音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法.pdf

本发明涉及音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法，是以自动级进冲压成形模具和激光辐照加热系统相结合的复合装置。自动送料装置控制带状料的送料和定位，音膜承压件成形加工分解为冲孔、激光辐照加热成型和落料三个连续自动级进工步：第一工位，压边机构、冲孔凸模和定模板组合冲孔，完成音膜承压件冲孔加工；第二工位，即成型凸模、定模板和约束层玻璃组合激光辐照加热成形工位，激光器工作，激光透过约束层玻璃辐照带状料，激光辐照加热软化带状料，成型凸模挤压完成音膜承压件成形加工；第三工位是落料，通过落料凸模完成音膜承压件落料加工。本发明设备简单实用，成本低，音膜承压件的成形效率高、成形精度好。

权利要求书
1.  音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，其特征在于：包括激光系统、冲压模具、自动送料装置及控制系统，激光系统包括激光器、与激光器连接的光路整形机构，冲压模具包括模架、固定于模架内的定模扳、活动连接于模架内且位于定模扳上方的动模板、固定于模架内的压力机构、与压力机构控制连接的成型凸模、固定于动模板的冲孔凸模及落料凸模，在动模板上还设有固定于冲孔凸模周向的压边机构，在定模扳的中部设有成型工位孔，成型凸模滑动连接于成型工位孔内，在动模板的中部设有通孔，成型工位孔与动模板的通孔同轴，在通孔内固定有约束层玻璃，冲孔凸模与落料凸模分别位于通孔的两侧，在定模板上位于成型工位孔的两侧分别设有落料工位孔和冲孔工位孔，落料工位孔在落料凸模的正下方，冲孔工位孔在冲孔凸模的正下方，光路整形机构位于约束层玻璃的正上方，控制系统与激光器控制连接，控制系统与动模板、压力机构、自动送料装置控制连接。

2.  根据权利要求1所述的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，其特征在于：激光器输出激光波长为0.8～10.64μm、激光功率为0～50W。

3.  根据权利要求2所述的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，其特征在于：压力机构为液压装置。

4.  根据权利要求2所述的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，其特征在于：压力机构为气动装置。

5.  根据权利要求2所述的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，其特征在于：压力机构为机械压力装置。

6.  采用如权利要求1至5任一项所述的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置对音膜承压件进行加工的加工方法，其特征在于：该加工方法包括如下步骤：
    a. 根据音膜承压件的材料和设计尺寸，准备带状料，确定激光辐照参数和冲压成型
工艺，设定工作指令和控制程序，启动控制系统；
    b.打开冲压模具，自动送料装置控制带状料的送料和定位，首先将带状料送至冲孔
工位孔所在的工位；
    c.将冲压模具闭合，在冲孔工位孔所在的工位上对带状料进行冲孔加工及同时对带
状料进行压边加工；
    d. 打开冲压模具，自动送料装置控制带状料的送料，并将冲孔后的带状料定位在成
型工位孔所在的工位；将冲压模具闭合，在成型工位孔所在的工位进行激光辐照加热成
形，在该工位上，激光器开始工作并输出激光，激光透过约束层玻璃辐照带状料，激光
辐照时间、光斑能量分布及光斑形状符合加工要求，在激光辐照加热软化带状料后，控
制系统控制压力机构动作，压力机构控制成型凸模挤压软化的带状料，通过成型凸模、
定模板和约束层玻璃组合的成形工位完成音膜承压件的成形加工；
    e. 激光辐照加热成形后，冲压模具打开，自动送料装置控制带状料的送料，并将冲
孔成形后的带状料定位在落料工位孔所在的工位；冲压模具闭合，在落料工位孔所在的
工位上进行音膜承压件的落料加工。

7.  根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：带状料依次在冲孔工位孔所在的工位、通孔所在的工位、落料工位孔所在的工位三个工位所进行加工为连续级进自动加工，该连续级进自动加工是快慢相间的变频自动加工过程。

8.  根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：带状料在冲孔工位孔所在的工位进行的冲孔加工和在落料工位孔所在的工位进行的落料加工是等速的高速冲压加工，时间为0.2～0.5s；带状料在通孔所在的工位进行的加工是慢速的激光辐照加热软化成形加工，时间为8～10s，激光辐照加热软化成形加工的时间包括带状料的激光辐照软化、挤压成形和保压冷却时间。

9.  根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：带状料在通孔所在的工位进行激光辐照加热成形加工时，带状料吸收激光能量，带状料材料温度控制在玻璃态转变温度至熔化温度之间，带状料材料形态为高弹性固态。

