构

本发明涉及电磁脉冲先进加工制造领域和微体积成形领域，尤其涉及一种微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构。

背景技术：

随着科学技术的迅速发展，现代制造业也得到了高速发展，各种制造技术及加工方法如雨后春笋，推陈出新，日新月异。经济建设及发展得到了长足进步，严酷的现代经济环境也对市场上的产品提出了更高的要求，力求产品精益求精。许多产品也在向小型化和微型化发展，特别是在科技含量高的航空航天、精密机床、精密仪器和医疗器械等领域，微器件的用武之地越来越广。

现如今微器件的微加工技术主要依赖于光刻、硅微加工和化学蚀刻等技术，但这些技术无法满足三维复杂形状微器件的加工，同时，也无法对日益发展的新材料进行微加工，大大限制了新材料的应用。

此外，微细电火花加工、微切削加工、激光微加工、超声波微加工方法等成形微构件的微细加工技术具有各自的加工适用范围和限制，例如微细电火花加工的前期准备工序复杂、加工材料有限制，加工效率低；微切削加工能加工的微零件精度和尺寸受限；激光微加工和超声波微加工方法在加工某些具有复杂型面的微零件时无法安置辅助设备，激光微加工中用于导光的光学元器件和超声波微加工中声极的安置问题，激光微加工中无法设计光路到达所需的特定加工区域。

另外，目前还存在通过微体积成形进行微器件加工，其可以将微模具上的微特征精密复刻到微器件上，从而可以获得结构复杂且精密的微器件，且能耗低，效率高，适合大批量生产。

在微体积成形领域，国内外很多学者进行了广泛的探索和研究，日本gunma大学的y.saotome(j.mater.process.tech.2000,119:307-311)设计了一种反挤压微成形机械系统，并用其制造出了模数为10微米的微型齿轮。中国专利200810023264.3提供了一种利用激光冲击进行微体积成形的方法基本装置，利用电磁脉冲产生的瞬时峰值力对工件进行焊接、铆接等新型工艺方法，拥有传统工艺无可比拟的优点。电磁脉冲工艺参数控制比较简单，且过程简单高效，适合大批量生产。

利用电磁脉冲作为微体积成形动力源是一种新型的微体积成形方法，是利用电磁脉冲瞬间爆炸的成形力。但传统的爆炸成形虽然也能获得高应变率，但安全性较差，工艺参数也难以控制。另外，在微体积成形过程中，电磁脉冲可以提供瞬时超高动态加载，并通过提高放电电压调节电磁力的大小，但有时受到材料绝缘性及线圈强度等条件的限制，无法大幅度地提高放电电压，而且有些金属材料屈服强度较大，通过提高放电能量提高成形力的方法，也对线圈及电路系统的绝缘性及线圈强度提出了很高的要求，目前很难达到。

技术实现要素：

针对电磁脉冲体积成形的成形力不足，本发明提供一种微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构，其目的在于，增大放电电压下的电磁脉冲成形力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构，其特征在于，所述增力结构包括一级放大器、二级放大器、基座、固定柱、一级可调板、倒v形连杆铰链结构、菱形连杆铰链结构；所述一级可调板和所述二级放大器分别与所述基座上左右两侧固定的所述固定柱水平相连，且所述二级放大器能够沿所述固定柱滑动，所述一级放大器的输出端安装在所述一级可调板中心；所述倒v形连杆铰链结构上端与所述一级放大器底端铰接，所述倒v形连杆铰链结构左右底端与左右对称分布的两个所述菱形连杆铰链结构内端分别铰接连接，两个所述菱形连杆铰链结构的上、下两端分别对称铰接安装在所述一级可调板、所述二级放大器上的滑块上，通过所述滑块能够沿所述一级可调板、所述二级放大器表面同步滑动，两个所述菱形连杆铰链结构的外端分别与左、右所述固定柱相连接；工件放置在所述二级放大器输出端正下方所述基座上。

进一步地，所述倒v形连杆铰链结构位于所述一级放大器正下方，由两根倒v形结构连杆和安装块组成；两根所述倒v形结构连杆上端分别与所述一级放大器底端的所述安装块铰接，下端与左右对称分布的两个所述菱形连杆铰链结构的内端分别铰接连接。

进一步地，所述增力结构还包括二级可调板；所述二级可调板水平安装在左右所述固定柱上，所述一级可调板和所述二级可调板能够分别沿所述固定柱升降移动；所述二级放大器的输出端安装在所述二级可调板中心，所述二级放大器位于所述一级放大器下方。

进一步地，所述菱形连杆铰链结构由菱形增力结构连杆、复合铰链和所述滑块组成；4根所述菱形增力结构连杆围成菱形结构，所述菱形结构的上端、下端、外端分别为2根所述菱形增力结构连杆在所述滑块上铰接连接，所述菱形结构的内端通过所述复合铰链实现2根所述菱形增力结构连杆与所述倒v形结构连杆铰接连接。

