1605-小電機(jī)外殼造型和注射模具設(shè)計(jì)及CAE分析

1605-小電機(jī)外殼造型和注射模具設(shè)計(jì)及CAE分析,電機(jī),機(jī)電,外殼,造型,以及,注射,模具設(shè)計(jì),cae,分析 南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 1 頁 共 6 頁外文翻譯：注射模部件的小型化尺度問題摘要：注射模部件的小型化尺度問題引起了相關(guān)設(shè)計(jì)和及其過程參數(shù)的改變，結(jié)果產(chǎn)生了相關(guān)尺度效應(yīng)，尺度效應(yīng)可以是一階的或二階的。一階可以用標(biāo)準(zhǔn)模型來描述，而二階則不可。本文只針對(duì)注射模小型化所產(chǎn)生的一階尺度效應(yīng)進(jìn)行分析，通過注射模熱傳遞和流動(dòng)過程的尺度分析，尺度效應(yīng)對(duì)模具性能參數(shù)改變的分析，提出了在超薄壁零件和微型構(gòu)件中消除或減少相關(guān)尺度模難題的方法。特別地提出了一種比例充填方法，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。關(guān)鍵詞：小型化 注射模 尺度分析 尺度效應(yīng)1、 概述注射模部件在尺寸和重量方面的小型化已經(jīng)成為一種不可阻擋的趨勢(shì)，例如電子器件的注射模設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了從標(biāo)準(zhǔn)模到薄壁模設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，對(duì)一些特殊的器件，應(yīng)該用超薄壁模設(shè)計(jì)，電子部件的小型化需要在增加 L/T 比時(shí)降低零件厚度。對(duì)這些模具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí) L/T 比在 10 到 100 之間或稍大。塑料制品由于其自身的優(yōu)點(diǎn)使得在光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲(chǔ)、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(shí)用價(jià)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(shí)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(diǎn)成為世界制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。世界上目前有幾個(gè)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(jì)仍然是一技術(shù)難題。 系統(tǒng)尺度減小時(shí)，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(dòng)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(shí)踐上對(duì)微注射成型工藝的技術(shù)特點(diǎn)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(jì)的過程經(jīng)過合適尺度化用于小型化南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 2 頁 共 6 頁部件。標(biāo)準(zhǔn)件注射模充填時(shí)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(dòng)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(jì)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(cè)，而二階則不可。注射模一階尺度效應(yīng)的一個(gè)表現(xiàn)是部件厚度減少時(shí)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(duì)材料的塑性變形行為，流動(dòng)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(gè)晶粒對(duì)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(cè)。尺度減小時(shí)，部件應(yīng)該完全填充并很好的滿足設(shè)計(jì)者的初衷。成型性，是需要關(guān)注的一個(gè)重要問題。由于成型直接受到型腔聚合物的流動(dòng)和熱傳遞過程的影響，因而分析聚合物的流動(dòng)和熱傳遞過程注射模的尺度效應(yīng)時(shí)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(duì)注射模流動(dòng)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(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。2．無因次分析薄壁腔和窄流道的聚合物熔體流動(dòng)普遍采用廣義 Hele-Shaw 流動(dòng)模型，通常近似假設(shè)流體在一恒定時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略其惰性效應(yīng)，近似認(rèn)為為牛頓流體，以一維流動(dòng)分析為例，根據(jù)能量守恒定律，Hele-Shaw 流動(dòng)模型可以寫為： 式（1）z 和 x 分別為厚度和流動(dòng)方向， x 是液層流動(dòng)速率，P 是壓力，η 為黏度，牛頓流動(dòng)?模型的有效性可以用魏森貝格數(shù)（Weissenberg）證實(shí)。高的熔化溫度時(shí)，由于Weissenberg 數(shù)較小，松弛時(shí)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(dòng)。2．1 等溫聚合物流動(dòng)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 為制件南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 3 頁 共 6 頁厚度， 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(shí)，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(shí)，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(shí)，同等流量的一個(gè)特例。流動(dòng)中處理尺寸問題時(shí)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L~度后的流體長(zhǎng)度，λ 為黏彈性流體擠壓后產(chǎn)生彈應(yīng)力的松弛時(shí)間?？梢钥吹搅魉?相u同時(shí)具有相同的 Ws 數(shù)。因此，Hele-Shaw 流動(dòng)模型對(duì)于小型化的型腔仍然適用。圖1：表面張力相對(duì)腔長(zhǎng)度的變化對(duì)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(duì)于雷諾數(shù)有式（ 6） ，對(duì)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(shí)，熔體前沿表面張力將增加。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)型腔，由于表面張力熔化界面的對(duì)應(yīng)壓力可由式（8）計(jì)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?yàn)楸砻鎻埩π?yīng)接觸角近似為非常小，cosθ≈0.