CN1688421A - 制造高精度公差零件的冲压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲压公差在1000nm以下的零件的系统和方法。本发明的系统和方法特别适合于生产光电零件。该系统包括一冲压压力机和一个或一系列支承冲头和模具的冲压台。冲压台设计成能保持冲头和模具基本对准，而含有最少的运动零件。该冲压台包括用于精确地将冲头引导至模具的轴。该冲压压力机能够提供给冲头进行冲压作业所必需的力。该系统包括一接合系统，用于将压力机的力传递给冲头，同时在结构上使压力机与冲头分离。该系统还包括一定位底板，用于使冲压台互相对准，还包括进入冲压台之前在同一条线上加工毛坯材料的装置。

Description

制造高精度公差零件的冲压系统

技术领域

本发明涉及冲压系统和过程，更具体地说，涉及制造供各种用途使用的高精度公差零件(例如光纤接头)的冲压过程。

背景技术

在许多应用场合都需要精密零件，例如基于光纤的通讯。基于光纤的通讯通道因其性能高和尺寸小而成为许多国防和商业应用选择的系统。特别是，相对于不需要E-O-E转换的同轴铜电缆的纯电气系统，电-光-电(E-O-E)转换元件，光纤放大器和光缆成本较低，因此在长距离应用场合中，比如城市至城市，洲至洲的通讯距离，纤维光学系统被证实是令人满意的。这些长输送纤维系统在终端之间能有几百公里的纤维。

较短距离的系统一般在终端之间只有几十公里的纤维，而超短程(VSR)系统在终端之间只有几十米的纤维。虽然远程通讯和数据通讯在大城市进入到房屋中的纤维接线相对于长距离传输短，但是这种情况有很多。应用于这些场合所需要的纤维数量是大的。在这些短程系统中，纤维光学系统的适用性对E-O-E终端转换装置和支持线路，以及任何无源和有源的光电装置和连接在终端之间的设备的成本非常敏感。因此，为了在短距离和VSR系统中应用光电有源和无源器件以及辅助组件和组件，其平均销售价格必需降低。降低平均售价将有助于证明在高速制造工艺投资是正确的。

有源和无源光纤元件及连接电缆成本的重要组成部分是光纤连接器本身。精确的金属箍以及使它们对准的相关装置(例如，用于单根纤维连接的精密开缝套筒，用于多根纤维连接的精密接地引脚)决定着现行纤维连接器的成本。通常需要用对准元件将纤维与有源和无源装置对准，以及对准用于可拆卸连接的两根纤维。两个抛光纤维末端的精确对准是需要的，以保证纤维连接的总光学损失等于或小于系统预先设定的光学连接器的损失。对于单一模式的通讯级纤维，一般相应的连接器纤维对准公差小于1000nm。现行的连接器在基本设计上已经20多年没有改变了，但其成本太高，装配上也很困难。如果光纤用于短距离传输和VSR的通讯媒体，则精密纤维连接器制造的成本必需降低。

用在并联纤维和单根纤维连接中，以几千兆比特率工作的连接器必需用微米级精度制造的子元件装配。因为生产这种精度水平的零件挑战性不强，因此为了使最终的产品是经济的，必需在全自动且非常高速过程中进行生产。

冲压操作在低成本大量生产零件的制造过程中已推广使用。然而迄今为止，冲压过程在生产满足公差要求的光电元件时不是有效的方法。事实上，还没有用于生产满足公差要求的光电元件的大批量高速生产方法。Balliet等人的美国专利4458985号涉及了一种光纤连接器，Balliet粗略地说明一些连接器零件可以通过模压或冲压过程生产(如第三列，第20-21、第55-57行)。然而，Balliet并没有提供这种冲压过程，更不用说公差在1000nm以内的零件冲压过程了。

因此，在光电及其他场合应用且公差在1000nm以内的零件的高速制造技术是所期望的。

发明内容

本发明涉及生产公差在1000nm以下的零件的冲压系统和过程。本发明特别适合于生产光电元件，包括，但不限于元件，组件和辅助组件以及无源和有源元件。该系统包括一个或一系列的用于支撑冲头和模具的冲压台。冲压台包含一种新型的用于引导冲头以紧密公差基本上与模具对准的结构。系统包括压力机，其用于给该冲压台提供必需的力，以进行特定的冲压作业。

本发明的一方面，该系统被设计成使支撑结构中用于引导冲头至冲模的运动零件数目最小化。在一个实施例中，该冲压台在引导冲头至冲模的支承结构中不包括运动零件。冲压台包括一固定的冲头夹持器结构，其具有类似于轴的大小和形状，用于以紧密公差容纳冲头。通过滑动穿过该轴将冲头引导至冲模。

本发明的另一方面，该系统包括一个具有标记零件的定位底板，用于精确地使一系列冲压台相互对准。该定位底板及其标记零件具有严格的公差和微米级以下的表面粗糙度。

本发明的再一方面，该系统包括一个接合系统，其可将压力机的力传递给冲头，但压力机与冲头在结构上分开。该接合系统还使每一冲压台隔离，使得一个台上的操作不影响在另一个台上的操作。在一个实施例中，该系统包括一球和承窝结构，其可使压力机用机械的方法将力传递给冲头，但在结构上与冲头分离。在另一实施例中，该系统包含一液压接合系统。液压流体使压力机与冲头进行机械上地连接，并传给冲头一均匀的力，但在结构上压力机与冲头分离。在另一实施例中，该系统包含球和承窝结构与冲头的液压传动的结合。液压传动使压力机在结构上与冲头分离，同时球和承窝结构可以减小冲压台零件上的结构压力。通过在结构上使压力机与冲压台上的超精密工具分离，这样压力机的不精密不会影响冲压台和工具的超精密性。

