установка для изготовления деталей, система для изготовления деталей, способ изготовления деталей и деталь, полученная упомянутым способом

Формула изобретения

1. Установка для изготовления деталей, содержащая устройство, включающее комплементарные пуансон и матрицу, приспособление, поддерживающее матрицу, устройство для направления пуансона, выполненное стационарным относительно указанного приспособления и снабженное стволом для направления пуансона относительно матрицы, причем пуансон и ствол выполнены с плоской поверхностью, ствол имеет размеры и форму, обеспечивающие размещение пуансона со скользящим контактом плоской поверхности пуансона и плоской поверхности ствола при отсутствии промежуточных подвижных деталей, и систему передачи, обеспечивающую механическую передачу усилия от пресса к пуансону, при этом пуансон отделен от ползуна и помещен в ствол до передачи усилия от ползуна.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что приспособление, поддерживающее матрицу, содержит гнездо для размещения соответствующих поверхностей матрицы и пуансона в ориентации напротив друг друга.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит опорную плиту, выполненную с возможностью прикрепления к приспособлению, поддерживающему матрицу, сверху от гнезда для удерживания матрицы в упомянутом гнезде.

4. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ограничитель, расположенный между приспособлением, поддерживающим матрицу, и направляющим устройством для пуансона с обеспечением рабочей зоны в виде пространства между приспособлением, поддерживающим матрицу, и направляющим устройством для пуансона, в котором пуансон входит в контакт с матрицей для изготовления детали.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что направляющее устройство для пуансона, приспособление, поддерживающее матрицу, и ограничитель образуют единую конструкцию.

6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что ограничитель содержит по меньшей мере две секции, поддерживающие направляющее устройство для пуансона с пуансоном между ними с исключением консольного поддерживания направляющего устройства относительно пуансона.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит стопорный механизм, расположенный между прессом и пуансоном по направлению удара пресса для ограничения поступательного движения пуансона в стволе.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит стопорный механизм, расположенный по направлению удара пуансона для ограничения поступательного движения пуансона в стволе.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что пуансон содержит фиксатор, приспособленный для контакта со стопорным механизмом с обеспечением при вхождении в упомянутый контакт ограничения стопорным механизмом дальнейшего поступательного движения пуансона по направлению к матрице.

10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит возвратные устройства, соединенные с пуансоном и имеющие возможность изгиба при поступательном движении пуансона по направлению к матрице под действием усилия пресса, при этом упомянутые возвратные устройства выполнены с возможностью перемещения пуансона в направлении от матрицы при прекращении действия приложенного усилия.

11. Система для изготовления деталей, содержащая пресс, включающий станину пресса и ползун, и по меньшей мере один штамповочный блок, поддерживаемый на станине пресса, причем каждый штамповочный блок содержит установку для изготовления деталей по п.1.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что система передачи содержит шар, соединенный с пуансоном или с ползуном, и гнездо, соединенное, соответственно, с ползуном или с пуансоном с обеспечением при вхождении шара в контакт с гнездом передачи упомянутыми шаром и гнездом усилия от ползуна пуансону, при этом ползун отделен от пуансона.

13. Система по п.11 или 12, отличающаяся тем, что система передачи содержит шар, соединенный с пуансоном или с ползуном, и гнездо, соединенное, соответственно, с ползуном или с пуансоном с обеспечением при вхождении шара в контакт с гнездом передачи ползуном усилия к пуансону, при этом ползун отделен от пуансона.

14. Система по п.11, отличающаяся тем, что система передачи содержит силовую плиту, соединенную с прессом и расположенную внутри ствола между пуансоном и прессом с возможностью поступательного движения по стволу по направлению к пуансону и от пуансона, и клапан для подачи в ствол рабочей жидкости под низким давлением, при этом силовая плита имеет возможность движения по направлению к пуансону с обеспечением действия на пуансон постоянной однонаправленной ортогональной силы для движения пуансона в сторону матрицы.

15. Система по п.14, отличающаяся тем, что клапан расположен между силовой плитой и пуансоном, при этом силовая плита имеет возможность закрывания клапана при вхождении в контакт с ним в процессе движения ее в сторону пуансона.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит соединенный со стволом редукционный клапан рабочего давления для регулировки силы давления на пуансон для изготовления детали.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что дополнительно содержит соединенный со стволом предохранительный клапан для регулировки максимальной силы давления на пуансон.

18. Система по п.14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ограничитель хода, расположенный между пуансоном и приспособлением, поддерживающим матрицу, и имеющий возможность предотвращения поступательного движения пуансона по направлению к приспособлению, поддерживающему матрицу, при контакте держателя пуансона с ограничителем хода.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ограничитель, расположенный между приспособлением, поддерживающим матрицу, и ограничителем хода для фиксации положения ограничителя хода относительно приспособления, поддерживающего матрицу.

20. Система по п.14, отличающаяся тем, что система передачи дополнительно содержит шар, присоединенный к силовой плите, и гнездо, соединенное с ползуном, с обеспечением при вхождении шара в гнездо передачи усилия силовой плите ползуном, который не связан с силовой плитой.

21. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства для поточной обработки заготовки до ее поступления в штамповочный блок.

22. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит базовую плиту, снабженную элементами для совмещения, приспособленными для размещения штамповочных блоков и выравнивания их относительно друг друга.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что элементы для совмещения включают желоба, выполненные на поверхности базовой плиты.

24. Система для изготовления деталей, имеющих допуски в пределах 1000 нанометров, содержащая систему для изготовления деталей по п.11, базовую плиту, включающую элементы для совмещения, приспособленные для размещения штамповочных блоков и выравнивания их относительно друг друга, и средства для поточной обработки заготовки до ее помещения в штамповочный блок.

25. Способ изготовления деталей, имеющих допуск в пределах 1000 нанометров, отличающийся тем, что детали изготавливают штамповкой в штамповочной системе.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что в качестве штамповочной системы используют систему для изготовления деталей по п.11.

27. Деталь, полученная способом по п.26.

28. Деталь по п.27, отличающаяся тем, что она является деталью для оптоэлектроники.

29. Деталь по п.28, отличающаяся тем, что деталь для оптоэлектроники имеет форму и размеры, обеспечивающие удерживание оптоволокна.

Описание изобретения к патенту

Область техники.

Данное изобретение относится к штамповочным системам и процессам, в частности к штамповочным процессам для изготовления деталей с высоким (жестким) допуском, предназначенных для различного применения, например, для соединения оптоволокон.

Уровень техники. Прецизионные элементы востребованы во многих видах деятельности, например, в области связи, основанной на использовании оптоволокна. Каналы волоконно-оптической связи представляют собой системы, которые зачастую выбирают и используют в системах защиты, а также в промышленности и коммерческом обороте вследствие их высокой эффективности и малого размера. Преимущества использования волоконной оптики, в частности, проявляются при ее применении для осуществления связи на большие расстояния, например, при использовании ее в линиях связи между городами и между континентами, вследствие более низкой стоимости компонентов для преобразования электрических сигналов в оптические и обратно в электрические (electrical-to-optical-to-electrical (Е-O-Е)), оптоволоконных репитеров и волоконно-оптических кабелей по сравнению с чисто электрическими системами, в которых используют коаксиальный медный кабель, что не требует применения Е-О-Е преобразований. Такие оптоволоконные системы дальней связи могут содержать сотни километров оптоволокна между терминалами.