對(duì)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。可以看出型腔長(zhǎng)度大于 10μm 時(shí)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(shí)間貝克來數(shù)（Peclet）：代表對(duì)流強(qiáng)度和擴(kuò)散強(qiáng)度的相對(duì)大小。Pe 數(shù)定義為式（14） ，其中 α 為傳熱系數(shù)，對(duì)于聚合物，α≈10-7m2/s,取流速 =100/s, 一般尺u~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(gè)方向熱對(duì)流和另一方向?qū)α鞯谋戎?，這個(gè)無因次量用于主要對(duì)流方向和熱導(dǎo)方向不同且具有不同的特征長(zhǎng)度。在注射模細(xì)長(zhǎng)腔中主要對(duì)流方向?yàn)榱黧w流動(dòng)方向，而對(duì)流方向?yàn)楸诤穹较?。Gz 數(shù)可由下式表示：（16） ，對(duì)于標(biāo)南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 4 頁 共 6 頁準(zhǔn)注射模，α≈10-7m2/s, =100/s,L=20cm,H=2mm,可得 Gz=40。u~布倫克曼數(shù)（Brinkman）:Br 數(shù)可以表示成式（18）所示，流速 u~=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(shí)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(duì)流和粘性耗散在能量方程中會(huì)很快減小。填充階段澆口溫度隨零件厚度的變化見圖 2。對(duì)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(duì)于有 0.5mm 厚的薄壁零件，會(huì)有很強(qiáng)的熱對(duì)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(shí)間可以由簡(jiǎn)單一維熱傳導(dǎo)方程求得，基于方程（19） ，凍結(jié)時(shí)間 tf可以由整個(gè)聚合物熔體達(dá)到凍結(jié)溫度 Tg 的時(shí)間來預(yù)測(cè)，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(dòng)和注入型腔成型可以參照壓力—流體長(zhǎng)度曲線，填充長(zhǎng)度采用 L/T 比可以更好的得到理解，對(duì)于恒定粘性等溫流體的細(xì)長(zhǎng)腔， 可以用下面L~的方程預(yù)測(cè)，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(shí)成型性并不會(huì)改變。聚碳酸酯被作為塑料原料，注射溫度設(shè)為 2650C，同時(shí)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(shí)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(gè)流速u~為快速注射速度而第二個(gè)為標(biāo)準(zhǔn)注射速度，仿真過程采用細(xì)長(zhǎng)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(huì)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(jiǎn)單的功率定律對(duì) 并不適用。L~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(shí)塑料原料的冷卻溫度為十分之一秒。因而注射時(shí)間接近臨界冷卻時(shí)間時(shí)，需要大量的注射壓力。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)制件，冷卻時(shí)間大約 10s。3.2 等溫模條件填充南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 5 頁 共 6 頁等溫模條件成型結(jié)果見圖 6 和圖 7，通過和冷模條件下結(jié)果對(duì)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(shí)。對(duì)于真正的等溫填充，所有的曲線應(yīng)該完全重合。實(shí)際中出現(xiàn)偏離的原因在于聚合物中真正的溫度場(chǎng)并非等溫的，由于流動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)剪切溫度的升高遠(yuǎn)小于流速為 1000/s 時(shí)的情況。等溫環(huán)境下對(duì)于超薄壁模和微模成型，注射速度為100/s 左右時(shí)尺度填充是有效的。4．微尺度填充的實(shí)驗(yàn)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(yàn)證，實(shí)驗(yàn)采用Bayer 聚碳酸酯 CD2000 作為塑料原料,三個(gè)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(gè)流道被連接在同一個(gè)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(shí)間設(shè)為 3s，保壓設(shè)為 80Bar,保壓時(shí)間設(shè)為3s，注模階段完成后，用一晚的時(shí)間來冷卻。這么長(zhǎng)的冷卻時(shí)間可以認(rèn)為對(duì)流體長(zhǎng)度是沒有影響的，因?yàn)榱黧w長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(jì)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(shí)所帶來的一階尺度效應(yīng)，通過對(duì)幾個(gè)無因次量進(jìn)行分析，控制方程的有效性和影響流體流動(dòng)過程中熱傳遞的幾個(gè)因素均得到了證實(shí)，只要流體長(zhǎng)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，南昌航空工業(yè)學(xué)院 2005 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文第 6 頁 共 6 頁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(shí)驗(yàn)證明，等溫條件下填充過程，通過設(shè)定低的注射速度實(shí)現(xiàn)了微尺度填充。不過對(duì)于具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的零部件，對(duì)流和多孔滲透的介質(zhì)流的影響是很大的，它們會(huì)迅速下降當(dāng)零部件厚度減小時(shí)。對(duì)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(duì)國(guó)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(shí)文中所有觀點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)和建議均代表作者自己的意思，并不代表國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的觀點(diǎn)。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。