附图说明

为了更充分地理解本发明的实质和优点，以及优选的实施例，为以下的详细说明结合附图给出标号。在下面的附图中，相同的标号在整个附图中表示相同或相似的零件。

图1示出了传统冲压压力机示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例，冲压公差在1000nm以下零件的系统示意图；

图3a示出了根据本发明的一个实施例的冲压台透视图；

图3b示出了沿图3a中线3b-3b剖开的冲压台剖视图；

图4示出了根据本发明的另一实施例的冲压台透视图；

图5示出了图4所示的冲压台的装配图；

图6a示出了沿图4中线6a-6a剖开的冲压台截面图；

图6b示出了沿图4中线6b-6b剖开的冲压台截面图；

图7a示出了含有本发明的冲压系统的接合系统简化图；

图7b示出了应用在接合系统中的球和承窝的截面图；

图8a示出了根据本发明的另一实施例，包含液压接合系统的冲压台示意图；

图8b示出了根据本发明的另一实施例，包含具有球和承窝结构的液压接合系统的冲压台示意图；

图9a示出了图4和5中的冲头和冲模的透视图；

图9b示出了图9a中的冲头和冲模的分解图；

图9c示出了沿图9a中线9c-9c剖开的冲模剖视图；

图10a示出了使用本发明的冲压系统生产的一光电组件的底视图；

图10b示出了使用冲头和压模插入物(如图9a所示)冲压的半个金属箍零件的透视图；

图10c示出了图10b中的半个金属箍的底视图；

图11a示出了在“两个向上结构”中用于生产精压和焊接金属箍的一“带状布局”设计；

图11b示出了由图11a所示的“带状布局设计”生产的最终金属箍零件的透视图；

图12a示出了用于生产冲压开缝套筒中的一星形形状并由定位焊接的金属箍的“带状布局”设计；

图12b示出了含有星形金属箍的组件透视图；

图12c示出了沿图12b中线12c-12c剖开的组件剖视图；

图13示出了用精压成型方法制造的金属箍的底部横截面图；

图14示出了用于精压多根纤维半金属箍的一多根纤维金属箍冲头的横截面图；

图15示出了装多根纤维金属箍的已成形多根纤维套筒的透视图；

图16示出了定位底板的俯视图；

图17示出了抽样精压零件数据及12根纤维冲头轮廓数据重叠图形；

图18示出了有限元分析(FEA)预测的在开放模具结构中精压的304号坯料的示意图；

图19示出了在一精压12根纤维金属箍样件中的三根纤维槽的照片；

图20示出了三个304号不锈钢样件的相同纤维槽的测量轮廓数据和冲头上的轮廓数据的图形；

图21示出了相对于三个不同冲压样件槽平均位置的槽位置最大变化的图形。

具体实施方式

下面将参照附图并结合各个实施例说明本发明。本发明是以达到本发明目的的最好方式来说明，但技术经验丰富的人可以在不偏离本发明的精神或范围的条件下作各种改变。

本发明涉及制造公差在1000nm以下零件的冲压系统和方法。本发明的系统和方法特别适合于生产光电元件，包括，但不限于光电元件，组件和辅助组件，有源和无源元件。为了说明本发明的原理，参照制造光电元件，特别是光纤连接器(例如金属箍和开缝套筒)的冲压过程实施例来说明。

传统的冲压方法

为了完整起见，简要地说明一下传统的冲压方法。冲压是在模具组组件之间，将工件(例如金属条)压制成预先确定的形状或花纹的制造过程。冲压压力机和冲压模具是在冲压过程中使用的工具。图1为传统的冲压压力机10的示意图。该冲压压力机10包括一压力机压头20和一压力机床身30。通过使模具组组件的零件彼此相对运动，压力机压头20提供冲压工件所必需的力。箭头表示压力机压头20相对于压力机床身30上下运动的冲击动作。但是，压力机压头可以有其他的冲击动作方向(未示出)。位于压力机压头20和压力机床身30之间的模具组组件40是用于生产冲压零件的工具。模具组组件40包括在结构上与压力机压头20连接的一冲头50，和固定在压力机床身30上的一互补模具60，反之亦然。冲压压力机10可以包括一垫板65，其固定在压力机床身30的顶部，用于将模具60固定在压力机床身30上。冲头50和模具60相互对准，以使当压力机压头20向着压力机床身30运动时，冲头50和模具60互补工作，在工件上完成期望的操作。

冲压作业中，工件70放置在冲头50和模具60之间。当压力机10起动时，压力机压头20使冲头50向模具60运动。冲头由导向柱和套管(未示出)以及压力机压头20导向，向模具运动。当冲头50和模具60碰到一起时，放在冲头50和模具60之间的工件70被冲压。模具组组件可以在工件上进行各种操作，例如如冲压、拉伸、弯曲、卷边和折边一类的切割和成形。