Системы, предназначенные для использования на меньших расстояниях, обычно содержат лишь несколько десятков километров оптоволокна между терминалами, а системы, предназначенные для сверхмалых расстояний (very short reach, VSR), содержат всего лишь несколько десятков метров оптоволокна между терминалами. Несмотря на то, что оптоволоконные линии связи для телекоммуникаций и передачи данных в метро, общественных местах и дома являются короткими по сравнению с линиями для дальней связи, их великое множество. Количество компонентов, необходимых для размещения оптоволокна при таком использовании, велико. В таких системах, предназначенных для использования на коротких расстояниях, применение волоконной оптики в значительной степени зависит от стоимости Е-О-Е устройств (терминалов) преобразования и компоновки поддерживающих схем, а также от стоимости любых пассивных и активных оптоэлектронных устройств и оборудования, подключенных между терминалами. Поэтому для увеличения объемов применения активных и пассивных оптоэлектронных систем, подсистем и компонентов для малых и сверхмалых (VSR) расстояний их средние продажные цены должны быть снижены. Снижение средних продажных цен поможет стимулировать использование, что необходимо для обоснования инвестиций в высокоскоростные технологии производства.

Важным элементом, оказывающим влияние на цену как активных, так и пассивных оптоволоконных компонентов и соединенного с ними кабеля, является сам коннектор оптоволокон. Прецизионные манжеты и связанные с ними устройства для их совмещения (например, прецизионные разъемные муфты для соединения одиночных оптоволокон, прецизионные заземленные штифты для соединения множества (пучка) оптоволокон) вносят основной вклад в цену используемых в настоящее время оптоволоконных коннекторов. Выравнивающие (совмещающие) компоненты обычно необходимы для совмещения оптоволокон с активными и пассивными устройствами, а также для совмещения двух оптоволокон с целью создания разъемного соединения. Прецизионное выравнивание двух шлифованных концов оптоволокна необходимо для того, чтобы иметь уверенность в том, что полные оптические потери в месте соединения оптоволокна равны или меньше, чем заданный объем потерь оптического коннектора для системы. Для одномодового телекоммуникационного оптоволокна это обычно соотносится с допусками на совмещение (выравнивание) оптоволоконного коннектора, которые составляют менее 1000 нм. Базовая конструкция используемых в настоящее время коннекторов не менялась в течение более 20 лет, и мнение, что стоимость их слишком велика, а сборка слишком сложна, является общепринятым. Если предполагается использовать оптоволокно для связи на малых и сверхмалых (VSR) расстояниях, стоимость изготовления прецизионных оптоволоконных коннекторов должна быть снижена.

Коннекторы, используемые для соединения как параллельных, так и одиночных оптоволокон, работающие с мультигигабитными скоростями, должны быть соединены с подсистемами (субкомпонентами), изготовленными со субмикронной точностью. Изготовление деталей с такими уровнями точности является достаточно сложным, а для того, чтобы конечный продукт был экономически выгодным, он должен быть изготовлен полностью автоматизированным, очень высокоскоростным способом.

Процессы штамповки широко внедрены в процессы массового производства дешевых серийных деталей. Однако до сих пор процессы штамповки не были эффективными при изготовлении деталей с допусками, приемлемыми для оптоэлектронных компонентов. В действительности, в настоящее время не существует приемлемого высокоскоростного промышленного процесса, который позволил бы изготавливать оптоэлектронные компоненты с приемлемыми допусками. Патент США № 4458985 на имя Balliet и др. посвящен коннектору для оптоволокна. Balliet вкратце указывает, что некоторые компоненты коннектора могут быть изготовлены способом чеканки (ковки) или штамповки (например, колонка 3, строки 20-21, 55-57). Однако Balliet не приводит описания таких способов штамповки, которое позволило бы их осуществить, не говоря уже об описании способа штамповки для изготовления деталей с допуском в пределах 1000 нм.

Поэтому желательно иметь технологию производства, способную работать при очень больших скоростях и дающую возможность изготавливать детали с допусками в пределах 1000 нм, предназначенные для использования в оптоэлектронике и других областях.

Раскрытие изобретения

Данное изобретение относится к штамповочной системе и способу изготовления деталей с допусками менее 1000 нм. Изобретение особенно подходит для изготовления деталей для оптоэлектроники, включая, но не ограничиваясь только ими, компоненты, системы и подсистемы, пассивные и активные компоненты. Система содержит один или последовательность штамповочных блоков для поддержания пуансона и матрицы. Штамповочные блоки имеют новую конструкцию для направления пуансона при существенном выравнивании с матрицей с жесткими допусками. Система содержит пресс для подачи достаточной силы на штамповочные блоки для осуществления конкретной операции штамповки.

С одной стороны, система согласно данному изобретению разработана с целью минимизации количества движущихся компонентов, включенных в опорную конструкцию при направлении пуансона к матрице. В одном из вариантов выполнения данного изобретения штамповочный блок вообще не содержит движущихся компонентов в опорной конструкции при направлении пуансона к матрице. Штамповочный блок содержит стационарное опорное устройство для поддержания пуансона, снабженное стволом, размер и форма которого позволяют вмещать пуансон с жесткими допусками. Движение пуансона к матрице осуществляется посредством скольжения внутри ствола.

Согласно другому аспекту данного изобретения система содержит базовую (монтажную) плиту, имеющую элементы для совмещения, предназначенные для точного (прецизионного) совмещения последовательности штамповочных блоков по отношению друг к другу. Базовая (монтажная) плита и ее элементы для совмещения имеют жесткие допуски и субмикронную гладкость поверхности.

Согласно другому аспекту данного изобретения система содержит систему передачи для подачи силы пресса к пуансону при отсутствии структурной связи пресса с пуансоном. Система передачи также позволяет изолировать каждый штамповочный блок, так что работа на одном блоке не влияет на работу на другом блоке. В одном из вариантов выполнения изобретения система содержит комбинацию шара и гнезда, что позволяет прессу механически подавать силу к пуансону при отсутствии структурной связи пресса с пуансоном. Согласно другому варианту выполнения изобретения система содержит гидравлическую систему передачи. Рабочая жидкость гидравлической системы механически соединяет пресс с пуансоном и подает постоянную силу на пуансон при структурном отделении пресса от пуансона. Согласно еще одному варианту выполнения изобретения система содержит комбинацию шара и гнезда с гидравлическим приводом пуансона. Гидравлический привод позволяет структурно отделить пресс от пуансона, в то время как комбинация шар - гнездо способствует снижению структурной нагрузки на компоненты штамповочного блока. Структурное разъединение пресса и ультрапрецизионной инструментальной оснастки штамповочных блоков и инструментов приводит к тому, что погрешности пресса не влияют на ультрапрецизионную точность штамповочных блоков и инструментов.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания сущности и преимуществ изобретения, а также предпочтительного способа использования далее приведено подробное описание со ссылками на сопроводительные чертежи. На всех приведенных далее чертежах сходными цифрами обозначены одинаковые или аналогичные детали.

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее традиционный штамповочный пресс.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее систему для штамповки деталей, имеющих допуск ниже 1000 нм, согласно одному из вариантов выполнения данного изобретения.

Фиг.3а представляет собой общий вид штамповочного блока согласно одному из вариантов выполнения данного изобретения.

Фиг.3b представляет собой изображение разреза штамповочного блока, выполненного по линии 3b-3b, показанной на Фиг.3а.

Фиг.4 представляет собой общий вид штамповочного блока согласно другому варианту выполнения данного изобретения.

Фиг.5 представляет собой вид с пространственным разделением деталей (схему сборки) штамповочного блока, показанного на Фиг.4.

Фиг.6а представляет собой изображение разреза штамповочного блока, показанного на Фиг.4, выполненного по линии 6а-6а.

Фиг.6b представляет собой изображение разреза штамповочного блока, выполненного по линии 6b-6b, показанной на Фиг.4.

Фиг.7а представляет собой упрощенное изображение системы передачи, включенной в штамповочную систему по данному изобретению.

Фиг.7b представляет собой изображение разреза, иллюстрирующее зацепление шара и гнезда в системе передачи.

Фиг.8а представляет собой схематичное изображение штамповочного блока, содержащего гидравлическую систему передачи в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения.

Фиг.8b представляет собой схематичное изображение штамповочного блока, содержащего гидравлическую систему передачи, включающую в себя комбинацию шар-гнездо, в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения.

