CN114101475B - 高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于非晶合金微模具生产技术领域，公开了一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备。超声压印成型方法包括以下步骤：制备非晶合金坯料和设置有母模的定位座；将非晶合金坯料与母模具有微结构的一面相对设置；通过超声冲头使非晶合金坯料与母模的微结构产生相互作用力完成压印成型。成型设备包括可安装母模的定位座，母模具有可与非晶合金坯料相对的微结构面；超声压印成设备还包括使非晶合金坯料与母模的微结构产生相互作用力完成压印成型的超声冲头。本发明所提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备，所制得的非晶合金微模具的材料性能好且制造成本低。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金微模具生产技术领域，尤其涉及一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备。
背景技术
航空航天、武器装备、信息通讯和先进制造领域对非球面透镜、微透镜等光学玻璃元件有重大需求、精密模压成型是制造这类元件的前沿技术。光学玻璃的模压成型温度通常在500℃以上，例如BK-7的玻璃转化点在650℃左右，这就要求模压模具在高温下需保持高的硬度和强度、表面光洁度、热稳定性、耐磨性以及化学稳定性，以应对高温使役过程中的复杂应力、冷热循环和腐蚀环境等多重不利影响。
现有技术中中典型的模具材料，如碳化钨、碳化硅等表面都需要镀一些贵金属合金膜、金属氮化物薄膜，以防止模具与玻璃发生粘连。然而这些模具材料都属于典型的硬而脆材料，加工比较困难，再加上镀膜工艺，使得模具制造成本极高。
非晶合金具有组织均一、高强度、高硬度、耐磨蚀、热膨胀系数小以及原子级的表面光洁度等优点，是制备高精密模压模具的理想材料。然而传统非晶合金的玻璃转变温度低，高温强度及热稳定性差，使役温度难以超过500℃，不能满足目前光学玻璃模压成型温度的要求。
另外，传统的微模具加工手段主要有单点金刚石车削、超精密磨削、超精密研磨等手段，但这些技术无法应用于Ir基高温高强非晶合金的加工成型，原因在于Ir非晶合金的超高强度和超高硬度会导致刀具的损坏，此外加工时非晶合金的本征脆性会导致非晶合金零件失效。目前，热塑成型是解决Ir基非晶合金模具微加工较好的方案，但是过高的成型温度(玻璃转变点高达820℃)对热塑成型设备的耐受性、真空度等有严格的要求，会导致加工成本较高，加工过程较为繁琐。同时由于非晶合金是一种亚稳态材料，热塑成型时非晶合金将面临晶化或弛豫而导致性能下降的风险，微模具的材料可靠性欠佳。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备，其所生产微模具的材料可靠性佳，且成本低。
本发明的技术方案是：一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，包括以下步骤：
S1：制备非晶合金坯料和设置有母模的定位座；
S2：将所述非晶合金坯料与所述母模具有微结构的一面相对设置；
S3：通过超声冲头使所述非晶合金坯料与所述母模的微结构产生相互作用力完成压印成型。
可选地，其中，步骤S1包括以下步骤：
S11：制备母模和具有导向孔的定位座，且使所述母模的外形与所述导向孔匹配；
S12：将所述母模置于所述导向孔内，并使所述母模的微结构面朝上。
可选地，其中，步骤S2包括以下步骤：
S21：将所述非晶合金坯料放置于所述导向孔内，并使所述非晶合金坯料的压印成型面座于朝向于所述母模的微结构上。
可选地，所述母模的材料为模具钢、硬质合金或高温合金；
和/或，所述非晶合金坯料的压印成型面经过抛光且表面粗糙度Ra<10nm。
可选地，其中，步骤S3中，所述超声冲头的振动频率为20000Hz。
可选地，所述母模的材质为GH4169高温镍合金，所述母模的微结构采用单点金刚石加工形成。
可选地，所述非晶合金坯料为Ir-Ta-Ni-Se合金系，且原子组成为Ira-Tab-Nic-Sed,其中Se为Ru、Os、Rh、Pd、Pt、Nb、Fe、Co中的至少一种；a、b、c、d表示原子组成百分比，其中a为12～47，b为18～48，c为15～38，d为0.3～40，且a+b+c+d＝100。
可选地，所述非晶合金的成分是Ir-Ni-Ta-Nb。