一些潜在的条件可以影响冲头50和模具60不对齐，压力机可能不对准。因为冲头50在结构上连接在压力机压头20上，所以压力机压头20的不对中也影响冲头50与模具60的对齐。同样，套管随着时间磨损，套管和导向柱之间的间隙增加，也会造成冲头和模具的不对准。

美国专利6311597B1号公开了一种复杂冲压系统的设计，其使用模板作为导向柱，模具套作为导向套管。模具套管通过直接导向支撑冲头的冲头组件，间接地将冲头引导至模具。冲头组件包括安装在冲头底板上的冲头和模板导向柱，模板导向柱有一滚球轴承罩。模具套为模板导向柱导向，从而间接地为冲头导向。

该复杂设计容易使冲头和模具不对齐。为了使冲头与模具对准，冲头安装与冲头底板对准和模板安装与冲头底板对准是非常关键的。这些组件中的任何一个装配时不对准，都会造成冲头和模具不对准。另外，该设计在将冲头引导至模具时使用了至少一个运动元件，这可能增加不对准的可能性。冲头组件在模具套内运动，将冲头引导至模具。冲头组件在模具套内任何微小的偏离中心的运动都将导致冲头相对于模具不对准。该设计中滚珠轴承罩的使用使不对中的可能性增加了。从其本质上来说，滚珠轴承允许模板在模具套内作偏离中心的运动，这就导致了冲头和模具不对准。

定义的公差

如上所述，本发明的冲压系统和方法可以生产满足6σ的1000nm几何公差带的零件。从统计学上来看，这意味着每一百万个零件中只有3.4个不满足1000nm公差带规定的尺寸要求。对于正态分布，如果该工序的平均值保持不变，则为了达到6σ生产，整个工序的标准偏差必需小于或等于83nm[(1000nm/2)/6＝83nm]。实际中，必需允许工序平均值的偏移。对于允许工序平均值偏移±1.5σ的情况，最大的标准偏差减小至67nm[(100nm/2)/7.5＝67nm]。仍假设是正态分布，为在n级精度的多道工序中达到这点，该n级中的每一级必须具有σ/n∧0.5。即，若在这个例子中n＝4，则σ(每一级)小于或等于33nm。

冲压系统综述

图2是根据本发明的一个实施例冲压公差在1000nm以下的光电元件的系统100的示意图。该冲压系统100包括用于在同一条线上加工毛坯材料的装置150，冲压压力机200，一个或一系列冲压台250和一个冲压台定位底板300。

同一条线上的毛坯加工

冲压系统100可包括用于在同一条线上将毛坯材料110加工成具有预先确定尺寸和表面质量工件的装置150。摩尔纳米工艺系统公司(MooreNanotechnology Systems)开发了使用液体冷却油静压轴承的机床，其程序分辨率为10nm，运动精度为50nm，反馈分辨率为8.6nm。毛坯材料110在进入冲压台250之前从开卷机送出，这些机床能适应在同一条线上加工的毛坯材料110。这保证了当毛坯材料或工件进入冲压台250时，在每一个冲压台毛坯或工件将以亚微米级的精度被记录下来。这个精度是生产公差在1000nm以下的光电元件所必需的。

冲压压力机

冲压系统100包括冲压压力机或给冲压台250提供动力的定制的高速源200。该冲压压力机200可以是技术上众所周知的传统冲压压力机(例如，液压、电气机械式等…)。这些压力机可以支持或提供给冲压台250进行具体冲压作业所必需的力。冲压压力机200包括一压力机压头210和一压力机床身220。正如下面更完整的论述，冲压台250放置在压力机压头210和压力机床身220之间。压力机床身220支撑冲压台250，并且压力机压头210将完成冲压操作所必需的力传递给冲压台250。众所周知，冲压压力机可以超过1000冲程/分(SPM)的速度进行冲击动作。另外，冲压系统可以含有1台以上的冲压压力机给冲压台提供动力。

冲压台一第一个实施例

图3a示出了根据本发明一个实施例的冲压台400的透视图。图3b示出了沿图3a中线3b-3b剖开的冲压台剖视图。冲压台400含有支撑模具组组件和直接引导冲头至模具的结构，其包括用于支承冲头420的静止冲头夹持器板410和支承模具450的模具夹持器板440。冲头夹持器板410的作用是使冲头420与模具450对准并直接将冲头420引导至模具450。冲头夹持器板410具有轴430，其制作成可滑动地容纳冲头420和引导冲头420至模具450的尺寸和形状。轴430可使冲头420平移，并穿过冲头夹持器板410与轴430滑动接触。轴430使冲头420与模具450对准，将冲头420引导至工件455和模具450。模具夹持器板440也使模具450易于与冲头420对准。模具450固定在模具夹持器板440上，使得当冲头420穿过轴430向模具夹持器板440运动时，冲头420以互补方式接近模具450，从而在工件455上进行加工。

通过在板410和440之间放置隔板470，在冲头和模具夹持器板410与440之间形成一工作空间460。该工作空间460就是冲压作业的区域。工件455插入工作空间460中完成其预定的冲压操作，例如形成零件所期望的形状。工作空间460足够容纳冲头420、模具450、工件和最终的冲压零件。技术熟练的人可以知道隔板470的尺寸，特别是其厚度可以改变，因此可以使工作空间460具有所期望的尺寸。