Фиг.9а представляет собой общий вид пуансона и матрицы, показанных на Фиг.4 и 5.

Фиг.9b представляет собой изображение с пространственным разделением деталей пуансона и матрицы, показанных на Фиг.9а.

Фиг.9с представляет собой разрез матрицы, выполненный по линии 9с-9с, показанной на Фиг.9а.

Фиг.10а представляет собой вид сзади конструкции для оптоэлектроники, изготовленной с помощью штамповочной системы по данному изобретению.

Фиг.10b представляет собой общий вид половины манжеты, изготовленной штамповкой с использованием пуансона и матрицы, показанных на Фиг.9а.

Фиг.10с представляет собой вид сзади половины манжеты, показанной на Фиг.10b.

Фиг.11а иллюстрирует конструкцию «полосковой геометрии» для изготовления штампованной и сваренной манжеты в «двойной конфигурации».

Фиг.11b представляет собой общий вид манжеты, полученной в конечном итоге с помощью конструкции «полосковой геометрии», приведенной на Фиг.11а.

Фиг.12а иллюстрирует конструкцию «полосковой геометрии» для изготовления манжеты звездообразной формы, прихваченной сваркой, расположенной в штампованной разъемной муфте.

Фиг.12b представляет собой общий вид конструкции, содержащей звездообразную манжету.

Фиг.12с представляет собой разрез конструкции, выполненный по линии 12с-12с, показанной на Фиг.12b.

Фиг.13 представляет собой поперечное сечение торца половины манжеты, изготовленной с помощью штамповки и формовки.

Фиг.14 представляет собой поперечное сечение пуансона для изготовления многожильной манжеты, использованного для штамповки половины многожильной манжеты.

Фиг.15 представляет собой общий вид многожильной муфты, содержащей многожильную манжету.

Фиг.16 представляет собой вид сверху базовой (монтажной) плиты.

Фиг.17 представляет собой график, показывающий измеренные профильные характеристики 12-волоконного пуансона, наложенные на данные, полученные для образца штампованной детали.

Фиг.18 представляет собой схематичное изображение, показывающее заполнение заготовки 304 в конфигурации открытой матрицы, спрогнозированное с помощью конечно-элементного анализа (Finite Element Analysis, FEA).

Фиг.19 представляет собой фотографию, показывающую три желоба для оптоволокон штампованного образца 12-жильной манжеты.

Фиг.20 представляет собой график, иллюстрирующий измеренные профильные данные того же желоба для оптоволокна для трех образцов нержавеющей стали 304 и измеренные профильные данные этой части пуансона.

Фиг.21 представляет собой график, иллюстрирующий максимальный разброс положения желоба относительно среднего положения для трех различных образцов штампованных деталей.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Ниже изобретение раскрыто на примерах различных вариантов его выполнения со ссылками на чертежи. Несмотря на то, что изобретение раскрыто на примерах тех вариантов его выполнения, которые являются лучшими для достижения целей изобретения, специалисты должны принимать во внимание, что, не выходя за рамки духа и сущности изобретения, в него могут быть внесены различные изменения.

Данное изобретение относится к системе штамповки и способу изготовления деталей с допусками менее 1000 нанометров (нм). Система и способ по данному изобретению особенно подходят для изготовления деталей для оптоэлектроники, включая, но не ограничиваясь только ими, оптоэлектронные компоненты, системы и подсистемы, а также активные и пассивные компоненты. Для иллюстрации принципов данного изобретения, но не с целью его ограничения, изобретение описано на примерах вариантов выполнения, относящихся к процессам штамповки для изготовления оптоэлектронных компонентов, в частности, коннекторов для оптоволокон, таких, как манжеты и разъемные муфты.

Традиционный способ штамповки

Для получения целостной картины следует начать с краткого описания традиционного способа штамповки. Штамповка представляет собой производственный процесс, при котором заготовку, такую, как металлическая полоса, сдавливают между комплектом штампа (матрицей и пуансоном), в результате чего получают изделие заданной формы или обладающее заданным рельефом поверхности. Инструментами, используемыми в процессе штамповки, являются штамповочные прессы и штампы. На Фиг.1 приведено схематичное изображение, иллюстрирующее традиционный штамповочный пресс 10. Штамповочный пресс 10 содержит бабу 20 пресса и станину 30 пресса. Баба 20 пресса подает необходимую силу для штамповки заготовки посредством перемещения компонентов штампа относительно друг друга. Стрелкой показано действие удара бабы 20 пресса, движущейся вверх и вниз относительно станины 30 пресса. Однако баба пресса может иметь другие направления удара (не показаны). Компоненты 40 штампа, расположенные между бабой 20 пресса и станиной 30 пресса, являются инструментом, используемым для изготовления штампованных деталей. Компоненты 40 штампа содержат пуансон 50, структурно связанный с бабой 20 пресса, и комплементарную матрицу 60, присоединенную к станине 30 пресса, или компоненты могут быть присоединены наоборот. Штамповочный пресс 10 может содержать накладной лист 65, прикрепленный к верхней части станины 30 пресса для присоединения матрицы 60 к станине 30. Пуансон 50 и матрица 60 выровнены относительно друг друга (соосны), так что при движении бабы 20 пресса в сторону станины 30 пресса пуансон 50 и матрица 60 действуют комплементарно для осуществления требуемой операции с заготовкой.

При осуществлении операции штамповки заготовку 70 располагают между пуансоном 50 и матрицей 60. Когда пресс 10 приводят в действие, баба 20 пресса перемещает пуансон 50 по направлению к матрице 60. Перемещение пуансона направляют в сторону матрицы с помощью направляющих и втулок (не показаны) и бабы 20 пресса. Когда пуансон 50 и матрица 60 сходятся друг с другом, заготовка 70, расположенная между пуансоном 50 и матрицей 60, подвергается штамповке. С помощью конструкции штампа можно осуществлять различные операции с заготовкой, такие как резка и придание формы, например, перфорирование, вытягивание, сгибание, загибание кромки и окантовка.

Несколько потенциально возможных факторов могут приводить к неточному совмещению пуансона 50 и матрицы 60. Регулировка (соосность) пресса может быть нарушена. Вследствие того, что пуансон 50 структурно связан с бабой 20 пресса, отклонение оси бабы 20 пресса также влияет на выравнивание (соосность) пуансона 50 и матрицы 60. Кроме того, со временем втулки могут подвергнуться износу, и зазор между втулками и направляющими увеличится, что приведет к неточному совмещению пуансона и матрицы.

В патенте США № 6311597 В1 описана конструкция комплексной штамповочной системы, в которой использован стриппер в качестве направляющей и гнездо матрицы в качестве направляющей втулки. Втулка штампа косвенно направляет пуансон к матрице посредством прямого направления системы, поддерживающей пуансон. Узел пуансона включает в себя пуансон, закрепленный в держателе штампа, и стриппер- направляющую с сепаратором шарикоподшипника, установленный на держателе пуансона. Гнездо матрицы направляет стриппер-направляющую, за счет чего опосредованно направляет пуансон.

Такая сложная конструкция имеет предрасположенность к нарушению соосности пуансона и матрицы. Дня того, чтобы пуансон был выровнен (совмещен) с матрицей, критичным является крепление пуансона соосно с держателем пуансона, а также крепление стриппера соосно с держателем пуансона. Любое нарушение соосности при сборке (монтаже) этих компонентов приведет к нарушению соосности пуансона и матрицы. В такой конструкции при направлении пуансона к матрице также используют, по крайней мере, один движущийся компонент, что может увеличить вероятность нарушения соосности. Узел пуансона движется внутри гнезда матрицы для направления пуансона к матрице. Любое незначительное внеосевое движение узла пуансона внутри гнезда матрицы приведет к нарушению соосности пуансона и матрицы. Использование в конструкции сепаратора шарикоподшипника приводит к еще большему увеличению вероятности нарушение соосности. Шарикоподшипники, просто в силу своей конструкции, создают возможность внеосевого движения стриппера внутри гнезда матрицы, что приводит к потенциальной возможности нарушения соосности пуансона и матрицы.