进一步地，所述一级可调板和所述二级可调板左右两端分别通过螺母水平安装在两根所述固定柱上。

进一步地，在所述一级可调板、所述二级可调板中心分别设有一级导向套、二级导向套，所述一级放大器和所述二级放大器的输出端分别穿过所述一级导向套、所述二级导向套进行导向。

进一步地，所述一级放大器和所述二级放大器同轴上下设置。

进一步地，所述工件为微型胚料或所述微型胚料和微模具。

进一步地，所述增力结构适用于对金属材料、非晶体材料、超塑性材料及复合材料的微挤压、微锻压、微压制体积成形。

本发明还公开了一种利用上述任一项所述的微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构的增力方法，其特征在于，所述增力方法包括如下步骤：

s1、根据菱形连杆铰链结构、工件的高度调节一级可调板、二级可调板的高度；

s2、将工件放置在二级放大器输出端正下方；

s3、将电磁力f作用于一级放大器上，一级放大器带动倒v形结构连杆上的安装块一起向下运动，将电磁力f通过复合铰链传递给菱形连杆铰链结构，同时，倒v形结构连杆与菱形连杆铰链结构的夹角θ随之变小；

s4、电磁力f推动菱形连杆铰链结构使其上、下两端的滑块沿其与一级可调板、二级放大器的接触面平行运动，菱形结构上下两端的角度β变小，菱形连杆铰链结构推动二级放大器向下运动，对工件施加成形力。

本发明的有益效果：

利用电磁脉冲进行微体积高速成形的方法简单实用，工艺简单，应用范围广，采用电磁脉冲作为微器件微体积成形的成形力源，具有超高压、超高应变率和加载时间极短的特点。本发明通过倒v形连杆铰链结构和对称分布的菱形连杆铰链结构，可将电磁力进行数倍放大，解决了常规微加工方法难以成形三维复杂器件以及流动应力大的材料成形困难的问题，可将微模具上的微细特征精确复制到微工件上。本发明设计合理，结构可靠，工艺简单，有利于进行批量生产。

本发明使可成形的材料和可加工的微器件尺寸具有较大的调节范围，加工适应性强，具有很大的加工柔性，从常规的金属材料、非晶体材料、超塑性材料及复合材料到难加工的材料和粉料都可以进行微成形。也为其他微塑性成形提供了指导。

附图说明

图1为本发明微器件的电磁脉冲微高速体积成形增力结构简图；

图2为本发明菱形连杆铰链结构角度β与增力倍数关系曲线图。

其中：1-一级放大器、2-一级导向套、3-菱形增力结构连杆、4-复合铰链、5-二级放大器、6-二级导向套、7-微型胚料、8-基座、9-二级可调板、10-固定柱、11-滑块、12-倒v形结构连杆、13-一级可调板、14-螺母。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例记载了一种微器件的电磁脉冲微体积高速成形增力结构，该增力结构为双级增力结构，不同于常规的电磁脉冲微体积成形加载模式，针对微体积成形中材料在模具中需要巨大成形力对微细节进行复制的难点，本实施例对初始的电磁力进行数倍的放大，能够有效地对金属材料、非晶体材料、超塑性材料及复合材料等多种材料进行微挤压、微锻压、微压制等多种微体积成形。

如图1所示，一级放大器1与倒v形连杆铰链结构形成一级放大连杆铰链结构，对电磁力进行一级放大，二级放大器5和菱形连杆铰链结构形成二级增力连杆铰链结构，对电磁力进行再次放大。

一级放大器1输出端安装在一级可调板13中心，二级放大器5位于一级放大器1的正下方，输出端安装在二级可调板9中心，且两个放大器的输出端同轴设置，二级放大器5的左右两端与基座8上左右对称的固定柱10连接，并可沿固定柱10上下滑动。一级可调板13和二级可调板9左右两端分别通过螺母14水平安装在固定柱10上，并可通过螺母14分别调节一级可调板13和二级可调板9高度，以使其适应成形行程、不同高度的微型胚料7。微型胚料7放置在二级放大器5输出端正下方的基座8上。

倒v形连杆铰链结构和菱形连杆铰链结构设置在一级放大器1与二级放大器5之间，可对电磁力进行数倍放大。

倒v形连杆铰链结构位于一级放大器1正下方，由两根倒v形结构连杆12、安装块组成。两根倒v形结构连杆12呈倒v形连接，其上端分别与设置在一级放大器1底端的安装块铰接，并可在安装块带动下升降，其下端分别通过复合铰链4与左右对称分布的菱形连杆铰链结构的内端铰接连接。倒v形结构连杆12在受力时，通过铰接可改变两根倒v形结构连杆12之间的夹角及与菱形连杆铰链结构的夹角θ。