冲压台400包含使压力机压头210安全停止的挡块块体480(图2所示)。挡块块体480放置在压力机压头210和冲头夹持器板410的上表面之间。当压力机压头210向冲压台400运动时，挡块块体480与压力机压头210接触，以阻止冲头420进一步深入冲压台400。挡块块体480控制冲头420进入冲压台400的深度。该进入深度可以通过改变挡块块体480的厚度控制。技术经验丰富的人知道，挡块块体480可用硬度足够大，可以承受压力机压头210重复冲击力的任何材料制成。另外，挡块块体480可以是能控制冲头420的进入深度的任何形状。

为了使冲头420返回至开放位置，冲头420可以与弹簧490或其他偏移装置连接。当冲头420向模具450运动时，弹簧490偏移。一旦压力机压头210的力消失后，弹簧490就使冲头420离开模具450。

在装配冲压台400时，将冲头夹持器板410安装在模具夹持器板440上，将隔板470放置在板410和440之间。然后将挡块块体480安装在冲头夹持器板410的上表面上。可以用技术上熟知的紧固件将冲压台400的零件固定在一起。例如，可以做孔485来容纳螺钉(未示出)，从而将冲压台400的零件固定在一起。固定完成时冲压台400的零件就装配成一统一的结构了。

冲压台一第二个实施例

图4示出了根据本发明另一实施例的冲压台500的透视图。图5是图4所示的冲压台500的装配图。图6a和6b分别为沿图4中线6a～6a和6b～6b剖开的冲压台500的剖视图。冲压台500包括一静止单决模具组组件夹持器结构510，用于支承模具组组件。模具组夹持器510包括冲头夹持器部分520，用于支承和引导冲头530。冲头夹持器部分520有一轴540，其做成可滑动地容纳和支承冲头530的尺寸和形状。轴540在图6中示出。轴540允许冲头530平移，并穿过模具组夹持器510。冲头530在轴540内滑动，并与该轴接触。轴540使冲头530易于与模具对准，将冲头530引导至工件595(图5中示出)和模具。模具组夹持器510还包括支承模具560的模具夹持器部分550。模具560包括压模嵌入件562，563和564。压模嵌入件563和564分别放置在腔565和566内。模具夹持器部分550包括一放置模具560的腔570(在图6a和6b中示出)。腔570的尺寸和形状可以精确地容纳和放置模具560。支撑板580用于保证模具560在腔570内。在将模具560放置在腔570内以后，将该支撑板580固定在模具组夹持器510的底部确保将模具560固定在腔570内。模具560固定在模具夹持器部分550中，因此当冲头530穿过轴540向模具560运动时，冲头530以互补方式接近模具560，在工件595上进行作业。在冲头和模具夹持器部分520和550之间形成一工作空间590。工作空间590就是进行冲压作业的区域。工件595插入工作空间590中完成其预定的冲压操作。工作空间590足够容纳冲头530、模具560、工件595和最终的冲压零件(未示出)。

冲压台500包含一使压力机压头210安全停止的挡块块体600(如图2中所示)。挡块块体600位于压力机压头210和模具组夹持器510的上表面之间。挡块块体600控制冲头530进入冲压台500的深度。为了使冲头530返回至开放位置，该冲头530可与弹簧610或其他偏移装置连接。当冲头530向模具560运动时，弹簧610偏移。当压力机压头210的力除去后，弹簧610使冲头530离开模具560。

冲压台500还包括一顶出装置612，用于在冲压操作后，从模具560中将冲压零件595顶出。顶出装置612包括提升器614和弹簧616或其他偏移装置。正如下面更充分的说明，顶出装置612放置在压模嵌入件562的空心部分内，这样提升器614就可以通过压模嵌入件562的空心部分与冲压零件595接合。

在图3所示的冲压台400的实施例中，冲头和模具夹持器板410与440装配在一起形成支承冲头420和模具450的一统一结构。在图4所示的冲压台500的实施例中，支承冲头530和模具560的结构为一个整体结构。模具组夹持器510是刚度更大、更稳定的结构，其可使模具组夹持器510更精确地将冲头530引导至模具560。

冲压台—第三个实施例

图8a示出了根据本发明另一实施例的冲压台800的示意图。冲压台800包括一支承模具840的模具夹持器板850，和支承与引导冲头860至模具840的轴810。轴810根据可以滑动地容纳和支承冲头860而确定其尺寸和形状，使冲头860可以沿纵向通过轴810向靠近模具840和离开模具840的方向移动。轴810使冲头860易于与模具840对准，将冲头860引导至模具840。为了限制冲头860向模具840移动，在冲头860的冲击路径中放置可调的机械挡块880。冲头860带有一卡子830，该卡子可与挡块880接合，以限制冲头860进一步向模具840移动。为了调整机械挡块880相对于卡子830的位置，设有一隔片895。该隔片895可以是有一定角度的楔和螺杆，用以对隔片895进行微米级的调节。