Заданный допуск

Как уже было указано выше, штамповочная система и способ по данному изобретению позволяют изготавливать детали с «шесть сигма» («six sigma») геометрическим полем допуска 1000 нм. Статистически это означает, что максимум 3.4 детали на миллион не будут соответствовать требованиям соблюдения размеров, заданным 1000 нм полем допуска. В случае нормального распределения, для того чтобы удовлетворять условиям «шесть сигма» процесса, стандартное отклонение полного цикла должно быть меньше или равно 83 нм [(1000 нм/2)/6=83 нм], при условии, что в среднем процесс остается постоянным. На практике следует сделать допуск на отклонение процесса. В том случае, когда принимают, что отклонение процесса в среднем составляет ±1.5· sigma, максимальное стандартное отклонение будет уменьшено до 67 нм [(1000 нм/2)/7.5=67 нм]. В рамках нормальной статистики, для достижения этого в многостадийном процессе с n прецизионными стадиями каждая из n стадий должна удовлетворять условию sigma/n^0,5. Таким образом, если в этом примере n равно 4, то сигма (на каждой стадии) должна быть меньше или равна 33 нм.

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ШТАМПОВОЧНОЙ СИСТЕМЕ

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее систему 100 согласно одному из вариантов выполнения данного изобретения для штамповки компонентов для оптоэлектроники (штамповочную систему), имеющих допуски менее 1000 нм. Штамповочная система 100 содержит приспособления 150 для обработки в пределах одной линии (поточной обработки) заготовок (исходного материала), штамповочный пресс 200, один или последовательность штамповочных блоков 250, и базовую (монтажную) плиту 300 для штамповочного блока.

Поточная механическая обработка заготовок

Штамповочная система 100 может содержать приспособления (устройства) 150 для поточной обработки материала 110 в заготовки, имеющие заранее заданные размеры и качество поверхности. Например, Moore Nanotechnology Systems (Системы Нанотехнологий Мура) разработали механические станки, в которых используют масляные гидростатические подшипники с жидкостным охлаждением, обладающие запрограммированным разрешением 10 нм, точностью движения 50 нм и разрешением обратной связи 8.6 нм. Такие механические станки могут быть адаптированы для поточной обработки исходного материала 110 по мере того, как его подают из разматывателя, и до того, как он поступает в штамповочные блоки 250. Такая обработка дает гарантию, что, когда исходный материал или заготовка попадает в штамповочные блоки 250, он будет зафиксирован в каждом штамповочном блоке с субмикронной прецизионной точностью, необходимой для изготовления компонентов для оптоэлектроники, имеющих допуск менее 1000 нм.

Штамповочный пресс

Штамповочная система 100 содержит штамповочный пресс или специально приспособленный быстродействующий источник силы 200 для приведения в действие штамповочных блоков 250. Штамповочный пресс 200 может представлять собой любой традиционный штамповочный пресс, известный из уровня техники (например, гидравлический, электромеханический и пр.), который способен поддерживать и подавать на штамповочные блоки 250 необходимую силу для осуществления конкретной операции штамповки. Штамповочный пресс 200 содержит бабу 210 пресса и станину 220 пресса. Как будет более подробно показано ниже, штамповочные блоки 250 расположены между бабой 210 пресса и станиной 220 пресса. Станина 220 пресса поддерживает штамповочные блоки 250, а баба 210 пресса подает на них необходимую силу для осуществления операций штамповки. Хорошо известно, что штамповочные прессы могут осуществлять ударное воздействие со скоростью более 1000 ударов в минуту. Кроме того, штамповочная система может содержать более одного штамповочного пресса для подачи силы на штамповочные блоки.

Штамповочный блок - первый вариант выполнения

Фиг.3а представляет собой общий вид штамповочного блока 400 согласно одному из вариантов выполнения данного изобретения. Фиг.3b представляет собой изображение разреза штамповочного блока, выполненного по линии 3b-3b, показанной на Фиг.3а. Штамповочный блок 400 содержит устройство для поддержания комплекта штампа (пуансона и матрицы) и для непосредственного направления пуансона к матрице. Штамповочный блок 400 содержит стационарную плиту 410, поддерживающую пуансон, служащую опорой пуансону 420, а также плиту 440, поддерживающую матрицу, которая служит опорой для матрицы 450. Плита 410, поддерживающая пуансон, служит для выравнивания и для непосредственного направления пуансона 420 к матрице 450. Плита 410, поддерживающая пуансон, снабжена стволом 430, размер и форма которого позволяют вмещать с возможностью скольжения и направлять пуансон 420 к матрице 450. Ствол 430 позволяет пуансону 420 поступательно перемещаться и проходить сквозь плиту 410, поддерживающую пуансон, находясь в скользящем контакте со стволом 430. Ствол 430 выравнивает пуансон 420 по отношению к матрице 450, направляя пуансон 420 к заготовке 455 и матрице 450. Плита 440, поддерживающая матрицу, также способствует выравниванию матрицы 450 по отношению к пуансону 420. Матрица 450 прочно зафиксирована (выровнена) на плите 440, поддерживающей матрицу, таким образом, что, когда пуансон 420 проходит по стволу 430 по направлению к плите 440, поддерживающей матрицу, пуансон 420 комплементарно сближается с матрицей 450 для осуществления операции с заготовкой 455.

Рабочая зона 460 между плитами 410 и 440, поддерживающими соответственно пуансон и матрицу, задана посредством введения ограничителей (разделителей) 470 между плитами 410 и 440. Рабочая зона 460 представляет собой то пространство, где осуществляются операции штамповки. Заготовку 455 помещают в рабочую зону 460, где ее штампуют для осуществления с ней нужной операции, например, для получения нужной формы детали. Рабочая зона 460 имеет достаточную площадь, чтобы вместить пуансон 420 и матрицу 450, заготовку и конечную штампованную деталь. Специалистам понятно, что размеры ограничителей (разделителей) 470 могут быть различными. В частности, толщина ограничителей 470 может меняться таким образом, чтобы обеспечить требуемые размеры рабочей зоны 460.

Штамповочный блок 400 содержит ограничитель хода 480 для обеспечения безопасной остановки бабы 210 пресса (показано на Фиг.2). Ограничитель хода 480 расположен между бабой 210 и верхней поверхностью плиты 410, поддерживающей пуансон. Когда бабу 210 приводят в движение относительно блока 400, ограничитель хода 480 входит в контакт с бабой 210 для предотвращения дальнейшего прохождения пуансона 420 в штамповочном блоке 400. Ограничитель хода 480 контролирует глубину прохождения пуансона 420 в штамповочном блоке 400. Глубину прохождения можно контролировать, изменяя толщину ограничителя хода 480. Для специалистов понятно, что ограничитель хода 480 может быть выполнен из любого материала, имеющего достаточную прочность, чтобы противостоять повторяющемуся ударному воздействию бабы 210. Более того, ограничитель хода 480 может иметь любую конфигурацию, которая позволяет контролировать глубину прохождения пуансона 420.

Пуансон 420 может быть соединен с пружинами 490 или другими возвратными устройствами для возвращения пуансона 420 в исходное (открытое) положение. Когда пуансон 420 совершает движение по направлению к матрице 450, пружины 490 изгибаются. Когда сила, прикладываемая бабой 210, исчезает, пружины 490 перемещают пуансон 420 в направлении от матрицы 450.

При сборке (монтаже) штамповочного блока 400 плиту 410, поддерживающую пуансон, монтируют на плите 440, поддерживающей матрицу, с ограничителями (разделителями) 470, расположенными между плитами 410 и 440. Затем на верхнюю поверхность плиты 410, поддерживающей пуансон, устанавливают ограничитель хода 480. Для соединения компонентов штамповочного блока 400 могут быть использованы крепежные элементы, известные из уровня техники. Например, для скрепления друг с другом компонентов штамповочного блока 400 могут быть выполнены отверстия 485 для размещения в них болтов (не показаны). Будучи соединенными вместе, компоненты штамповочного блока 400 создают единую конструкцию.

