專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于非磁性工件的電磁加熱微成形方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑性成形領(lǐng)域，特指一種非磁性且不可通過(guò)熱傳遞加熱的微拉伸成形過(guò)程中 的電磁加熱方法及其控制裝置，主要應(yīng)用于超薄板的微塑性成形領(lǐng)域，也適用于宏觀塑性成 形領(lǐng)域。使用本方法及控制裝置，不僅可以安全、快速的對(duì)微小工件進(jìn)行加熱，而且可以根 據(jù)成形性能的需要，及時(shí)改變加熱溫度，提高塑性成形性能。
技術(shù)背景隨著MEMS的飛速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)微器件的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)微器件的加工工藝和加 工質(zhì)量等方面提出了新的要求。隨著微器件尺寸的縮小，晶粒尺寸的大小、體表面積比等因 素對(duì)微器件成形的影響越來(lái)越大，因此尺寸效應(yīng)成為微成形研究的主要對(duì)象。在微成形過(guò)程 中，不僅要考慮尺寸效應(yīng)，而且其他宏觀的工藝參數(shù)和工藝也需要調(diào)整。在各影響因素中， 溫度對(duì)成形性能的影響比較大。 一般來(lái)講，工件加熱后其塑性性能要比常溫條件下的塑性性 能優(yōu)越；由于加熱會(huì)增加工件的內(nèi)應(yīng)力，所以當(dāng)加熱溫度過(guò)高時(shí)，工件在成形后恢復(fù)到常溫 時(shí)，會(huì)因內(nèi)應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致成形工件的扭曲變形，嚴(yán)重影響工件的成形質(zhì)量。在微拉深成形過(guò) 程中，需要對(duì)工件進(jìn)行加熱以改善材料的流動(dòng)，避免破裂，提高工件的成形性能。因此，如 何對(duì)微塑性成形中的微小工件進(jìn)行加熱成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。在微電子工業(yè)和微機(jī)電領(lǐng)域中，為了提高材料的塑性成形性能，溫?zé)岢尚畏椒ǖ膽?yīng)用變 的越來(lái)越廣泛。 一般而言，對(duì)物體加熱的方式有兩種 一種是對(duì)物體的直接加熱；另一種是 通過(guò)熱傳遞的方式對(duì)物體進(jìn)行間接加熱。對(duì)微拉深溫?zé)岢尚味?，其加熱的方式比較多，其 中常用的有激光加熱、紅外線加熱、電阻加熱等，這些加熱方式中有些既可以直接對(duì)物體進(jìn) 行加熱也可以間接對(duì)物體加熱。在微成形中，常通過(guò)激光加熱的方法對(duì)微小工件直接進(jìn)行加 熱。但激光加熱系統(tǒng)不但價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，而且操作比較繁瑣，容易因操作不當(dāng)而損 壞儀器。紅外線加熱裝置不但價(jià)格昂貴、而且還存在加熱速度相對(duì)緩慢，被加熱物體的材質(zhì) 受到一定的限制等缺點(diǎn)。電阻加熱雖然比較便宜，但由于需要通過(guò)電阻絲加熱或電阻棒加熱， 電阻絲容易氧化斷裂，而電阻棒需要有足夠大的空間才能插入，也不適合微器件的加熱。因 此，如何經(jīng)濟(jì)、有效地對(duì)微塑性成形中的工件進(jìn)行加熱成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外利用電磁加熱的方法很多，涉及的領(lǐng)域也很廣，但主要應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域，很難看 到將其應(yīng)用到微塑性成形領(lǐng)域的報(bào)道。