接合系统

冲压系统100包括一接合系统700，其可机械地将压力机200产生的力传递至冲压台250(基本如图2所示)，但结构上使压力机200与冲压台250分离。图7a是包括在本发明冲压系统100中的接合系统700的简图。如上所述，冲压压力机200能够将冲压作业所必需的力传输给冲压台250。该力是通过接合系统700传输至冲压台250的。在一个实施例中，接合系统700为球与承窝结构。冲头710带有球720，压力机压头210带有球的承窝730。或者说，在与压力机压头210连接的一个连接器板(未示出)上做出球的承窝。当压力机压头210与冲头710接合时，球720与球承窝730接合。图7b示出了球720与承窝730接合的情况。接合系统700使冲压压力机200产生的力易于传递至冲压台250。接合系统700还可使冲压台250在结构上与冲压压力机200分离。冲压台250没有一个零件直接固定或用螺栓以任何形式固定在该压力机压头210上，因此不会受压力机200的相对不精确性影响。传统的冲压压力机本质上不作成紧的公差。另外，高压力下的高速加工过程会引起振动和尺寸变化。通过在结构上使压力机200与冲压台250分离，可使压力机200的尺寸变化不影响超精密冲压台250和模具组组件嵌入件。压力机200可以只是一高速可重复能量源，带有较松的公差，将力传递给冲压台250上的超精密工具和模具。技术熟练的人知道，该球和承窝的布局可以颠倒，使冲头带有承窝接头，压力机压头带有球连接。

参照图8a，在另一个实施例中，系统100可包括一液压接合系统，用于将压力机的力传递至冲压台800。该接合系统包括一放置在轴810内的传动器板820，其在压力机压头和冲头夹持器板之间的一端上。传动器板820也可以在该轴内沿纵向平移。轴810带有阀870，该阀放在传动器板820和冲头夹持器板830之间，用于给轴810提供低压液压流体。

工作时，低压液压流体通过阀870供给轴810。压力机压头210推动传动器板820通过轴810直至传动器板820关闭阀870为止。一旦阀870关闭，轴810上的流体压力增加，从而在冲头夹持器板830上产生一力使冲头夹持器板830和冲头860运动。冲头夹持器板830上的力基本上是均匀的。力的向量与该冲头夹持器板的表面单方向垂直。

该液压接合系统还可包括一个球和承窝结构。图8b示出了包括一球和承窝结构的该液压接合系统的示意图。传动器板820可带有球920，而压力机压头210可带有承窝930，反之亦然。当压力机压头210与传动器板820接合时，球920与承窝930接合。包含球920和承窝930为冲压工作台上零件结构应力最小化提供了更进一步的优点。液压驱动可使加在冲头860上的力的方向与由压力机压头210产生的力的方向无关。球920和承窝930结构可以减小由压力机不对准产生的剪切和弯曲力造成的支承诸如传动器板820和冲头210的液压机构结构变形。

该接合系统可使由冲压压力机200产生的力易于传递至冲压台。该接合系统还可使冲压台在结构上与冲压压力机200分离。与冲头夹持器板830连接的弹簧910可使冲头夹持器板830脱离模具840。

模具组组件

图9a示出了图4和5中的冲头530和模具560的透视图。冲头530和模具560由带有成形表面、榫钉、冲头、凸轮，传感器和其他零件的块体组成。这些冲压工具设计和制造的公差在500nm以下。这可使冲头530和模具560精确地定位在冲压台250中。冲头530和模具560可设计成在冲压台之间可互换位置的。图9b示出了图9a中冲头530和模具560的分解图。模具560包括压模嵌入件562，563和564(压模嵌入件563和564未按比例示出)。压模嵌入件563和564放置在压模嵌入件562的腔565和566内。图9c示出了沿图9a中线9c-9c剖开的模具560的剖视图。模具560包括一成形表面1020和通往成形表面1020的孔1025的一个空心部分1030。提升器614和弹簧616放置在该空心部分1030内。如果冲压作业后，冲压的零件(未示出)仍然附着在模具560上，则提升器614和弹簧616可以将该冲压零件从成形表面1020上顶出。提升器614可以通过孔1025与冲压零件接合。

渐进

参照图2，冲压系统100能够支持一系列的冲压台250。例如，图2示出了系统100支持的三个冲压台260，261和262。一系列冲压台250功能上与传统的渐进模具一样，在冲压台260，261和262中的每一个站进行一特定的冲压作业。一系列冲压台250可使系统100在冲压压力机200做每一个冲程的同时，制造的零件具有多种特点。系统100包括放置在压力机床身220上的一定位底板300，其可使冲压台250精确地相互对准。图16示出了本发明中定位底板300的顶视图。该定位底板300带有标记装置310，用于使冲压台250相互以亚微米级的精度定位。在一个实施例中，标记装置310可以是在底板的其中一个表面上精确加工的槽或隙缝320。槽320的尺寸和形状精确地确定，以容纳冲压台250的基座。一旦冲压台250位于槽320内，底板300就以亚微米级的精度精确地使冲压台250相互定位。根据应用情况的具体要求，可以使用多于一个相互对准的定位底板。该底板(或如果需要的话，平板)300及其标记装置310可以用精密机床制造。例如，可使用摩尔纳米工艺系统公司(Moore Nanotechnology Systems)制造的FV-500机床，该机床可加工平的和平行的底板300，使其表面粗糙度在10nm以下。