10.  根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：带状料材料在激光辐照加热成形加工后冷却为玻璃态固态。

说明书音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法
技术领域
本发明涉及小型薄壁环形件的热塑性塑料成形加工领域，具体为音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法。
背景技术
音膜承压件是小型音箱的关键零件，用于固定和支撑音箱底座上的音膜，一般是具有凸台或U型结构等特征的小型薄壁环形件，是电子信息、精密机械等微机电系统的主要零部件，广泛应用在手机、小型声乐器材、声控监测设备等多个领域，随着市场上对小型薄壁环形件需求量增加，特别是手机日趋薄型化，对音膜承压件超薄壁厚要求越来越高，目前，音膜承压件壁厚通常要求小于0.5毫米，因而，音膜承压件的薄壁加工工艺日趋复杂，加工成本增大。
由于热塑性塑料的冲压加工工艺一般仅限于冲孔、落料和切边等冷冲压加工，只有材料在加热状态，温度高于玻璃态转变温度软化后，才能够进行弯曲、拉伸和胀形等热塑性成形加工。目前，音膜承压件主要是传统的注塑成型，但是对于薄壁塑料零部件，特别是壁厚小于0.5mm的超薄塑料零部件，由于受注塑充填过程中塑料熔体流长比限制，薄壁塑料都存在充填成形困难的问题，因而，注塑工艺复杂、生产成本高；另外薄壁环形件注塑成型过程中，熔接缝问题不易解决，熔接缝降低成型件强度，影响产品质量。所以，为了更好的满足薄壁环形件高效高质量生产，对于音膜承压件成形加工有必要开拓新工艺新方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法，利用自动级进冲压和激光辐照加热技术，设备简单实用，成本低，加工效率高，音膜承压件的成形效率高、成形精度好。
为实现上述目的，本发明的具体方案为：
音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，包括激光系统、冲压模具、自动送料装置及控制系统，激光系统包括激光器、与激光器连接的光路整形机构，冲压模具包括模架、固定于模架内的定模扳、活动连接于模架内且位于定模扳上方的动模板、固定于模架内的压力机构、与压力机构控制连接的成型凸模、固定于动模板的冲孔凸模及落料凸模，在动模板上还设有固定于冲孔凸模周向的压边机构，在定模扳的中部设有成型工位孔，成型凸模滑动连接于成型工位孔内，在动模板的中部设有通孔，成型工位孔与动模板的通孔同轴，在通孔内固定有约束层玻璃，冲孔凸模与落料凸模分别位于通孔的两侧，在定模板上位于成型工位孔的两侧分别设有落料工位孔和冲孔工位孔，落料工位孔在落料凸模的正下方，冲孔工位孔在冲孔凸模的正下方，光路整形机构位于约束层玻璃的正上方，控制系统与激光器控制连接，控制系统与动模板、压力机构、自动送料装置控制连接。
    激光器输出激光波长为0.8～10.64μm、激光功率为0～50W。
    压力机构为液压装置。
    压力机构为气动装置。
    压力机构为机械压力装置。
    采用音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置对音膜承压件进行加工的加工方法，该加工方法包括如下步骤：
    a.根据音膜承压件的材料和设计尺寸，准备带状料，确定激光辐照参数和冲压成型
工艺，设定工作指令和控制程序，启动控制系统；
    b.打开冲压模具，自动送料装置控制带状料的送料和定位，首先将带状料送至冲孔
工位孔所在的工位；
    c.将冲压模具闭合，在冲孔工位孔所在的工位上对带状料进行冲孔加工及同时对带
状料进行压边加工；
    d.打开冲压模具，自动送料装置控制带状料的送料，并将冲孔后的带状料定位在成
型工位孔所在的工位；将冲压模具闭合，在成型工位孔所在的工位进行激光辐照加热成
形，在该工位上，激光器开始工作并输出激光，激光透过约束层玻璃辐照带状料，激光
辐照时间、光斑能量分布及光斑形状符合加工要求，在激光辐照加热软化带状料后，控
制系统控制压力机构动作，压力机构控制成型凸模挤压软化的带状料，通过成型凸模、