如日本的Hisashi Okatsuka等人申請(qǐng)的專(zhuān)利 Electromagnetic induction heating apparatus capable of heating nonmagnetic cooking vessels (電磁感應(yīng)加熱非磁性烹飪器皿)，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4549056，報(bào)道了通過(guò)高頻交流電磁場(chǎng)的方法，在非 磁性材料的內(nèi)部產(chǎn)生表面效應(yīng)，從而達(dá)到加熱非磁性器皿的目的。該裝置的缺點(diǎn)是裝置比較 復(fù)雜使用費(fèi)用相對(duì)昂貴，并且缺少必要的電磁屏蔽裝置，高頻感應(yīng)電磁產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)人 體和其它電子儀器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。曰本的Toshio Ogasawara等人申請(qǐng)的專(zhuān)禾!j: High frequency cooking device having electromagnetic induction heater (電磁感應(yīng)高頻烹飪裝置)，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5177333。報(bào)道了將 非磁性金屬夾在磁性金屬間，通過(guò)電磁感應(yīng)原理先對(duì)磁性金屬進(jìn)行電磁加熱，然后通過(guò)熱傳 遞的方法來(lái)加熱非磁性金屬。該方法的缺點(diǎn)是，對(duì)微成形中不能將試樣直接與其它物體相接 觸的成形過(guò)程(如微拉伸實(shí)驗(yàn)中的拉伸試樣是不可以通過(guò)將式樣夾于加熱物體之間的方式來(lái) 傳遞熱量的)。中國(guó)專(zhuān)利號(hào)CN 1362321A。介紹了一種硫化機(jī)電磁加熱方法及裝置。該裝置通過(guò)電磁感 應(yīng)原理，直接對(duì)模具進(jìn)行加熱，然后通過(guò)熱傳遞的方法對(duì)模具內(nèi)的橡膠進(jìn)行硫化。該裝置的 缺點(diǎn)是不能對(duì)非磁性工件進(jìn)行加熱，對(duì)不能直接進(jìn)行熱傳遞的工件無(wú)法進(jìn)行加熱(如拉伸實(shí) 驗(yàn)中的非磁性工件)應(yīng)用范圍受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)電磁感應(yīng)原理對(duì)不可通過(guò)物體間直接接觸進(jìn)行熱傳遞的非 磁性工件實(shí)現(xiàn)電磁加熱微成形方法及其裝置。是先對(duì)磁性金屬進(jìn)行加熱，再通過(guò)加熱磁性金 屬散發(fā)出的熱量使腔體內(nèi)的溫度升高來(lái)加熱工件。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種電磁加熱微成形方法，適用于不可通過(guò)物體間直接接觸進(jìn)行熱傳遞的非磁性工件的 微塑性成形，其特征在于將上、下通孔的磁性金屬置于由交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中時(shí)， 磁場(chǎng)中的磁力線通過(guò)磁性金屬產(chǎn)生回路，并在磁性金屬內(nèi)形成許多渦旋感應(yīng)電流，該渦流通 過(guò)克服磁性金屬的電阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，使磁性金屬的溫度迅速升高，磁性金 屬熱量傳遞給通孔內(nèi)的空氣，再由空氣將熱量傳遞給置于通孔內(nèi)的非磁性工件，由設(shè)置在磁 性金屬上的溫度檢測(cè)元件檢測(cè)加熱溫度，并將信號(hào)輸入電磁加熱溫度控制裝置，對(duì)電磁加熱 溫度進(jìn)行控制。