反馈控制

参照图2，系统100可包括一主动反馈控制器350，用于连续地检测和调节系统100的各种参数。例如，控制器350可以检测和调节传递给图8a中冲压台800的力的大小。一个工作压力安全阀890用于控制产生力的大小，一个停止压力安全阀900用于使对冲压台800的损坏最小化。工作压力安全阀890可以是一压力调整精度高的低流量阀。阀890设置为产生所需力的压力，可根据公式计算(液压传动器表面积×压力＝力)。停止压力安全阀900可以是一带有闭合磁滞的大流量阀，并且设置为比阀890的压力高得多的压力。为了有更快的响应时间，工作压力安全阀890和停止压力安全阀900可以是机械式或电气机械式的阀。一旦冲头860碰到工件，流体压力上升至成形压力点，使工作压力安全阀890打开，工作压力得到保持。当冲头夹持器板830碰到挡块880时，在腔810中产生压力，而冲头夹持器板830的位移基本上可忽略。随后停止压力安全阀900打开，压力降低。压力机压头210开始向上移动，冲压台800复位至开始状态。

控制器350可以包括技术上众所周知的各种传感器，例如机械式，电气式和光学传感器，传感器可以在模具组组件、工件和其他系统零件中。为了使冲压系统100生产的最终零件达到期望的公差，控制器350可检测工件的公差，以及根据测量的响应调节各种参数，例如，冲头和模具的对准，工件相对于模具组组件的对准，冲头和压力机压头的冲击速度。

设计考虑

生产公差在1000nm以下的零件中保持冲头和模具的基本对准是一个重要的考虑因素。通过为冲头引导至模具设计一简单且基本上刚性的结构，使冲头和模具易于基本对准。在冲压台的实施例中，引导冲头至模具的结构是静止的，其中不含有运动零件。冲头通过轴直接被引导至模具。通过使将冲头引导至模具的运动零件数目降到最低，可以使不对准的潜在发生源减少到最小。美国专利6311597B1号中所公开的冲压系统在冲头引导至模具时至少有一个运动零件(即冲头组件在模具座内运动)，与其相比，本发明的系统可以更好地将潜在的不对准发生源降到最少，另外，冲压台的刚性也使冲头和模具容易对准。支承模具组组件的结构由高强度材料(例如碳化钨)制成，并且设计成单一结构(如图3所示)或整体结构(如图4所示)。冲头夹持器结构设计成具有低于微米级的公差(例如150nm)和表面光洁(例如峰至谷的表面粗糙度为10nm或更小)的结构。因此，轴和冲头之间的间隙较小，可使轴刚性地支承冲头。轴的亚微米级的表面粗糙度可使冲头在轴内平滑地移动，减少冲头上的磨损和潜在的不对准。

使压力机与工具在结构上分离也可使该冲压系统能生产公差在1000nm以下的零件。冲压系统包含的接合系统将压力机产生的力传递给冲头。在图8a和8b所示的接合系统中，接合系统还可使该力沿冲头夹持器板单向垂直传递。然而该接合系统结构上与工具分离。这样，系统基本上可消除不精确的冲压压力机对工具的影响。因此压力机可以是公差不精确的类型。

冲压系统100的其他设计特点也可以使该系统能够生产公差在1000nm以下的零件。冲头和模具也可具有低于微米级的公差(例如150nm)和表面粗糙度(例如小于10nm)。这些系统零件的精确公差可使冲头和模具基本上精确定位在冲压台内，并精确相互对准，这可使冲头与模具精确地匹配。另外，在进入冲压台以前，可以将毛坯材料加工至精确的公差。这可使在冲压作业过程中工件可以精确地放置在冲压台内。

零件的例子

图10a示出了本发明中冲压系统100生产的一光电组件1100的底视图。根据设计的详细情况和计量学考虑，该系统可具有多个渐进台。图10a示出了保护光纤底端1120的金属箍1110。金属箍1110由两个装配在一起的相同的半金属箍1130构成。图10b示出了由冲头和模具530与560(如图9a所示)冲压制成的半金属箍零件1130的透视图。图10c示出了图10b所示的半金属箍1130的底视图。图10a-c所示的金属箍设计具有部分半圆形底端横截面。然而该冲压系统也可制造完全圆形底端横截面的金属箍(如图11b所示)。冲头和模具530和560可以插入多个冲压台中的一个。一个毛坯材料带可一次生产两个半金属箍1130。每个半金属箍1130都带有缺口1140，用于将两个半金属箍1130装配在一起(例如在缺口1140处焊接)。每个半金属箍1130还包括用于放置光纤底端1120的槽1150。在图10a-c所示的实施例中，金属箍的尺寸为：底端横截面直径为2.5mm或1.25mm，对准槽的长度为10mm。应当知道，这些尺寸只是示例，也可以是其他尺寸。在另一站中，两个半金属箍1130可以装配起来，并与光纤对准，以准备进行激光焊接。Rofin公司制造的StarWeld 20激光焊机就是将激光脉冲加到要焊接零件的激光焊机的例子。除了进行焊接，激光系统还可以用来剥去纤维上涂层，以及准备纤维底端表面。当两个半金属箍1130在缺口1140处焊接在一起时，金属箍1110就牢固且精确地放置在光纤1120的底端了。金属箍1110可以固定如直径为0.125mm的纤维。

图11a表示用于生产一精压和焊接的金属箍1210的“两个向上形状的带状布局”设计1200。图11b是最终金属箍零件1210的透视图。冲压过程的序列包括连续的9个台(例如参照图2)，例如台1212-1220，序列是从台1212至台1220。台1212-1215用于形成工件的尺寸和形状。在台1216上做出槽。在台1217-1220中，纤维被放置在成形的槽上，并且将两个半金属箍叠在一起。图11b示出了纤维1225放在金属箍1210内。金属箍1210可以用于具有圆形横截面的开缝对准套筒(未示出)。此精压过程使得装配好的半金属箍完全将开缝对准套筒的结构圆环充满。开缝套筒是光纤连接转换器的一部分(未示出)，用于使两根纤维之间的连接可拆开(每根纤维放在一金属箍1210内)。

