小電機(jī)外殼造型和注射模具設(shè)計及CAE分析【說明書+CAD】

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塑料制品由于其自身的優(yōu)點使得在光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲、精密機(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域扮演著重要角色。為了能夠生產(chǎn)具有實用價值的微細(xì)組件，許多新興制造技術(shù)隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術(shù)(LIGA)、紫外光蝕刻技術(shù)(UV)、放電加工(EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。微注射成型技術(shù)以容易實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點成為世界制造技術(shù)的研究熱點之一。世界上目前有幾個大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究，并且許多微細(xì)結(jié)構(gòu)零件應(yīng)用微注射成型已獲得成功。最近在深度X射線和微電子器件成型方面的研究進(jìn)展使得制造0.5—100μm尺度和L/T在5—10之間的微型部件成為可能。然而高L/T注射模的設(shè)計仍然是一技術(shù)難題。 系統(tǒng)尺度減小時，常常引起主要相互作用力的改變，導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運(yùn)動規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別。許多現(xiàn)有的、成熟的注射成型技術(shù)和理論可能行不通，必須在理論和實踐上對微注射成型工藝的技術(shù)特點進(jìn)行系統(tǒng)和徹底的研究與探討。注射模中需要解決的尺度相關(guān)問題是如何把標(biāo)準(zhǔn)件模成型設(shè)計的過程經(jīng)過合適尺度化用于小型化部件。標(biāo)準(zhǔn)件注射模充填時間從十分之一秒到十分之幾秒，注射壓力從幾兆帕到大約200兆帕，周期從幾秒到幾十秒。這些注射成型條件由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)件，型腔中塑料熔體均勻流動使得產(chǎn)品可以達(dá)到預(yù)想結(jié)果。通過分析模具工藝所存在的尺度限制、研究進(jìn)展和方法，可以得出高L/T超薄壁注射模設(shè)計當(dāng)前所存在的困難的解決方法。 小型化引起的尺度效應(yīng)可以是一階的，也可以是二階的，一階尺度效應(yīng)可以用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行預(yù)測，而二階則不可。注射模一階尺度效應(yīng)的一個表現(xiàn)是部件厚度減少時澆口熱導(dǎo)增加。尺度效應(yīng)可以使得微塑性成型的某些特性與傳統(tǒng)成型相比發(fā)生很大變化，對材料的塑性變形行為，流動變形規(guī)律和磨擦行為等均有較大的影響。 關(guān)于二階尺度效應(yīng)的討論很多，本文主要關(guān)于一階尺度效應(yīng)，由于它可以用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型來研究。微成型件尺寸的不斷減少，成型件表面積與體積的比值大幅增加。單個晶粒對坯料的機(jī)械性能和變形行為的影響開始成為主導(dǎo)。然而，尺度所引起的質(zhì)量問題很難預(yù)測。尺度減小時，部件應(yīng)該完全填充并很好的滿足設(shè)計者的初衷。成型性，是需要關(guān)注的一個重要問題。由于成型直接受到型腔聚合物的流動和熱傳遞過程的影響，因而分析聚合物的流動和熱傳遞過程注射模的尺度效應(yīng)時是有用的。在這篇文章中，首先用無因次分析來研究尺度效應(yīng)對注射模流動和熱傳遞工藝的影響，成功地進(jìn)行了模成型仿真。關(guān)于無因次分析在材料成型中的應(yīng)用可以在有關(guān)書中找到（modeling in materials processing by Tucker and Dantzig ）。相關(guān)論述中提出無因次分析在尺度行為方面的研究。特別是提出了一種尺度充填方法，并經(jīng)實驗得到證實。 2．