一種實(shí)現(xiàn)上述電磁加熱微成形方法的電磁加熱裝置，即適用于非磁性工件且不可通過(guò)物 體間直接熱傳遞方式進(jìn)行電磁加熱的微塑性成形裝置，該裝置主要由上下通孔的磁性金屬、 電磁感應(yīng)線圈、溫度檢測(cè)元件、屏蔽磁塊、絕緣隔熱板和電磁加熱溫度控制裝置組成，電磁 感應(yīng)線圈繞在磁性金屬上，電磁感應(yīng)線圈外依次設(shè)有屏蔽磁塊和絕緣隔熱板，該裝置外圍由絕緣隔熱板封閉，中間為磁性金屬?lài)傻目涨唬瑴囟葯z測(cè)元件設(shè)置的磁性金屬上，與電磁加 熱溫度控制裝置相連，在電磁加熱溫度控制裝置中，整流器將流入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電， 扼流線圈將直流電濾波后輸入電容和電磁感應(yīng)線圈，并聯(lián)的電容和電磁感應(yīng)線圈在相互作用 下形成交變電流，交變電流通過(guò)電磁感應(yīng)線圈后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)在磁性金屬中產(chǎn) 生回路，在磁性金屬內(nèi)形成渦旋狀的感應(yīng)電流，該渦流克服磁性金屬的電阻流動(dòng)時(shí)完成電能 向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是加熱工件的熱源，電腦根據(jù)電壓電流檢測(cè)保護(hù)電路和溫 度檢測(cè)控制電路輸入的信號(hào)，對(duì)變頻電路發(fā)出相關(guān)指令。在本發(fā)明的電磁加熱裝置中，中間的通孔用來(lái)放置待加熱的非磁性工件和拉伸用夾具， 例如，用夾具夾持拉伸試樣(待加熱的非磁性工件)置于通孔中，且保證工件不與磁性金屬 相接觸。屏蔽磁塊緊包在電磁感應(yīng)線圈外，既能使磁力線具有方向性又能防止電磁泄露，最 外層由絕緣隔熱板組成，起到保溫作用。為了達(dá)到更進(jìn)一步的保溫效果，通孔可設(shè)置成兩頭 窄、中間寬的形狀。為了在加熱時(shí)使工件處于一個(gè)相對(duì)封閉的空間，實(shí)現(xiàn)更好的保溫和加熱 效果，本發(fā)明的電磁加熱裝置還包括拉伸用夾具，所說(shuō)的拉伸用夾具的中部為夾持機(jī)構(gòu)，夾 具兩端的形狀與通孔兩端的形狀相配合，當(dāng)夾具插入通孔后，使通孔的兩端封閉，其中部成 為一個(gè)封閉的腔體，待加工工件就處于這個(gè)封閉腔體內(nèi)。溫度檢測(cè)元件鑲嵌在繞有電磁感應(yīng) 線圈的磁性金屬內(nèi)表面，用以測(cè)量工件的溫度。本發(fā)明與現(xiàn)有電磁加熱及微塑性成形加熱方法和裝置相比，有如下優(yōu)點(diǎn)l.該電磁加熱微塑性成形方法及其裝置與其它微塑性成形加熱方法及其裝置相比，具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用和維護(hù)費(fèi)用低廉、控制電路安全可靠等特點(diǎn)。2.該電磁加熱微塑性成形方法及其裝置與其它電磁加熱方法及其裝置相比，具有防輻 射功能，降低人體和電子儀器受到電磁輻射的影響。3.該電磁加熱微塑性成形方法及其裝置與其它電磁加熱方法及其裝置相比，可以對(duì)不能 通過(guò)物體間直接接觸進(jìn)行熱傳遞的非磁性工件進(jìn)行加熱。


附圖1是本發(fā)明電磁加熱裝置剖視圖。 附圖2是圖1A-A截面的剖視圖。 附圖3是電磁加熱溫度控制電路圖。 l絕緣隔熱板、2屏蔽磁塊、3溫度檢測(cè)元件、4磁性金屬、5電磁感應(yīng)線圈、6交流電源、7 電壓電流檢測(cè)保護(hù)裝置、8電腦、9溫度檢測(cè)控制裝置、IO整流器、ll扼流線圈、12電容、 13開(kāi)關(guān)功率管、14變頻電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖l、圖2、圖3具體說(shuō)明。如圖1所示，用于非磁性工件且不可通過(guò)物體間直接熱傳遞方式進(jìn)行電磁加熱的微塑性 成形裝置的主剖視圖。工件是不可通過(guò)物體間直接熱傳遞方式進(jìn)行電磁加熱非磁性工件，該 裝置中央是上下通孔的、兩頭窄、中間寬的加熱型腔，由內(nèi)向外依次是磁性金屬(磁芯)4、 電磁感應(yīng)線圈5、電磁屏蔽磁塊2和絕緣隔熱板1，溫度檢測(cè)元件3設(shè)置在磁芯內(nèi)表面接近工 件的部位。