Штамповочный блок - второй вариант выполнения

Фиг.4 представляет собой общий вид штамповочного блока 500 согласно другому варианту выполнения данного изобретения. На Фиг.5 показан штамповочный блок 500, приведенный на Фиг.4, с пространственным разделением деталей. Фиг.6а и 6b представляют собой вид в разрезе штамповочного блока 500, показанного на Фиг.4, выполненном соответственно по линиям 6а-6а и 6b-6b. Штамповочный блок 500 содержит стационарную монолитную конструкцию держателя 510 комплекта штампа, поддерживающую комплект штампа (пуансон и матрицу). Держатель 510 комплекта штампа содержит секцию 520 поддержки пуансона, предназначенную для поддержания и направления пуансона 530. Секция 520 поддержки пуансона снабжена стволом 540, размер и форма которого позволяют вмещать с возможностью скольжения и поддерживать пуансон 530. Ствол 540 показан на Фиг.6. Ствол 540 позволяет пуансону 530 поступательно перемещаться и проходить через держатель 510 комплекта штампа. Пуансон 530 скользит внутри ствола 540 в контакте с ним. Ствол 540 способствует выравниванию пуансона 530 относительно матрицы, направляя пуансон 530 к заготовке 595 (показана на Фиг.5) и матрице. Держатель 510 комплекта штампа также содержит секцию 550 поддержки матрицы для поддержания матрицы 560. Матрица 560 содержит вставки 562, 563 и 564 матрицы. Вставки 563 и 564 матрицы входят соответственно в гнезда 565 и 566. Секция 550 поддержки матрицы содержит гнездо 570 (показано на Фиг.6а и 6b) для размещения в нем матрицы 560. Гнездо 570 имеет такой размер и форму, чтобы в него прецизионно поместилась и плотно вошла матрица 560. Опорная плита 580 предназначена для закрепления матрицы 560 в гнезде 570. Когда матрица 560 входит в гнездо 570, опорную плиту 580 прикрепляют к нижней части держателя 510 комплекта штампа для закрепления матрицы 560 в гнезде 570. Матрица 560 жестко закреплена (выровнена) в секции 550 поддержки матрицы таким образом, что, когда пуансон 530 проходит через ствол 540 по направлению к матрице 560, он (пуансон) приближается к матрице 560 комплементарным образом для осуществления операции с заготовкой 595. Рабочая зона 590 задана между секциями 520 и 550 поддержки пуансона и матрицы. Рабочая зона 590 представляет собой пространство, в котором осуществляются операции штамповки. Заготовку 595 помещают в рабочую зону 590, где ее штампуют для осуществления с ней желаемой операции. Рабочая зона 590 обладает достаточной площадью, чтобы вместить пуансон 530 и матрицу 560, заготовку 595 и конечную штампованную деталь (не показана).

Штамповочный блок 500 содержит ограничитель хода 600 для обеспечения безопасной остановки бабы 210 (показана на Фиг.2). Ограничитель хода 600 расположен между бабой 210 пресса и верхней поверхностью держателя 510 комплекта штампа. Ограничитель хода 600 контролирует глубину прохождения пуансона 530 в штамповочном блоке 500. Пуансон 530 может быть соединен с пружинами 610 или другими возвратными устройствами для возврата пуансона 530 в исходное (открытое) положение. Когда пуансон 530 совершает движение по направлению к матрице 560, пружины 610 изгибаются. Когда сила, прикладываемая бабой 210 пресса, исчезает, пружины 610 перемещают пуансон 530 в направлении от матрицы 560.

Штамповочный блок 500 также содержит выталкиватель 612 для выталкивания штампованной детали 595 из матрицы 560 после осуществления операции штамповки. Выталкиватель 612 содержит подъемный механизм 614 и пружину 616 или другие возвратные устройства. Как будет более подробно показано ниже, выталкиватель 612 расположен внутри полой части вставки 562 матрицы, так что подъемный механизм 614 способен входить в контакт со штампованной деталью 595 через полую часть вставки 562 матрицы.

В варианте выполнения штамповочного блока 400, показанном на Фиг.3, плиты 410 и 440, поддерживающие пуансон и матрицу, монтируют вместе для создания единой структуры для поддержания пуансона 420 и матрицы 450. В варианте выполнения штамповочного блока 500, показанном на Фиг.4, структуры для поддержания пуансона 530 и матрицы 560 выполнены монолитными. Держатель 510 комплекта штампа становится более жесткой и стабильной конструкцией, что позволяет ему более точно направлять пуансон 530 к матрице 560.

Штамповочный блок - третий вариант выполнения

Фиг.8а представляет собой схематичное изображение штамповочного блока 800 согласно другому варианту выполнения данного изобретения. Штамповочный блок 800 содержит плиту 850, поддерживающую матрицу, для поддержания матрицы 840 и ствол 810 для поддержания и направления пуансона 860 к матрице 840. Ствол 810 имеет размер и форму, позволяющие вмещать с возможностью скольжения и поддерживать пуансон 860, который поступательно перемещается по стволу 810 по направлению к матрице 840 и от нее. Ствол 810 способствует выравниванию пуансона 860 по отношению к матрице 840, направляя пуансон 860 к матрице 840. Регулируемые механические стопорные механизмы 880 расположены на пути приложения ударного воздействия пуансона 860 для ограничения поступательного движения пуансона 860 по направлению к матрице 840. Пуансон 860 снабжен фиксатором (приспособлением для поддерживания) 830, который может входить в контакт со стопорными механизмами 880 для ограничения дальнейшего поступательного движения пуансона 860 по направлению к матрице 840. Для регулировки положения механических стопорных механизмов 880 относительно фиксатора 830 предусмотрен ограничитель 895. Ограничитель 895 может представлять собой угловой клин и может завинчиваться для микрометрической регулировки.

Система передачи

Штамповочная система 100 содержит систему передачи 700, которая механически передает силу от пресса 200 на штамповочный блок 250 (схематично показано на Фиг.2), но структурно разделяет пресс 200 и штамповочный блок 250. Фиг.7а представляет собой упрощенное изображение системы передачи 700, входящей в штамповочную систему 100 по данному изобретению. Как уже было сказано выше, штамповочный пресс 200 способен подавать необходимую силу на штамповочный блок 250 для осуществления операций штамповки. Силу подают на штамповочный блок 250 через систему передачи 700. В одном варианте выполнения изобретения система передачи 700 представляет собой комбинацию шара и гнезда. Пуансон 710 снабжен шаром 720, а баба 210 снабжена гнездом 730 для шара. В альтернативном варианте крепежная плита (не показана), присоединяемая к бабе 210, может быть снабжена гнездом для шара. Когда баба 210 входит в контакт с пуансоном 710, шар 720 входит в контакт с гнездом 730 для шара. На Фиг.7b показан шар 720, находящийся в контакте с гнездом 730. Система передачи 700 способствует передаче силы от штамповочного пресса 200 к штамповочному блоку 250. Система передачи 700 также позволяет структурно разъединить штамповочный блок 250 и штамповочный пресс 200. Ни один из компонентов штамповочного блока 250 не присоединен напрямую или скреплен болтами с бабой 210. В результате, неточности пресса 200 не влияют на работу штамповочного блока. Традиционные штамповочные прессы в принципе не изготавливают с жесткими допусками. Более того, высокоскоростные процессы, осуществляемые с прикладыванием больших сил, имеют тенденцию приводить к возникновению вибраций и изменению размеров. При структурном разделении пресса 200 и штамповочных блоков 250, изменение размеров в прессе 200 не оказывает влияние на ультра прецизионные штамповочные блоки 250 и вставки комплекта штампа. Пресс 200 может быть просто высокоскоростным периодическим источником силы, сконструированным с относительно большими допусками и подающим силу на ультра прецизионные инструменты и матрицы штамповочных блоков 250. Специалистам в данной области техники должно быть известно, что комбинация шара и гнезда может быть скомпонована в обратном порядке, так, чтобы пуансон был снабжен гнездом, а баба пресса была снабжена шаровым шарнирным соединением.

