[发明专利]基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微器件制造及微塑性成形技术领域，特指一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置，其适用于微金属器件的体积成形，特别适合于常规微成形方法难以成形或无法成形的材料成形，如钛合金、复合材料等，适合微器件的低成本批量化生产。 

发明背景 

微型化使得微机电系统在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，在航空航天、医疗卫生、电信电子、精密仪器和国防等各种应用领域具有广阔的发展前景。随着微机电系统从基础研究阶段逐步跨入研制开发和实用阶段，对微机电系统器件的加工工艺、加工质量、成本和批量等提出了新的要求，其最终目的是能够低成本大批量制造可实际应用的微型器件。 

现有的面向MEMS的微机械加工技术和工艺是在集成电路的基础上发展起来的，主要依赖于LIGA、光刻、蚀刻等微细加工技术，无法满足三维复杂形状微器件的加工，也限制了加工材料的多样性。另外，由于采用硅基材料制作的微器件成形工艺复杂，周期长，设备投资大，而且成形的可重复性差，不适合微型器件的批量生产，可见研究高效、低成本的适用于多种材料的微器件成形方法非常迫切。而塑性成形具有工艺简单、生产效率高、成本低，零件精度和强度高的特点，所以近来结合塑性加工方法的微塑性成形技术得到了很大发展。在微塑性成形领域中，微挤压成形非常适合复杂形状的微器件成形，也满足批量生产的要求。但是，微挤压件结构尺寸的微型化并非传统意义下宏观零件的简单几何缩小，传统宏观的成形理论、挤压模具设计理论、工艺参数等都不能简单按照相似定律缩小应用到微挤压成形中，微型化对微挤压成形工艺和模具结构设计等各方面也都有影响，微挤压的复杂性至今仍是国内外研究的热点。 

经检索国内外已有为数不多的关于微塑性成形和微挤压的专利技术报道，如中国专利 200510010099.4、03132554.8报导了利用电加热方式实行对微小工件的间接加热后进行微塑性成形，日本Tsuyoshi Masumoto申请专利：Forming process of amorphous alloy material(非晶合金材料的成形工艺)，批准号为US5324368，其原理是应用油浴或者加热炉对材料加热，并以静水压力作为成形力对非结晶材料进行微成形。中国专利02159403.1报导了利用激光固化实现对含有微细纤维强化材料的微型零部件加工，专利02815534.3提出了一种利用激光器对工件加热到超塑性温度使之成型的方法。U.Engel等人成功采用温微锻成形了难加工材料的微零件(Proceeding of 1st International Conference on Micro and Nano Technology.2003，69-72)。 

目前报导的关于微挤压研究和专利大多集中在冷挤压和超塑性微挤压，有关激光加热成形主要集中在宏观超塑性成形上，但存在下列问题： 

1.由于微冷挤的变形抗力大，而且受材料种类、晶粒尺寸和取向的影响较大，造成微冷挤的变形、充模不均匀，工艺参数不稳定。 

2.超塑性微挤压对所使用的工件材料有特殊要求，仅适用于具有超塑性材料的微挤压。 

3.微塑性成形系统中对工件的加热都是间接式(将热电偶埋入模具之内)或者接触式的加热(油浴、加热炉)，工序复杂而且温度不易控制。 

4.成形材料和工艺受到限制。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法及装置。 

一种基于激光加热的微器件温挤压成形方法，其特征在于：以长脉冲Nd:YAG红外激光器发射激光，激光束通过外光路系统对微小毛坯进行非接触式准静态加载，利用激光的热作用对微小毛坯的加热和热传导，通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率激光参数来调整温度边界条件和通过控制照射区域和照射时间的长短，获得所需要的温度梯度和温度分布；通过三维微动平台、分光镜、CCD摄像头、图像采集器和图像处理技术来实现坯料、凸凹模的对中和定位，同时压力施加机构和进给机构相结合，利用挤压头和凹模对毛坯进行微 挤压，控制系统实行对模温、定位、位移、步进电机和三维精密工作台的控制，最终达到需要的加工质量要求。