可选地，所述超声冲头与所述母模的外形均呈圆形，且所述超声冲头的直径与所述母模的直径相等。
本发明还提供了一种非晶合金微模具的超声压印成型设备，包括可安装母模的定位座，所述母模具有可与非晶合金坯料相对的微结构面；
所述超声压印成设备还包括使所述非晶合金坯料与所述母模的微结构产生相互作用力完成压印成型的超声冲头。
本发明所提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备，超声冲头在冲压的过程中，给予所述非晶合金坯料往复冲压力，非晶合金会受到往复的冲压力和微振动，在该过程中非晶合金表面软化，以复制母模表面的结构，从而完成压印成型，加工过程简单，加工成本低，无需采用热塑成型等方式，避免热塑成型时非晶合金将面临晶化或弛豫而导致性能下降的风险，因此非晶合金微模具的材料性能好且制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型设备的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型设备所制得的非晶合金微模具的立体示意图；
图3是本发明实施例提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法的一种流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
如图1至3所示，本发明实施例提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，包括以下步骤：
S1：制备非晶合金坯料3(高温高强非晶合金)和设置有母模2的定位座5；
S2：将所述非晶合金坯料3与所述母模2具有微结构的一面相对设置；
S3：通过超声冲头4使所述非晶合金坯料3与所述母模2的微结构产生相互作用力完成压印成型，得到非晶合金微模具31。
这样，通过超声冲头4作用于非晶合金坯料3，使非晶合金坯料3向母模2的微结构的方向挤压，在超声冲头4高频超声振动的载荷力作用下，使高温非晶合金表面发生软化，从而复制母模2上的结构，得到非晶合金微模具31。具体应用中，超声冲头4采用附带有往复微振动的超声振动冲压方式，振动频率可为18000至22000Hz(本实施例为20000Hz)；超声冲头4在冲压的过程中，给予所述非晶合金坯料3往复冲压力，冲压力的大小可在5-1000N之间调节；即非晶合金会受到往复的冲压力和微振动，在该过程中非晶合金表面软化，以复制母模2表面的结构，从而完成压印成型，加工过程简单，加工成本低，无需采用热塑成型等方式，避免热塑成型时非晶合金将面临晶化或弛豫而导致性能下降的风险，因此非晶合金微模具31的材料性能好且制造成本低。
具体地，其中，步骤S1可以包括以下步骤：
S11：制备母模2和具有导向孔51的定位座5，且使所述母模2的外形与所述导向孔51匹配；
S12：将所述母模2置于所述导向孔51内，并使所述母模2的微结构面朝上。
即母模2可以置于定位座5的导向孔51内，导向孔51可对母模2进行限位，导向孔51的深度可以大于母模2的厚度。
具体地，其中，步骤S2可以包括以下步骤：
S21：将所述非晶合金坯料3放置于所述导向孔51内，并使所述非晶合金坯料3的压印成型面座于朝向于所述母模2的微结构上，即非晶合金坯料3座于母模2的微结构上的上方，超声冲头4作用于非晶合金坯料3上，使非晶合金坯料3向下挤压母模2的微结构面，进而使非晶合金坯料3与母模2上端微结构面相接一面(即压印成型面)压印成型有对应的所需结构，母模2的微结构可以具有凹槽结构或凸起结构，母模2与非晶合金坯料3压印成型后，非晶合金坯料3的压印成型面在对应于母模2的凹槽结构处形成对应的凸起微结构，非晶合金坯料3的压印成型面在对应于母模2的凸起结构处形成对应的凹槽微结构，得到可用于玻璃模压的高温高强非晶合金微模具31。
具体应用中，定位座5的底部可设置有冲压底座1，超声冲头4可以纵向设置并位于导向孔51的上方，超声冲头4可以向下运动伸入导向孔51内。在可选的方式中，定位座5和超声冲头4也可以水平相对设置，即超声冲头4也可横向设置并沿水平方向运动而伸入导向孔51内。
另外，作为可能的替代实现方式，也可以先放置非晶合金坯料3，再放置母模2，母模2的微结构面朝向于非晶合金坯料3的压印成型面，超声冲头4可以作用于母模2，使非晶合金坯料3压印成型。
具体应用中，所述母模2的材料可为模具钢、硬质合金或高温合金。