Согласно Фиг.8а, на которой показан альтернативный вариант выполнения изобретения, система 100 может содержать гидравлическую систему передачи для передачи силы пресса на штамповочный блок 800. Система передачи содержит силовую плиту 820, расположенную внутри ствола 810 в его конце между бабой пресса и плитой, поддерживающей пуансон. Силовая плита 820 также способна совершать поступательное перемещение внутри ствола. Ствол 810 снабжен клапаном 870, расположенным между силовой плитой 820 и плитой 830, поддерживающей пуансон, для подачи в ствол 810 рабочей жидкости под низким давлением.

В рабочем режиме через клапан 870 в ствол 810 подают рабочую жидкость под низким давлением. Баба 210 пресса оказывает давление на силовую плиту 820 через ствол 810 до тех пор, пока силовая плита 820 не закроет клапан 870. Как только клапан 870 закрывается, давление жидкости в стволе 810 увеличивается, что приводит к возникновению силы, действующей на плиту 830, поддерживающую пуансон, так что плита 830, поддерживающая пуансон, и пуансон 860 приходят в движение. Сила, действующая на плиту 830, поддерживающую пуансон, является в основном постоянной.

Вектор силы является однонаправленным и ортогональным по отношению к верхней поверхности плиты, поддерживающей пуансон.

Гидравлическая система передачи может также содержать комбинацию шара и гнезда. На Фиг.8b приведено схематичное изображение гидравлической системы передачи, содержащей комбинацию шара и гнезда. Силовая плита 820 может быть снабжена шаром 920, а баба 210 может быть снабжена гнездом 930, или наоборот. Когда баба 210 входит в контакт с силовой плитой 820, шар 920 входит в контакт с гнездом 930. Использование шара 920 и гнезда 930 обеспечивает дополнительные преимущества с точки зрения минимизации структурной нагрузки на компоненты штамповочного блока. Использование гидравлического привода приводит к тому, что направление силы, приложенной к пуансону 860, не зависит от направления силы, возникающей вследствие действия бабы 210. Использование комбинации шара 920 и гнезда 930 снижает деформацию, вносимую в систему, связанную с гидравлическим механизмом, такую как силовая плита 820 и пуансон 210, путем сдвига и отклонения сил, возникающих вследствие разрегулированности (несоосности) пресса.

Система передачи способствует передаче силы от штамповочного пресса 200 к штамповочному блоку. Система передачи также позволяет структурно разъединить штамповочный блок и штамповочный пресс 200. Пружины 910, соединенные с плитой 830, поддерживающей пуансон, могут переместить плиту 830, поддерживающую пуансон, в обратном направлении, от матрицы 840.

Комплект штампа

Фиг.9а представляет собой общий вид пуансона 530 и матрицы 560, показанных на Фиг.4 и 5. Пуансон 530 и матрица 560 состоят из блоков, имеющих определенную форму поверхностей, штырей, пуансонов, кулачков, датчиков и других элементов. Эти штамповочные устройства спроектированы и изготовлены с допусками менее 500 нм, что позволяет прецизионно устанавливать пуансон 530 и матрицу 560 в штамповочных блоках 250. Пуансон 530 и матрица 560 могут быть сконструированы таким образом, чтобы они были взаимозаменяемыми для различных штамповочных блоков. На Фиг.9b приведено объемное изображение пуансона 530 и матрицы 560, показанных на Фиг.9а, с пространственным разделением деталей. Матрица 560 содержит вставки 562, 563 и 564 матрицы (вставки 563 и 564 матрицы показаны не в масштабе). Вставки 563 и 564 матрицы помещены в гнезда (пазы) 565 и 566 во вставке 562 матрицы. Фиг.9с представляет собой вид в разрезе матрицы 560, выполненном по линии 9с-9с, показанной на Фиг.9а. Матрица 560 имеет поверхность 1020 определенной формы и содержит полую часть 1030, задающую отверстие 1025 на поверхности 1020. Подъемный механизм 614 и пружина 616 расположены внутри полой части 1030. Если штампованная деталь (не показана) после завершения операции штамповки все еще соединена с матрицей 560, подъемный механизм 614 и пружина 616 способны вытолкнуть ее (деталь) в направлении от поверхности 1020. Подъемный механизм 614 способен входить в контакт со штампованной деталью через отверстие 1025.

Последовательность

Возвращаясь к рассмотрению Фиг.2, нужно отметить, что штамповочная система 100 способна обслуживать последовательность штамповочных блоков 250. Например, на Фиг.2 показана система 100, обслуживающая три штамповочных блока 260, 261 и 262. Последовательность штамповочных блоков 250 работает так же, как и традиционный штамп последовательного действия, в котором каждый из штамповочных блоков 260, 261 и 262 выполняет отдельную штамповочную операцию. Последовательность штамповочных блоков 250 позволяет системе 100 придавать заготовке множество свойств (качеств) одновременно при каждом воздействии штамповочного пресса 200. Система 100 содержит базовую (монтажную) плиту 300, расположенную на станине 220 пресса, предназначенную для прецизионного выравнивания штамповочных блоков 250 относительно друг друга. На Фиг.16 показан вид сверху базовой (монтажной) плиты 300 согласно данному изобретению. Базовая (монтажная) плита 300 снабжена элементами 310 для совмещения для установки штамповочных блоков 250 с субмикронной точностью относительно друг друга. В одном варианте выполнения данного изобретения элементами 310 для совмещения могут быть прецизионно выполненные пазы или прорези 320 на одной из поверхностей монтажной плиты. Пазы 320 имеют прецизионные размеры и форму для совмещения с основанием штамповочных блоков 250. Базовая (монтажная) плита 300 прецизионно устанавливает штамповочные блоки 250 относительно друг друга с субмикронной точностью посредством фиксации штамповочных блоков 250 в пазах 320. В зависимости от конкретного применения можно использовать большее количество (больше одной) базовых (монтажных) плит, выровненных относительно друг друга. Базовая (монтажная) плита или, если нужно, плиты 300 и их элементы 310 для совмещения могут быть изготовлены с использованием прецизионного механического станка, такого, как, например, FV-500 производства Moore Nanotechnology Systems, который может обработать базовую (монтажную) плиту 300 таким образом, чтобы ее поверхности были плоскими и параллельными с шероховатостью поверхности 10 нм или менее.

Регулирование с обратной связью

Возвращаясь к рассмотрению Фиг.2, нужно отметить, что система 100 может содержать автоматический контроллер (регулятор с активной обратной связью) 350 для осуществления постоянного мониторинга и регулировки различных параметров системы 100. Например, контроллер 350 может быть разработан таким образом, чтобы контролировать и регулировать силу, подаваемую на штамповочный блок 800, показанный на Фиг.8а. Предусмотрены редукционный клапан рабочего давления 890 для контроля возникающей силы и предохранительный клапан 900 для того, чтобы свести к минимуму вероятность повреждения штамповочного блока 800. Редукционный клапан рабочего давления 890 может быть клапаном малого потока с хорошей точностью регулировки давления. Клапан 890 устанавливают на давление, необходимое для получения требуемой силы, которую можно вычислить согласно уравнению: Поверхность гидравлического привода × Давление = Сила. Предохранительный клапан 900 может быть клапаном большого расхода (потока) с запаздыванием перекрывания, и он может быть установлен на значительно более высокое давление, чем давление клапана 890. Редукционный клапан рабочего давления 890 и предохранительный клапан 900 могут быть механическими клапанами или клапанами электромеханического типа для уменьшения времени отклика. Когда пуансон 860 ударяет по заготовке, давление жидкости возрастает до давления, требуемого для осуществления штамповки, и редукционный клапан рабочего давления 890 открывается. Рабочее давление сохраняется (поддерживается). Когда плита 830, поддерживающая пуансон, ударяет по стопорным механизмам 880, давление в камере 810 возрастает с практически ничтожным смещением плиты 830, поддерживающей пуансон. Затем открывается предохранительный клапан 900 и давление падает. Баба 210 начинает движение вверх, и штамповочный блок 800 вновь возвращается в исходное положение.