定模板和约束层玻璃组合的成形工位完成音膜承压件的成形加工；
    e.激光辐照加热成形后，冲压模具打开，自动送料装置控制带状料的送料，并将冲
孔成型后的带状料定位在落料工位孔所在的工位；冲压模具闭合，在落料工位孔所在的
工位上进行音膜承压件的落料加工。
    带状料依次在冲孔工位孔所在的工位、通孔所在的工位、落料工位孔所在的工位三个工位所进行加工为连续级进自动加工，该连续级进自动加工是快慢相间的变频自动加工过程。连续级进自动加工即带状料的首段冲孔加工完成后，带状料由自动送料装置驱动移动，当首个冲孔移动至成型工位孔处进行激光辐照加热成形时，带状料的后段同时进行新的冲孔加工，当首个冲孔完成激光辐照加热成形、带状料的后段完成冲孔加工后，带状料继续移动，当首个冲孔移动至落料工位孔处进行落料加工时，带状料的后段已冲完孔的位置同时进行激光辐照加热成形加工，而冲孔凸模同时对带状料进行新的冲孔加工。
    带状料在冲孔工位孔所在的工位进行的冲孔加工和在落料工位孔所在的工位进行的落料加工是等速的高速冲压加工，时间为0.2～0.5s；带状料在通孔所在的工位进行的加工是慢速的激光辐照加热软化成形加工，时间为8～10s，激光辐照加热软化成形加工的时间包括带状料的激光辐照软化、挤压成形和保压冷却时间。
带状料在通孔所在的工位进行激光辐照加热成形加工时，带状料吸收激光能量，带状料材料温度控制在玻璃态转变温度至熔化温度之间，带状料材料形态为高弹性固态。
    带状料材料在激光辐照加热成形加工后冷却为玻璃态固态。
    本发明所提供的音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置及其方法是以自动级进冲压成形模具和激光辐照加热系统相结合的复合装置。自动送料装置控制带状料的送料和定位，音膜承压件成形加工过程分解为冲孔、激光辐照加热成型和落料三个连续自动级进工步：在第一工位，即压边机构、冲孔凸模和定模板组合的冲孔工位进行冲孔，完成音膜承压件的冲孔加工；在第二工位，即成型凸模、定模板和约束层玻璃组合的激光辐照加热成形工位，激光器开始工作并输出激光，激光辐照时间、光斑能量分布及光斑形状符合加工要求，激光透过约束层玻璃辐照带状料，激光辐照加热软化带状料后，成型凸模挤压，完成音膜承压件的成形加工；第三工位是落料，通过落料凸模冲孔落料，完成音膜承压件的成形件落料加工。
控制系统连接激光系统和冲压模具，控制激光器输出激光，以及冲压模具成型加工过程。
光路整形机构调节激光束的焦距、光斑能量分布及光斑形状，光斑形状可以是矩形环、圆环或其它环形并覆盖成型加工区域。压边机构可以是弹性元件、卸料螺钉和卸料板等组成。
    音膜承压件是矩形、圆形或其它复杂形状结构的薄壁环形件，音膜承压件外形尺寸为数毫米至数十毫米，壁厚小于0.5毫米，属于热塑性塑料并能够有效吸收激光能量。
    第二工位激光辐照加热成形，塑料吸收激光能量，材料温度控制在玻璃态转变温度至熔化温度之间，材料形态为高弹性固态，可以热塑性成形加工，但温度不超过熔化温度，即带状料在第二工位只是软化但不能熔化为熔体，带状料材料成形加工后，带状料材料冷却为玻璃态固态。
    本发明优点：
    1.由于激光能量高度集中，激光直接辐照塑料，薄壁塑料加热效果显著，在较短时间内就可以实现带状料由固态转化为热塑性可变形状态，实现音膜承压件成形加工。
    2.由于采用光路整形机构，输出的激光束形状与音膜承压件外形一致，激光仅仅是加热音膜承压件成形区域，即加热和成型过程集中在音膜承压件的凸台或U型结构区域，因而，音膜承压件成形效率高、成形精度好。
    3.利用自动级进冲压和激光辐照加热技术，设备简单实用，成本低，加工效率高，在计算机控制下，容易实现高效自动化生产。
    4.本发明也可以用于微机电系统的微小型薄壁塑料零部件加工。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为实施例1的音膜承压件的结构示意图。
图3为图2中A-A剖视结构示意图。
图4为实施例2的音膜承压件的结构示意图。
图5为图4中的B-B剖视结构示意图。