菱形连杆铰链结构由菱形增力结构连杆3、复合铰链4和滑块11组成。4根菱形增力结构连杆3围成菱形结构，其中，菱形结构的上端、下端、外端分别为2根菱形增力结构连杆3在滑块11上铰接连接，菱形结构的内端通过复合铰链4实现2根菱形增力结构连杆3与倒v形结构连杆12铰接连接，本实施例中所述的菱形结构的内端指的是靠近增力结构中心的一端，也即2个菱形连杆铰链结构的相邻端，菱形结构的外端指的是与内端对称的另一端，即与固定柱10相接的一端。

上、下滑块11分别安装在一级可调板13、二级放大器5上，在成形过程中菱形增力结构连杆3可沿一级可调板13、二级放大器5表面同步滑动。左、右菱形连杆铰链结构的外端的滑块11分别安装在左、右固定柱10上，并可根据成形需求沿固定柱10上下滑动。

另外，本实施例中，在一级可调板13、二级可调板9中心上分别设有一级导向套2、二级导向套6，一级放大器1和二级放大器5的输出端分别通过一级导向套2、二级导向套6安装在一级可调板13、二级可调板9上，依靠一级导向套2、二级导向套6进行导向，以保证电磁力f的施力方向不变。

通电后，将电磁脉冲产生的强大瞬时电磁力f作用于一级放大器1上，一级放大器1通过倒v形结构连杆12将电磁力f传递到复合铰链4处，接着，通过左右对称分布的菱形连杆铰链结构将电磁力f进一步放大，并传递到二级放大器5上端，二级放大器5将电磁力f的值进一步放大后，向下运动作用于微型胚料7(即工件或模具)上，对微型胚料7施加压力，冲击峰值压力超过微型胚料7材料的动态屈服强度，促使微型胚料7发生塑性成形，完成对微型胚料7的微体积高速成形，获得与模具形状相匹配的微器件。

若在二级放大器5下放置微模具，也可以实现微型胚料7多种复杂形状的微体积成形。以电磁脉冲的电磁力作为微器件微体积成形的成形力源，利用外部电源通过整流电路对电磁脉冲发生器的电容进行充电，电容存储电能，再通过放电开关控制电容对线圈进行放电，线圈在其正下方的紫铜板产生涡流，并产生洛伦兹力(即电磁力)，该洛伦兹力作为成形力将电能转换成机械能。

电磁力通过一级放大器1、倒v形连杆铰链结构、菱形连杆铰链结构、二级放大器5进行数倍放大，冲击压力峰值超过微型胚料7材料的动态屈服强度，促使模具的微特征复刻到微器件上，完成对微型胚料7的微体积成形，获得与模具形状相匹配的微器件。

本实施例仅以圆柱形胚料的微自由镦为例进行阐述说明，初始时，菱形连杆铰链结构的菱形增力结构连杆3(长100mm)，与垂线的初始角度β为15°，倒v形连杆铰链结构的倒v形结构连杆12(长200mm)，与水平线的初始夹角θ为25°。在成形过程中，电磁力f首先作用于一级放大器1上，接着电磁力f通过一级放大器1下方的安装块传递至倒v形结构连杆12上，倒v形结构连杆12再通过复合铰链4将电磁力f传递给菱形增力结构连杆3。随着一级放大器1向下运动，倒v形结构连杆12上的安装块也被迫一起向下运动，倒v形结构连杆12角度θ随之变小，菱形增力结构连杆3由于其复合铰链端受主动力，且菱形连杆铰链结构上、下两端的滑块11可沿其与一级可调板13、二级放大器5的接触面平行运动，此时菱形连杆铰链结构外端的滑块11固定不动，将会迫使其角度β变小，从而推动二级放大器5向下运动，对微型胚料7或微模具等施加成形力。

一级可调板13、二级可调板9的高度在初始时根据所需的菱形连杆铰链结构、微型胚料7、微模具等高度利用旋转螺母14调节。

根据微型胚料7成形载荷的大小和微成形工序要求不同，可采用单次或多次冲击加载，简便地实现多步微塑性成形。

通过上述成形过程实现的不同角度下的增力倍数如图2所示，可见，其增力倍数随着模具行程的增大而增大，该增力结构可以对电磁力f进行最小3.7倍的放大，且随着成形过程的进行，二级放大器5在菱形连杆铰链结构的作用下向下运动，θ与β角越小，成形力增力效果越明显，这十分有利于微体积成形末段的微特征复刻。

另外，本实施例的增力结构可以进行修改或者变形，以此适用于其他的塑性成形方法。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。