具体应用中，所述非晶合金坯料3的压印成型面可以经过抛光且表面粗糙度Ra<10nm。本实施例中，非晶合金坯料3的压印成型面至少依次经过800目、1200目、2000目砂纸以及粒度为0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，形成压印成型面表面质量Ra<10nm的非晶合金坯料3(非晶合金基体)。具体应用中，非晶合金坯料3经过抛光的一面与母模2具有微结构的一面贴合。
本实施例中，所述超声冲头4的振动频率可为20000Hz，当然，超声冲头4的振动频率也可以根据实际情况进行调整为其它合适的范围。
具体地，所述母模2的材质可以为GH4169高温镍合金，所述母模2的微结构可以采用单点金刚石加工形成，当然，母模2的材质也可采用其它合金材料，也可以采用其它加工方式成型，例如电火花加工成型等。
具体地，所述非晶合金坯料3可以为Ir-Ta-Ni-Se合金系，且原子组成为Ira-Tab-Nic-Sed,其中Se可为Ru、Os、Rh、Pd、Pt、Nb、Fe和Co中的至少一种；a、b、c、d表示原子组成百分比，其中a为12～47，b为18～48，c为15～38，d为0.3～40，且a+b+c+d＝100。
本实施例中，所述非晶合金坯料3的成分可以是Ir-Ni-Ta-Nb(Ira-Tab-Nic-Sed)，即上述Se选用Nb，其玻璃形成能力大于5mm，玻璃转变温度不小于830℃，强度不小于5.4GPa，显微硬度不小于1000HV。Ira-Tab-Nic-Nbd,其中a、b、c、d表示原子组成百分比，其中a为12～47，b为18～48，c为15～38，d为0.3～40，且a+b+c+d＝100。
具体地，所述超声冲头4与所述母模2的外形均可以呈圆形，且所述超声冲头4的直径与所述母模2的直径相等，超声作用效果好。
本实施例中，所述母模2可以为直径为5mm的圆片，且厚度可以为1-3mm(本实施例中，母模2的厚度为2mm)；所述导向孔51的直径可以为5.1mm，深度可以为5mm；所述超声冲头4的直径可以为5mm。
具体应用中，非晶合金坯料3通过电弧熔炼和铜模吸铸制备。吸铸得到非晶合金材料为Φ5mm的棒材，随后使用慢走丝切割成厚度为2mm目标坯料。
上述非晶合金坯料3与母模2压印成型后，即成为可以用于玻璃模压的高温高强非晶合金微模具31，该微模具是以具有高玻璃转变温度特征的Ir基高温非晶合金为基体，针对常规方法难以加工的问题，使用超声压印成型的方法在其表面快速构建微结构。如图3所示，包括以下步骤：步骤S10，将表面具有微结构的母模2固定在具有导向孔51的定位座5(冲压底座1)上；步骤S20，将高温非晶合金板材与母模2置于同一导向孔51内，并置于母模2之上；步骤S30，对已装配完毕的高温非晶合金板材进行超声压印成型，以获得目标结构。本发明对高温非晶合金材料的压印成型是在超声辅助下的冷成型，解决了传统机加工方法对高温高强非晶合金难以加工的问题，同时避免了非晶合金热塑成型过程中发生晶化或弛豫造成性能损失的风险。
本发明实施例还提供了一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型设备，包括可安装母模2的定位座5，所述母模2具有可与非晶合金坯料3相对的微结构面；所述超声压印成设备还包括使所述非晶合金坯料3与所述母模2的微结构产生相互作用力完成压印成型的超声冲头4。超声压印成型设备可以实施上述超声压印成型方法。上述超声压印成型方法可以采用本实施例中的超声压印成型设备。
具体地，所述定位座5具有用于容置所述母模2的导向孔51，所述母模2的外形与所述导向孔51匹配。
具体地，导向孔51的深度可以大于母模2的厚度，在超声压印成型过程中，所述超声冲头4的前端伸入导向孔51对非晶合金坯料3进行压印成型。
具体地，所述超声冲头4连接有或设置有振动频率为20000Hz的超声振动发生器。
具体地，所述超声冲头4连接有或设置冲压力调节部件，使超声冲头4的冲压力的大小可在5-1000N之间自由调节。
具体地，所述导向孔51内放置有座于母模2上的非晶合金坯料3，所述非晶合金坯料3的直径与所述导向孔51的直径相等或略小于导向孔51的直径。
具体地，非晶合金坯料3与母模2置于同一导向孔51内，并置于母模2之上。在装配的过程中，非晶合金坯料3经过抛光的一面与母模2具有微结构的一面紧密贴合并对齐；在本发明中，非晶合金坯料3的压印成型面表面粗糙度Ra<10nm，非晶合金坯料3的压印成型面依次经过800目、1200目、2000目砂纸以及粒度为0.5μm的金刚石抛光膏进行抛光，从而使表面粗糙度Ra<10nm。
具体应用中，导向孔51中可以选择设置有衬套，非晶合金坯料3和母模2可以设置于衬套内，非晶合金坯料3和母模2可以与衬套的内径匹配。