工作時(shí)，連接工件的夾具通過(guò)上下通孔將工件定位于加熱型腔的中間位置，電磁 感應(yīng)線圈5輸入交變電流后將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)直接通過(guò)磁性金屬4產(chǎn)生回路，并在磁 性金屬4內(nèi)形成渦旋狀的感應(yīng)電流，渦流克服磁性金屬4的電阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn) 換，所產(chǎn)生的熱就是加熱工件所需的熱源，從而實(shí)現(xiàn)電磁加熱工件的目的。屏蔽磁塊2阻隔 電磁加熱過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射，對(duì)人體和電子設(shè)備起到一定的保護(hù)作用，絕緣隔熱板l起 到保溫作用，減緩型腔內(nèi)熱量的損失。圖2是圖1A-A截面的剖視圖。表明由腔體至外，依次是磁性金屬4、電磁感應(yīng)線圈5、 電磁屏蔽磁塊2和絕緣隔熱板1 。圖3是電磁加熱溫度控制裝置的電路圖，該電路主要由交流電6、電壓電流檢測(cè)保護(hù)電 路7、電腦8、溫度檢測(cè)控制電路9、整流器IO、扼流線圈ll、電容12、開(kāi)關(guān)功率管13、變 頻電路14等組成。非磁性工件且不可通過(guò)物體間直接熱傳遞方式進(jìn)行電磁加熱的微塑性成形裝置的方法 結(jié)合圖1和圖3說(shuō)明電磁加熱微塑性成形裝置的工作過(guò)程(1) 連接工件的夾具通過(guò)上下通孔將工件定位于加熱型腔的中間位置，工件并不與磁 性金屬相接觸。在磁性金屬4的內(nèi)表面上有溫度檢測(cè)元件2，溫度檢測(cè)元件2能較準(zhǔn)確地檢 測(cè)工件1的溫度，并將信號(hào)輸入電磁加熱溫度控制裝置。圖3中交變電流6通過(guò)整流器10后 變?yōu)橹绷麟?，扼流線圈11將濾波后的直流電輸入電容12和電磁感應(yīng)線圈5，并聯(lián)的電容12 和電磁感應(yīng)線圈5在相互作用下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，開(kāi)關(guān)功率管14與變頻電路15形成高頻脈沖， 電磁感應(yīng)線圈5中產(chǎn)生高頻交變電壓，電腦8根據(jù)電壓電流檢測(cè)保護(hù)裝置7和溫度檢測(cè)控制 電路9輸入的信號(hào)對(duì)變頻電路15發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁加熱電路溫度的控制。(2) 圖1中電磁感應(yīng)線圈5輸入交變電流后將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)直接通過(guò)磁性金屬 4產(chǎn)生回路，并在磁性金屬4內(nèi)形成渦旋狀的感應(yīng)電流，渦流克服磁性金屬4的電阻流動(dòng)時(shí) 完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的熱就是加熱工件所需的熱源，磁性金屬升溫后，熱量傳遞給通孔內(nèi)的空氣，再由空氣將熱量傳遞給置于通孔內(nèi)的非磁性工件，從而實(shí)現(xiàn)電磁加熱工件 的目的。以上非磁性工件且不可通過(guò)物體間直接熱傳遞方式進(jìn)行電磁加熱的微塑性成形方法及其 控制裝置亦可用于相應(yīng)的宏觀領(lǐng)域。以上實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1、一種電磁加熱微成形方法，適用于不可通過(guò)物體間直接接觸進(jìn)行熱傳遞的非磁性工件的微塑性成形，其特征在于將上、下通孔的磁性金屬置于由交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)中的磁力線通過(guò)磁性金屬產(chǎn)生回路，并在磁性金屬內(nèi)形成許多渦旋感應(yīng)電流，該渦流通過(guò)克服磁性金屬的電阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，使磁性金屬的溫度迅速升高，磁性金屬熱量傳遞給通孔內(nèi)的空氣，再由空氣將熱量傳遞給置于通孔內(nèi)的非磁性工件，由設(shè)置在磁性金屬上的溫度檢測(cè)元件檢測(cè)加熱溫度，并將信號(hào)輸入電磁加熱溫度控制裝置，對(duì)電磁加熱溫度進(jìn)行控制。