Контроллер (регулятор) 350 может содержать сенсоры (датчики) различных типов, хорошо известные из уровня техники, такие как механические, электрические и оптические сенсоры. Сенсоры могут входить в состав комплектов штампов, заготовки и других компонентов системы. Контроллер 350 может быть сконструирован таким образом, чтобы осуществлять контроль за допусками заготовки и регулировать параметры, такие, как выравнивание (сохранение соосности) пуансона и матрицы, выравнивание заготовки относительно комплекта штампа, скорость оказания ударного воздействия пуансона и бабы пресса, в ответ на измеренные характеристики таким образом, чтобы получить нужные характеристики допусков для готовых деталей, изготовленных с помощью штамповочной системы 100.

Анализ конструкций

Сохранение достаточной соосности пуансона и матрицы является важным фактором при изготовлении деталей с допусками менее 1000 нм. Конструкция штамповочных блоков способствует выравниванию пуансона и матрицы за счет создания простой и в значительной степени жесткой конструкции для направления пуансона к матрице. В вариантах выполнения штамповочных блоков конструкции для направления пуансона к матрице являются стационарными, и они не содержат подвижных компонентов, вовлеченных в направление пуансона к матрице. Пуансон направляют непосредственно к матрице при помощи ствола. Посредством минимизации количества подвижных компонентов, вовлеченных в направление пуансона к матрице, число потенциальных причин нарушения соосности также сведено к минимуму. По сравнению со штамповочной системой, раскрытой в патенте США № 6311597 В1, в которой используют, по крайней мере, один подвижный компонент для направления пуансона к матрице (т.е. узел пуансона, движущийся внутри гнезда матрицы), система по данному изобретению сконструирована таким образом, чтобы еще в большей степени свести к минимуму возможность потенциального нарушения соосности. Кроме того, жесткость штамповочного блока способствует выравниванию пуансона и матрицы. Конструкции, поддерживающие комплект штампа, изготовлены из высокопрочных материалов, таких как карбид вольфрама, и выполнены в виде единой конструкции (как показано на Фиг.3) или в виде монолитной конструкции (как показано на Фиг.4). Конструкция держателя пуансона разработана как устройство с субмикронными допусками (например, 150 нм) и гладкостью поверхности (например, с глубиной микронеровностей поверхности 10 нм или менее). В результате зазор между стволом и пуансоном является очень небольшим, что дает стволу возможность жестко поддерживать пуансон. Субмикронная гладкость поверхности ствола позволяет пуансону осуществлять плавное (равномерное) поступательное движение в стволе, что снижает износ пуансона и вероятность нарушения соосности.

Структурное разъединение пресса и инструментальной оснастки также вносит свой вклад в возможность использования штамповочной системы для изготовления деталей, имеющих допуски менее 1000 нм. Система передачи, входящая в состав штамповочной системы, передает силу от пресса к пуансону. Система передачи, показанная на Фиг.8а и 8b, дополнительно способствует передаче силы в одном ортогональном направлении по отношению к плите, поддерживающей пуансон. Однако система передачи структурно отделена от инструментальной оснастки. В этом случае система в значительной степени исключает влияние неточного штамповочного пресса на инструментальную оснастку, поэтому пресс может иметь большие допуски.

Другие особенности конструкции штамповочной системы 100 вносят свой вклад в возможность использования системы для изготовления деталей с допусками менее 1000 нм. Пуансон и матрица также имеют субмикронные допуски (например, 150 нм) и шероховатость поверхности, например, менее 10 нм. Жесткие допуски для этих компонентов системы позволяют прецизионно располагать пуансон и матрицу внутри штамповочных блоков и прецизионно выравнивать их относительно друг друга. Это позволяет прецизионно совмещать пуансон с матрицей. Кроме того, исходный материал может быть подвергнут механической обработке с жесткими допусками до помещения его в штамповочные блоки, что позволяет прецизионно размещать заготовку в штамповочных блоках в процессе осуществления операций штамповки.

Примеры деталей

Фиг.10а представляет собой вид сзади оптоэлектронной системы 1100, изготовленной с помощью штамповочной системы 100 по данному изобретению. Система содержит множество блоков, расположенных последовательно в зависимости от особенностей конструкции и метрологических расчетов. На Фиг.10а показана манжета 1110, удерживающая конец оптоволокна 1120. Манжета 1110 состоит из двух идентичных половин 1130 манжеты, соединенных вместе. Фиг.10b представляет собой общий вид половины 1130 манжеты, изготовленной штамповкой с использованием пуансона 530 и матрицы 560, показанных на Фиг.9а. Фиг.10с представляет собой вид сзади половины 1130 манжеты, показанной на Фиг.10b. Конструкция манжеты, показанной на Фиг.10а-10с, имеет частично полукруглое торцевое сечение. Однако с помощью штамповочной системы можно также изготовить манжету с полностью круглым торцевым сечением (как показано на Фиг.11b). Пуансон 530 и матрица 560 могут быть помещены в один из множества штамповочных блоков. Две такие половины 1130 манжеты могут быть изготовлены из одной полосы исходного материала за одну стадию. Каждая половина 1130 манжеты снабжена выемками 1140 для соединения вместе (сборки) двух половин 1130 манжеты (например, посредством сварки по выемкам 1140). Каждая половина 1130 манжеты также снабжена желобом 1150 для размещения конца оптоволокна 1120. В варианте выполнения изобретения, показанном на Фиг.10а-10с, размеры манжеты составляют: диаметр поперечного сечения на конце 2.5 мм или 1.25 мм и длина 10 мм, причем манжета выполнена с желобами для выравнивания. Однако очевидно, что указанные размеры приведены лишь в качестве примера, и могут быть использованы и другие размеры. В другом блоке две половины 1130 манжеты могут быть соединены и выровнены с оптоволокном в процессе подготовки к лазерной сварке. Лазерный сварочный аппарат StarWeld 20 производства Rofin, Inc. представляет собой пример лазерного сварочного оборудования, в котором лазерный импульс направляют на деталь (ее часть), которую надо сварить. Помимо осуществления функции сварки лазерная система может быть использована для снятия покрытия с оптоволокна, а также для правильной подготовки поверхности на его конце. После того, как половины 1130 манжеты сварены вместе по выемкам 1140, манжета 1110 надежно и точно фиксирует конец оптоволокна 1120. Манжета 1110 способна удерживать оптоволокно диаметром, например, 0.125 мм.

Фиг.11а иллюстрирует конструкцию «полосковой геометрии двойной конфигурации» 1200 для изготовления штампованной и подвергнутой сварке манжеты 1210. Фиг.11b представляет собой общий вид готовой манжеты 1210. Последовательность штамповочного процесса включает в себя девять блоков, расположенных последовательно (см., например, Фиг.2), например, блоки 1212-1220, причем последовательность проходит от блока 1212 к блоку 1220. В блоках 1212-1215 заготовке придают размер и форму. В блоке 1216 формируют желоб. В блоках 1217-1220 в сформированный желоб помещают оптоволокно и две половины манжеты складывают вместе. На Фиг.11b показано оптоволокно 1225, расположенное в манжете 1210. Манжета 1210 адаптирована под разъемную выравнивающую муфту, имеющую круглое поперечное сечение (не показана). В результате выполнения штамповки получают смонтированные (соединенные) половины манжеты, полностью заполняющие круговую конструкцию разъемной выравнивающей муфты. Разъемная муфта является частью коннекторного адаптера для оптоволокна (не показан), который используют для выполнения разъемного соединения двух оптоволокон (каждое расположено внутри манжеты 1210).