图中：动模板1、通孔1-1、落料凸模2、模架3、约束层玻璃4、带状料5、成型件6、定模扳7、成型工位孔7-1、落料工位孔7-2、冲孔工位孔7-3、冲孔废料8、成型凸模9、压力机构10、光路整形机构11、冲孔凸模12、压边机构13、激光器14、自动送料装置15、控制系统16、圆形环状音膜承压件17、矩形环状音膜承压件18。
具体实施方式
    以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
 实施例1：参见附图1～附图3，音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，包括激光系统、冲压模具、自动送料装置15及控制系统16，激光系统包括激光器14、与激光器14连接的光路整形机构11，冲压模具包括模架3、固定于模架3内的定模扳7、活动连接于模架3内且位于定模扳7上方的动模板1、固定于模架3内的压力机构10、与压力机构10控制连接的成型凸模9、固定于动模板1的冲孔凸模12及落料凸模2，在动模板1上还设有固定于冲孔凸模12周向的压边机构13，在定模扳7的中部设有成型工位孔7-1，成型凸模9滑动连接于成型工位孔7-1内，在动模板1的中部设有通孔1-1，成型工位孔7-1与动模板1的通孔1-1同轴，在通孔1-1内固定有约束层玻璃4，冲孔凸模12与落料凸模2分别位于通孔1-1的两侧，在定模板7上位于成型工位孔7-1的两侧分别设有落料工位孔7-2和冲孔工位孔7-3，落料工位孔7-2在落料凸模2的正下方，冲孔工位孔7-3在冲孔凸模12的正下方，光路整形机构11位于约束层玻璃4的正上方，控制系统16与激光器14控制连接，控制系统16与动模板1、压力机构10、自动送料装置15控制连接。
压力机构10为液压装置。
本实施例以加工圆形环状音膜承压件17为例，圆形环状音膜承压件17采用PA材料，设计尺寸：外形直径16mm，内孔直径12mm, 壁厚0.5mm；激光器14采用Nd-YAG 固体激光器。成形加工步骤为：a. 首先准备PA带状料5，确定激光辐照参数和冲压成型工艺，激光器14输出的激光经过光路整形机构11整形，激光束形状为圆形环，与圆形环状音膜承压件17一致，设定工作指令和控制程序，按照设定的工作指令和程序，启动成形装置的控制系统16；b.然后打开冲压模具，自动送料装置15控制带状料5的送料和定位，首先将带状料5送至冲孔工位孔7-3所在的工位；c.将冲压模具闭合，在冲孔工位孔7-3所在的工位上对带状料5进行冲孔加工及同时对带状料5进行压边加工，冲孔废料8从冲孔工位孔7-3中落下；d. 打开冲压模具，自动送料装置15控制带状料5的送料，并将冲孔后的带状料5定位在成型工位孔7-1所在的工位；将冲压模具闭合，在成型工位孔7-1所在的工位进行激光辐照加热成形，在该工位上，激光器14开始工作并输出激光，激光透过约束层玻璃4辐照带状料5，在激光辐照加热软化带状料5后，控制系统16控制压力机构10动作，压力机构10控制成型凸模9挤压软化的带状料5，通过成型凸模9、定模板7和约束层玻璃4组合的成形工位完成圆形环状音膜承压件17的成形加工；e. 激光辐照加热成形后，冲压模具打开，自动送料装置15控制带状料5的送料，并将冲孔成型后的带状料5定位在落料工位孔7-2所在的工位；冲压模具闭合，在落料工位孔7-2所在的工位上进行圆形环状音膜承压件17的落料加工，图中成型件6即为圆形环状音膜承压件17。
主要工艺参数：激光器14输出激光波长为900 nm，激光功率5 W、辐照时间5s、冷却保压时间5s；冲孔与落料时间分别为0.3s。
实施例2：参见附图1、附图4、附图5，音膜承压件冲压和激光辐照复合成形加工装置，压力机构10为气动装置，其余结构与实施例1相同。
本实施例以加工矩形环状音膜承压件18为例，矩形环状音膜承压件18采用PC材料，设计尺寸：15×10×0.5mm，壁厚0.5mm；激光器14采用光纤激光器。成形加工步骤为：a.首先准备PC带状料5，确定激光辐照参数和冲压成型工艺，激光器14输出的激光经过光路整形机构11整形，激光束形状为矩形环，与矩形环状音膜承压件18一致，设定工作指令和控制程序，按照设定的工作指令和程序，启动成形装置的控制系统16；其余成形加工步骤与实施例1相同。
主要工艺参数：激光器14输出激光波长为980 nm，激光功率3W、辐照时间5s、冷却保压时间5s；冲孔与落料时间分别为0.3s。