2、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求l所述電磁加熱微成形方法的電磁加熱裝置，其特征在于，主要由 上下通孔的磁性金屬、電磁感應(yīng)線圈、溫度檢測(cè)元件、屏蔽磁塊、絕緣隔熱板和電磁加熱溫 度控制裝置組成，電磁感應(yīng)線圈繞在磁性金屬上，電磁感應(yīng)線圈外依次設(shè)有屏蔽磁塊和絕緣 隔熱板，該裝置外圍由絕緣隔熱板封閉，中間為磁性金屬?lài)傻目涨?，溫度檢測(cè)元件設(shè)置的 磁性金屬上，與電磁加熱溫度控制裝置相連，在電磁加熱溫度控制裝置中，整流器將流入的 交流電轉(zhuǎn)變成直流電，扼流線圈將直流電濾波后輸入電容和電磁感應(yīng)線圈，并聯(lián)的電容和電 磁感應(yīng)線圈在相互作用下形成交變電流，交變電流通過(guò)電磁感線圈后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該交變 磁場(chǎng)在磁性金屬中產(chǎn)生回路，在磁性金屬內(nèi)形成禍旋狀的感應(yīng)電流，該渦流克服磁性金屬的 電阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，所產(chǎn)生的焦耳熱就是加熱工件的熱源，電腦根據(jù)電壓電 流檢測(cè)保護(hù)電路和溫度檢測(cè)控制電路輸入的信號(hào)，對(duì)變頻電路發(fā)出相關(guān)指令。
3、 如權(quán)利要求2所述的電磁加熱裝置，其特征在于，還包括拉伸用夾具，所說(shuō)的拉伸用 夾具的中部為夾持機(jī)構(gòu)，夾具兩端的形狀與通孔兩端的形狀相配合，夾具插入通孔后，通孔 的兩端封閉，通孔的中部成為一個(gè)封閉的腔體。
4、 如權(quán)利要求3所述的電磁加熱裝置，其特征在于，所說(shuō)的通孔為兩頭窄、中間寬的形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于非磁性工件的電磁加熱方法及其控制裝置，所說(shuō)方法是將上、下通孔的磁性金屬置于由交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)中的磁力線通過(guò)磁性金屬產(chǎn)生回路，并形成許多渦旋感應(yīng)電流，該渦流通過(guò)克服磁性金屬的電阻流動(dòng)時(shí)完成電能向熱能的轉(zhuǎn)換，使磁性金屬的溫度迅速升高，磁性金屬熱量傳遞給通孔內(nèi)的空氣，再由空氣將熱量傳遞給通孔內(nèi)的非磁性工件，由設(shè)置在磁性金屬上的溫度檢測(cè)元件檢測(cè)加熱溫度，并將信號(hào)輸入電磁加熱溫度控制裝置，對(duì)電磁加熱溫度進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，由上下通孔的磁性金屬、電磁感應(yīng)線圈、溫度檢測(cè)元件、屏蔽磁塊、絕緣隔熱板和電磁加熱溫度控制裝置組成。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制電路安全等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05B6/06GK101404835SQ20081015606
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者劉赤榮, 朱永書(shū), 勻 王, 董培龍, 袁國(guó)定, 陸廣華 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)