Фиг.12а иллюстрирует конструкцию «полосковой геометрии» 1250 для изготовления манжеты 1260 звездообразной формы, прихваченной сваркой. Последовательность для выполнения операций штамповки включает в себя 10 блоков, например, блоки 1310-1319, причем последовательность проходит от блока 1310 к блоку 1319. В блоках 1310-1312 формируют заготовку и придают ей форму. В блоках 1313-1319 заготовку складывают с получением звездообразной формы. Фиг.12b представляет собой общий вид конструкции, содержащей звездообразную манжету 1260. На Фиг.12с показан разрез конструкции, выполненный по линии 12с-12с, показанной на Фиг.12b. Манжета 1260 изготовлена штамповкой с использованием способа формовки, в результате применения которого получают звездообразную манжету 1260, расположенную поверх вокруг оптоволокна 1270 и прихваченную сварным швом в точке 1280. Манжета 1260 разработана таким образом, чтобы она прецизионно размещалась внутри разъемной выравнивающей муфты 1290 с субмикронным допуском, необходимым для получения соединения оптоволокно-оптоволокно с малыми потерями. Размеры этой манжеты составляют: диаметр поперечного сечения на конце 2.5 мм или 1.25 мм и длина 10 мм с желобами выравнивания. Кроме того, манжета разработана таким образом, чтобы в нее входило оптоволокно диаметром 0.125 мм. Однако очевидно, что указанные размеры приведены лишь в качестве примера, и могут быть использованы и другие размеры. Манжета имеет три вершины 1292, 1293 и 1294, но может быть выполнена с любым количеством вершин, в том числе и только с двумя.

Система может быть адаптирована для изготовления манжет с использованием комбинации способов штамповки и формовки. Фиг.13 представляет собой поперечное сечение торца половины 1300 манжеты, изготовленной штамповкой и формовкой. Согласно этому варианту выполнения изобретения выравнивающий желоб выполнен штамповкой, в то время как радиус половины манжеты задан с помощью формовки. Эта конструкция может быть изготовлена в одну стадию («two-up») и смонтирована (соединена) с использованием лазерной сварки. Следует отметить, что, несмотря на то, что манжета показана с частично круглым поперечным торцевым сечением, она может иметь полностью круглое поперечное торцевое сечение и может быть соединена с помощью лазерной сварки (не показано).

Система 100 может быть адаптирована для изготовления многожильных манжет для одновременного соединения нескольких оптоволокон. Фиг.14 представляет собой поперечное сечение пуансона 1350 для изготовления многожильной манжеты, используемого для штамповки половины многожильной манжеты (не показана). В частном случае пуансон 1350 является пуансоном для изготовления 12-жильной манжеты. Когда половины манжеты соединяют, два больших полукруглых выступа 1360 образуют круглые желоба для направляющих элементов (штифтов), служащих для выравнивания оптоволокон при совмещении двух коннекторов. Штифты выполняют ту же функцию, что и разъемная муфта для одиночного оптоволокна. Когда половины манжеты соединяют, выступы, обозначенные от f1 до f12, образуют круглые желоба для отдельных оптоволокон. В приведенном примере - 12 оптоволокон. Допуски для выступов f1-f12, выравнивающих оптоволокна, для данного пуансона составляют ±150 нм в направлении, параллельном поверхности, и ±400 нм в направлении, перпендикулярном поверхности пуансона 1350.

Штамповочные инструменты могут быть изготовлены с жесткими допусками. Штамповочный блок 400, показанный на Фиг.3а, собран из компонентов, изготовленных с субмикронными допусками и гладкостью поверхностей. Было измерено, что вследствие получаемого в результате качества плит 410 и 440, поддерживающих соответственно пуансон и матрицу, а также ограничителей (разделителей) 470, плиты 410 и 440, поддерживающие пуансон и матрицу, параллельны с точностью до 16 микрорадиан. При такой степени параллельности пуансона относительно матрицы нарушение соосности составляет менее 200 нм.

Штамповочный блок 400 вместе с 12-жильным пуансоном 1350 (показан на Фиг.14) может быть использован в открытой конфигурации штампа для штамповки половин многожильной манжеты из листовых заготовок из нержавеющей стали 304, размеры которых составляют примерно 10×10 на 1 мм. Фиг.17 представляет собой график, показывающий измеренные характеристики профиля 12-волоконного пуансона, наложенные на данные, полученные для образца 12-жильной штампованной детали. Линия А представляет собой измеренные данные профиля пуансона 1350, а линия В - измеренные данные профиля образца детали. На Фиг.18 приведено схематичное изображение, показывающее вхождение заготовки 1365 из стали 304 в конфигурацию открытого штампа, спрогнозированное с помощью конечно-элементного анализа (Finite Element Analysis, FEA). На Фиг.18 показана деформация материала 304 заготовки 1365 при штамповке многожильным пуансоном 1350, а также FEA остаточного структурного напряжения заготовки 1365. Голубой цвет на подписи к чертежу относится к нижней границе спектра остаточного напряжения, а красный цвет - к верхней границе спектра остаточного напряжения. Как показано на Фиг.17 и 18, копирование профиля поверхности пуансона 1350 на листовую заготовку 1365 из нержавеющей стали 304 направленно совпадает с результатами прогнозирования штамповки в конфигурации открытого штампа, проведенной с использованием конечно-элементного анализа (FEA). Неполное заполнение выемки гнезда направляющего элемента 1360, показанное на Фиг.18, согласуется со спрогнозированным на основании анализа открытого штампа и с наблюдаемым экспериментально. Фиг.19 представляет собой иллюстрацию, показывающую три желоба 1367, 1368 и 1369 для оптоволокон образца штампованной 12-жильной манжеты 1370. Фиг.20 представляет собой график, иллюстрирующий измеренные данные профиля того же желоба для оптоволокна для трех образцов из нержавеющей стали 304 и измеренные данные профиля этой части пуансона 1350. Линии С-Е представляют собой измеренные данные профиля трех образцов, а линия F представляет собой измеренные данные профиля пуансона. Наблюдается превосходная штамповка (профилирование) нижней части желоба частично вследствие закономерного ограничения (удерживания), создаваемого окружающим материалом. Фиг.21 представляет собой график, иллюстрирующий максимальный разброс положения желоба относительно среднего положения для трех различных образцов штампованных деталей, каждая из которых имеет 12 желобов. Как показано на Фиг.21, наблюдается превосходная воспроизводимость от детали к детали. Максимальное отклонение положения желоба от среднего составляет ±160 нм по оси х и ±190 нм по оси у, что показывает субмикронные возможности ультрапрецизионного процесса штамповки.

Фиг.15 представляет собой общий вид штампованной многожильной муфты 1400. Муфта 1400 может заменить штифты, которые обычно используют для выравнивания двух многожильных коннекторов оптоволокон. Как и в случае цилиндрической муфты/манжеты, внешние размеры многожильной манжеты должны соответствовать внутренним размерам многожильной муфты 1400. Это необходимо для субмикронных допусков, чтобы обеспечить правильное выравнивание (совмещение) оптоволокон, а также минимизировать оптические потери.

Специалистам в данной области техники понятно, что, несмотря на то, что изобретение раскрыто и описано на примере его предпочтительных вариантов выполнения, возможно внесение различных дополнений и изменений, касающихся формы и деталей конструкций, не выходя за рамки духа и буквы данного изобретения. Для специалистов также понятно, что система, которая содержит конструкцию, выполненную согласно сущности изобретения, также может быть использована для изготовления других деталей с субмикронными допусками. Приведенное выше описание следует воспринимать исключительно как иллюстрацию изобретения, ограниченного лишь приведенной далее Формулой изобретения.