在一些实施例中，非晶合金坯料3、母模2也可以通过定位夹具等装置进行定位。定位夹具可为可调节式夹具，其可以夹紧或松开非晶合金坯料3、母模2。
具体应用中，定位座5的导向孔51可为通孔，定位座5的下方可以设置有冲压底座1，定位座5可以固定连接于冲压底座1，母模2的底部可以座于冲压底座1。定位座5可以采用可更换式设计，以便于满足不同尺寸非晶合金微模具31的生产需求。
当然，作为其中一种可选的替代方案，也可以在定位座5上设置盲孔作为导向孔51并取消冲压底座1。
本发明实施例所提供的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法和成型设备，通过超声冲头4作用于非晶合金坯料3，使非晶合金坯料3向母模2的微结构的方向挤压，在超声冲头4高频超声振动的载荷力作用下，使高温高强非晶合金表面发生软化，从而复制母模2上的结构，具体应用中，超声冲头4采用这种附带有往复微振动的冲压方式，超声冲头4在冲压的过程中，给予所述非晶合金坯料3往复冲压力，冲压力的大小可在5-1000N之间自由调节；即非晶合金会受到往复的冲压力和微振动，在该过程中非晶合金表面软化，以复制母模2表面的结构，从而完成压印成型，加工过程简单，加工成本低，无需采用热塑成型等方式，避免热塑成型时非晶合金将面临晶化或弛豫而导致性能下降的风险，因此非晶合金微模具31的材料性能好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备非晶合金坯料和设置有母模的定位座，所述非晶合金坯料为Ir-Ta-Ni-Se 合金系,其中Se为Ru、Os、Rh、Pd、Pt、Nb、Fe、Co中的至少一种；所述母模的材料为模具钢、硬质合金或高温合金，和/或，所述非晶合金坯料的压印成型面经过抛光且表面粗糙度Ra<10nm；
S2：将所述非晶合金坯料与所述母模具有微结构的一面相对设置；
S3：超声冲头连接有或设置冲压力调节部件，使所述超声冲头的冲压力的大小在5-1000N之间自由调节，通过所述超声冲头给予所述非晶合金坯料往复冲压力，使所述非晶合金坯料与所述母模的微结构产生相互作用力完成压印成型 。
2.如权利要求1所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，其中，步骤S1包括以下步骤：
S11：制备母模和具有导向孔的定位座，且使所述母模的外形与所述导向孔匹配；
S12：将所述母模置于所述导向孔内，并使所述母模的微结构面朝上。
3.如权利要求2所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，其中，步骤S2包括以下步骤：
S21：将所述非晶合金坯料放置于所述导向孔内，并使所述非晶合金坯料的压印成型面座于朝向于所述母模的微结构上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，其中，步骤S3中，所述超声冲头的振动频率为20000 Hz。
5.如权利要求1至3中任一项所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，所述母模的材质为GH4169高温镍合金，所述母模的微结构采用单点金刚石加工形成。
6.如权利要求1至3中任一项所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，所述非晶合金坯料原子组成为Ira-Tab-Nic-Sed；a、b、c、d表示原子组成百分比，其中a为12～47，b为18～48，c为15～38，d为0.3～40，且a+b+c+d=100。
7.如权利要求1至3中任一项所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，所述非晶合金的成分是Ir-Ni-Ta-Nb。
8.如权利要求1至3中任一项所述的一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，所述超声冲头与所述母模的外形均呈圆形，且所述超声冲头的直径与所述母模的直径相等。
9.一种高温高强非晶合金微模具的超声压印成型设备，采用权利要求1至8任一项所述高温高强非晶合金微模具的超声压印成型方法，其特征在于，包括可安装母模的定位座，所述母模具有可与非晶合金坯料相对的微结构面；
所述超声压印成型设备还包括使所述非晶合金坯料与所述母模的微结构产生相互作用力完成压印成型的超声冲头。
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