图12a示出了用于生产星形成形和定位焊接的金属箍1260的“带状布局”设计1250。冲压过程的工序包括10个台，例如台1310-1319，工序就是从台1310至台1319。在台1310-1312上，工件成形。在台1313-1319上，工作被叠成星形。图12b为包括星形金属箍1260的一组件透视图。图12c为沿图12b中线12c-12c剖开的组件剖视图。利用成形加工冲压金属箍1260，从而形成星形金属箍1260，在纤维1270上卷边并在接近点1280处定位焊接。金属箍1260可精确地装在开缝对准套筒1290内，达到低于微米级的公差，以达到低损失的纤维与纤维的连接。该金属箍的尺寸为：底端横截面直径为2.5mm或1.25mm，对准槽长度为10mm，设计成适合直径为0.125mm的纤维。然而应该知道该尺寸只是示例，也可以为其他尺寸。该金属箍有三个点1292，1293和1294，但可以设计成带有任何数目的点(包括两个点)。

利用精压和成形，该系统可用于生产金属箍。图13为利用精密模压和成形加工制造的半金属箍1300的横截面底视图。在这个实施例中，半金属箍半径形成时，利用精压过程形成对准槽。该设计可由“两个向上”的，利用激光焊接方法装配的方式制造。应当指出，虽然所示的是部分地完全圆形底端横截面，但金属箍可完全作成圆形的底端横截面并用激光焊接封闭(未示出)。

系统100可以用于生产同时连接多根纤维的多根纤维金属箍。图14为用于精压多根纤维半金属箍(未示出)的多根纤维金属箍冲头1350的横截面图。具体地说，冲头1350为12根纤维的金属箍冲头。当装配半金属箍时，两个大半圆形突出部分1360形成为销子导向的圆形槽。该销子在两个连接器连接时使纤维对准。这些销子的功能与单个纤维开缝套筒相同。当装配半金属箍时，标号为f₁-f₁₂的突出部分形成单根纤维圆形槽。在这个例子中有12根纤维。在此特定冲头上，纤维对准突出部分f₁-f₁₂的公差在与表面平行方向为±150nm，在与冲头1350表面垂直方向为±400nm。

冲压工具可被制成精确的公差。图3a所示的冲压台400由低于微米级的公差和表面光洁度的零件装配而成。由于冲头夹持器板410、模具板440和隔板420的最终质量，冲头夹持器板410和模具夹持器板440要在16个微弧度内平行。当有此程度的平行度时，冲头与模具的不对准小于200nm。

冲压台400，与12根纤维冲头1350(如图14所示)一起，可以用在开放模具结构中，用以精压由304号不锈钢坯料制成的多根纤维半金属箍。该坯料的尺寸大约为10×10×1mm。图17示出了12根纤维冲头的测量轮廓数据与精压的12根纤维零件样件的数据的叠加图形。线A表示冲头1350测量的轮廓数据，线B表示样件零件测量轮廓的数据。图18示出了在开放模具结构中，利用有限元分析(FEA)预测的304号坯料1365的充满情况。图18示出了当用多根纤维冲头1350冲压时，304号坯料1365的材料流动和坯料1365上的残余应力有限元分析。彩色图例的蓝色代表残余应力谱较低端，而红色代表该残余应力谱的较高端。如图17和18所示，冲头1350的图形在304号不锈钢坯料1365上的复现，与在开放模具中利用有限元分析(FEA)的仿真结果是一致的。图18中看到的导向销凹部1360的不完全充满与从开放模具预期的和根据实验得到的结果是一致的。图19示出了精压的12根纤维金属箍样件1370的三个纤维槽1367，1368和1369。图20示出了从三个304号不锈钢样件得到的相同纤维槽的测量轮廓数据和冲头1350上的该零件的测量轮廓数据的图形。线C-E代表三个样件的测量轮廓数据，线F代表冲头的测量轮廓数据。可以看出，槽的下部极好的成形，部分是因为周围材料提供的自然约束。图21示出了槽位置相对于三个不同样件冲压零件的平均位置的最大变化的图形。每一个冲压零件具有12个槽。图21示出了极好的部分对部分的重复性。沿X轴最大的槽位置相对于平均位置的公差为±160nm，沿Y轴的公差为±190nm，这表示超精密冲压过程能达到低于微米级公差。

图15为成形的多根纤维套筒1400的透视图。该套筒1400可以代替一般用于使两个多根纤维连接器对准的销子。如同圆筒形套筒/金属箍的情况一样，该多根纤维金属箍的外部尺寸必须与多根纤维套筒1400的内部尺寸匹配。为了保证纤维正确对准和减少光学损失，必须做到低于微米级的公差。

虽然参照优选实施例具体的说明了本发明，但技术熟练的人知道，在不偏离本发明的精神、范围和说明的条件下，形式和细节可作多种改变。技术经验丰富的人知道，包括本发明实质的系统也可用于生产要求低于微米级公差的其他零件。因此，这里所述的发明只是说明性的，其范围只受所附权利要求书的限制。

Claims (28)