無因次分析 薄壁腔和窄流道的聚合物熔體流動普遍采用廣義Hele-Shaw流動模型，通常近似假設(shè)流體在一恒定時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動，忽略其惰性效應(yīng)，近似認(rèn)為為牛頓流體，以一維流動分析為例，根據(jù)能量守恒定律，Hele-Shaw流動模型可以寫為： 式（1）z和x分別為厚度和流動方向，x是液層流動速率，P是壓力，η為黏度，牛頓流動模型的有效性可以用魏森貝格數(shù)（Weissenberg）證實。高的熔化溫度時，由于Weissenberg數(shù)較小，松弛時間較短，流體可以認(rèn)為是純粘性的。下面的討論中，用于標(biāo)準(zhǔn)注射模成型中，型腔邊界假定無流動。 2．1等溫聚合物流動 假定不考慮熱交換，方程（1）可以寫成與厚度無關(guān)的形式，見式（2），H為制件厚度，x是標(biāo)準(zhǔn)化厚度后的流速。黏度與剪切速率和壓力相關(guān)。方程（2）表明相同的壓力作用于不同壁厚的模具型腔澆口時，具有相同的剪切速率和切向壓力，從而有相同的粘性。進(jìn)而可推出等溫聚合物流體壓力相同時，L/T與制件壁厚無關(guān)。這只是當(dāng)雷諾數(shù)與幾何尺寸匹配時，同等流量的一個特例。流動中處理尺寸問題時用相同的標(biāo)準(zhǔn)化平均速度是有用的。式（3）中ρ是流體密度，可以看到，雷諾數(shù)與制件厚度的平方成正比。Weissenberg數(shù)也可以用下面式子表示，見式（4），其中為標(biāo)準(zhǔn)化厚度后的流體長度，λ為黏彈性流體擠壓后產(chǎn)生彈應(yīng)力的松弛時間。可以看到流速相同時具有相同的Ws數(shù)。因此，Hele-Shaw流動模型對于小型化的型腔仍然適用。圖1：表面張力相對腔長度的變化對于同構(gòu)幾何尺寸因子可以用于研究無因子群尺度效應(yīng)，見式（5），其中H0 是初始厚度，H1 為小型化的厚度，比例定律對于雷諾數(shù)有式（6）， 對于Weissenberg數(shù)有式（7），可以看到Weissenberg數(shù)是與尺寸無關(guān)的。 2．2表面張力效應(yīng) 型腔變薄時，熔體前沿表面張力將增加。對于細(xì)長型腔，由于表面張力熔化界面的對應(yīng)壓力可由式（8）計算；γs是N/m單位上液體表面張力，θ是腔壁與液體的接觸角。另一方面，與粘應(yīng)力有關(guān)的聚合物入口壓強(qiáng)可由下式表示：式（9）。上面關(guān)于表面張力Sur的定義是近似的，因為表面張力效應(yīng)接觸角近似為非常小，cosθ≈0.對于一聚合物熔體有式（11）的關(guān)系.將式（11）帶入式（10）可得式（12）。假如考慮η=1000 Pa-s，ū=100/s，γs=0.05N/m.表面張力作為L的函數(shù)列于圖1?？梢钥闯鲂颓婚L度大于10μm時表面張力不到1%. 2.3 非等溫聚合物 向量-張力形式能量方程以下面形式給出：式（13），其中Cp為定壓比熱容，k為傳熱系數(shù)，б是張量，T為溫度，t為時間 貝克來數(shù)（Peclet）：代表對流強(qiáng)度和擴(kuò)散強(qiáng)度的相對大小。Pe數(shù)定義為式（14），其中α為傳熱系數(shù)，對于聚合物，α≈10-7m2/s,取流速 =100/s, 一般尺寸的注射模有L=20cm,H=2mm,可以得到 Pe=4×105. 格雷茨數(shù)（Graetz）:是一個方向熱對流和另一方向?qū)α鞯谋戎?，這個無因次量用于主要對流方向和熱導(dǎo)方向不同且具有不同的特征長度。在注射模細(xì)長腔中主要對流方向為流體流動方向，而對流方向為壁厚方向。Gz數(shù)可由下式表示：（16），對于標(biāo)準(zhǔn)注射模，α≈10-7m2/s, =100/s,L=20cm,H=2mm,可得Gz=40。 布倫克曼數(shù)（Brinkman）:Br數(shù)可以表示成式（18）所示，流速 =100/s，η=1000Pa-s,L=20cm,k=0.2W/m-0C,T=1000C,可得Br數(shù)為2. 2.4凍結(jié)時間量度 從Gz數(shù)和Br數(shù)的尺度分析可以看出，比較厚度方向的熱導(dǎo),對流和粘性耗散在能量方程中會很快減小。填充階段澆口溫度隨零件厚度的變化見圖2。對于大約2mm厚的標(biāo)準(zhǔn)零件，型腔內(nèi)部溫度由于粘性加熱而增加。對于有0.5mm厚的薄壁零件，會有很強(qiáng)的熱對流使得平均溫度很快降低。 在超薄壁模和微模成型中，填充階段熔體的凍結(jié)時間可以由簡單一維熱傳導(dǎo)方程求得，基于方程（19），凍結(jié)時間tf可以由整個聚合物熔體達(dá)到凍結(jié)溫度Tg的時間來預(yù)測，見式（20），其中Ti為注射溫度，Tw為模具型腔溫度， 3 、成型尺度分析 塑料原料如何更好的流動和注入型腔成型可以參照壓力—流體長度曲線，填充長度采用L/T比可以更好的得到理解，對于恒定粘性等溫流體的細(xì)長腔，可以用下面的方程預(yù)測，式（21），從方程中可以看出，成型性與尺度因子是無關(guān)的，因此零件尺度減小時成型性并不會改變。 