1.生产零件的装置，包括：

包括具有互补关系的冲头和模具的工具；

支承该模具的模具夹持器；

冲头导向装置，其具有将冲头引导至模具的轴；其中轴的尺寸和形状可容纳冲头，并与冲头滑动接触；和

一接合系统，可机械地将压力机产生的力传递给冲头，而冲头在结构上与压力机分离。

2.如权利要求1所述的装置，其中模具夹持器包括一与冲头配合表面相对的、能容纳模具配合表面的腔。

3.如权利要求2所述的装置，还包括一支撑板，该板在该腔上面与模具夹持器连接，用于将模具固定在腔内。

4.如权利要求1所述的装置，还包括一个放置在模具夹持器和冲头导向装置之间的隔板，使在模具夹持器和冲头导向装置之间形成一工作空间，冲头可在该工作空间中与模具接合，以生产零件。

5.如权利要求4所述的装置，其中冲头导向装置、模具夹持器和隔板形成一单一结构。

6.如权利要求1所述的装置，其中冲头导向装置、模具夹持器和隔板形成一整体结构。

7.如权利要求1所述的装置，还包括沿压力机的冲击路径放置在压力机和冲头之间的一挡块，用于限制冲头经过轴的平移。

8.如权利要求1所述的装置，还包括沿冲头的冲击路径放置的一挡块，用于限制冲头经过轴的平移。

9.如权利要求8所述的装置，其中冲头包括一可与挡块接合的卡子，当该卡子与挡块接合时，挡块将限制冲头向模具进一步移动。

10.如权利要求1所述的装置，还包括与冲头连接的偏移装置，在压力机力作用下冲头向模具移动时，该偏移装置偏移；当压力机力去除时，该偏移装置可以使冲头离开模具。

11.生产零件的系统，包括：

包含压力机床身和压力机压头的压力机；

压力机床身上至少一个用于支承有互补关系的冲头和模具的冲压台，每一个冲压台包括：

支承模具的模具夹持器；

冲头导向装置，其具有引导冲头至模具的轴，其中轴的尺寸和形状可容纳冲头，并与冲头滑动接触；和

接合系统，可机械地将由压力机压头产生的力传递给冲头，而冲头在结构上与压力机分离。

12.如权利要求11所述的系统，其中接合系统包括一与冲头连接的球，和一与压力机压头连接的承窝，其中当球与该承窝接合时，压力机压头可以将其产生的力传递给冲头，但在结构上与冲头分离。

13.如权利要求11所述的系统，其中接合系统包括一与压力机压头连接的球，和一与冲头连接的承窝，其中当球与该承窝接合时，压力机压头可以将其产生的力传递给冲头，但在结构上与冲头分离。

14.如权利要求11所述的系统，其中接合系统包括：

与压力机连接的转换器板，该转换器板放置在冲头和压力机之间的轴内；其中该转换器板可以沿轴向着或偏离冲头纵向移动；和

将低压的液压流体供给轴的阀；

其中当转换器板向着冲头夹持器移动时，在冲头上产生一均匀单向的垂直力，使冲头向着模具运动。

15.如权利要求14所述的系统，其中阀放置在转换器板和冲头之间，当转换器板向着冲头移动，与该阀接合时，转换器板可以关闭该阀。

16.如权利要求15所述的系统，还包括与轴连接的一工作压力安全阀，用于主动控制冲头上生产零件的力。

17.如权利要求16所述的系统，还包括与轴连接的一停止压力安全阀，用于主动控制冲头上产生的最大力。

18.如权利要求14所述的系统，还包括放置在冲头和模具夹持器之间的一挡块块体，当冲头夹持器与挡块块体接触时，该挡块块体可以阻止冲头向模具夹持器的平移。

19.如权利要求18所述的系统，还包括放置在模具夹持器和挡块块体之间的一隔片，用于使挡块块体相对于模具夹持器定位。

20.如权利要求14所述的系统，其中接合系统还包括一与传动器板连接的球，和一与压力机压头连接的承窝，其中当球与该承窝接合时，压力机压头可以将其产生的力传递给传动器板，但在结构上与冲头分离。

21.如权利要求11所述的系统，还包括在工件进入冲压台之前，在一条线上加工工件的装置。

22.如权利要求11所述的系统，还包括一带有标记装置的定位底板，用于容纳冲压台和使冲压台相互对准。

23.如权利要求22所述的系统，其中标记装置包括在底板表面上加工出的槽。

24.生产公差在1000nm内零件的系统，包括：

具有压力机床身和压力机压头的压力机；

压力机床身上至少一个用于支承有互补关系的冲头和模具的冲压台，每一个冲压台包括：

支承模具的模具夹持器；

冲头导向装置，其具有引导冲头至模具的轴，其中轴的尺寸和形状可容纳冲头，并与冲头滑动接触；

接合系统，可机械地将由压力机压头产生的力传递给冲头，而冲头在结构上与压力机分离；

具有标记装置的定位底板，用于容纳冲压台和使冲压台相互对准；和

在进入冲压台之前在同一条线上加工工件的装置。

25.用于生产零件的方法，包括下列步骤：

提供生产公差在1000nm以内零件的冲压系统；和

使用冲压系统冲压零件。

26.利用权利要求25所述的方法生产的零件。

27.如权利要求26所述的零件，其中该零件为光电零件。

28.如权利要求27所述的零件，其中该光电零件的尺寸和形状可用于支承一条光纤。

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