聚碳酸酯被作為塑料原料，注射溫度設(shè)為2650C，同時采用1200C注射溫度的成型環(huán)境做比較，并把2650C環(huán)境仿真等溫成型環(huán)境（等溫環(huán)境下填充過程由于粘性耗散效應(yīng)實際上并不是等溫的），兩種環(huán)境下流速分別為=1000/s和100/s，第一個流速為快速注射速度而第二個為標(biāo)準(zhǔn)注射速度，仿真過程采用細(xì)長型腔，四種不同厚度的零件（2.5mm，0.5mm，0.1mm，0.02mm），其寬厚比保持恒定為10.仿真結(jié)果見圖4-7，這些結(jié)果會在下面進(jìn)行討論。 3.1冷模腔尺度填充 冷模腔是指成型溫度設(shè)定為1200C的成型。L/T比與注射壓力的關(guān)系見圖4和圖5，從仿真結(jié)果可以看出，在冷模腔填充過程簡單的功率定律對并不適用。 上面用冷腔模定性地分析了其結(jié)果，當(dāng)制件厚度減至0.25mm時塑料原料的冷卻溫度為十分之一秒。因而注射時間接近臨界冷卻時間時，需要大量的注射壓力。對于標(biāo)準(zhǔn)制件，冷卻時間大約10s。 3.2 等溫模條件填充 等溫模條件成型結(jié)果見圖6和圖7，通過和冷模條件下結(jié)果對比可以看到與等溫模條件下填充有很大的不同。首先，填充同樣幾何尺寸所需要的注射壓力相對很小。其次，注射速度的變化引起注射壓力的變化完全不同。在冷模填充過程中，注射速度加快時薄壁和超薄壁零件的注射壓力也增加（如圖4和圖5）。第三點不同是冷模下的填充過程和等溫聚合物的填充過程區(qū)別相當(dāng)?shù)拿黠@，特別是注射速度很低時。 對于真正的等溫填充，所有的曲線應(yīng)該完全重合。實際中出現(xiàn)偏離的原因在于聚合物中真正的溫度場并非等溫的，由于流動過程中的剪切發(fā)熱，聚合物內(nèi)部的溫度高于等溫模的溫度，零件厚度增加時聚合物內(nèi)部溫度也增加，除了厚度，注射速度在成型中也扮演了很重要的角色，當(dāng)注射溫度降低時剪切發(fā)熱效應(yīng)降低，尺度變化的流體可以由低的填充速度得到。比較圖6和圖7可以看到流速為100/s時剪切溫度的升高遠(yuǎn)小于流速為1000/s時的情況。等溫環(huán)境下對于超薄壁模和微模成型，注射速度為100/s左右時尺度填充是有效的。 4．微尺度填充的實驗研究 低注射速度下的微尺度填充通過采用Boy 30M的注射機(jī)加以驗證，實驗采用Bayer聚碳酸酯CD2000作為塑料原料,三個不同深度的流道（25μm，150μm，1mm）如圖8所示，1mm深的流道用于薄壁模成型，150μm深的流道用于超薄壁模成型，25μm深的流道用于微模成型。三個流道被連接在同一個橫截面為0.5in.×0.5in.，深度為0.25in.的熔體管上，熔體被加熱至2650C，注射速度調(diào)至注射機(jī)最大速度的30%，填充時間設(shè)為3s，保壓設(shè)為80Bar,保壓時間設(shè)為3s，注模階段完成后，用一晚的時間來冷卻。這么長的冷卻時間可以認(rèn)為對流體長度是沒有影響的，因為流體長度直接跟填充過程有關(guān)。圖9所示為不同流體厚度與L/T比值的相對關(guān)系。 在同類研究中，如文獻(xiàn)[22]采用快速熱模成型研究超薄和微細(xì)結(jié)構(gòu)的成型，結(jié)果表明：等溫條件下填充過程，通過設(shè)定低的注射速度可以實現(xiàn)微尺度填充。 5．結(jié)論 注射模零件的小型化尺寸問題引起了相關(guān)設(shè)計和過程參數(shù)的改變，本文分析了成型過程中零件小型化時所帶來的一階尺度效應(yīng)，通過對幾個無因次量進(jìn)行分析，控制方程的有效性和影響流體流動過程中熱傳遞的幾個因素均得到了證實，只要流體長度遠(yuǎn)大于壁厚，超薄壁模和微模成型過程的表面張力可以認(rèn)為是影響很小的，CAE的應(yīng)用，使得可以通過控制注射壓力、注射速度和零件厚度來控制成型過程。經(jīng)實驗證明，等溫條件下填充過程，通過設(shè)定低的注射速度實現(xiàn)了微尺度填充。不過對于具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的零部件，對流和多孔滲透的介質(zhì)流的影響是很大的，它們會迅速下降當(dāng)零部件厚度減小時。對于超薄和微細(xì)結(jié)構(gòu)的部件，厚度方向上的熱導(dǎo)在能量方程中起很重要的作用。在薄壁模中，快速注射用于 致謝 對國家自然科學(xué)基金提供的經(jīng)濟(jì)上的幫助表示感謝！同時文中所有觀點、發(fā)現(xiàn)和建議均代表作者自己的意思，并不代表國家自然科學(xué)基金會的觀點。 參考文獻(xiàn)（略） 減小成型的難度，而超薄和微細(xì)結(jié)構(gòu)的成型則采用熱模來完成填充。 第 6 頁 共 6 頁