内容简介：: 毕业生毕业论文外文翻译：注射模部件的小型化尺度问题摘要：注射模部件的小型化尺度问题引起了相关设计和及其过程参数的改变，结果产生了相关尺度效应，尺度效应可以是一阶的或二阶的。一阶可以用标准模型来描述，而二阶则不可。本文只针对注射模小型化所产生的一阶尺度效应进行分析，通过注射模热传递和流动过程的尺度分析，尺度效应对模具性能参数改变的分析，提出了在超薄壁零件和微型构件中消除或减少相关尺度模难题的方法。特别地提出了一种比例充填方法，并经实验得到证实。关键词：小型化注射模尺度分析尺度效应1、概述注射模部件在尺寸和重量方面的小型化已经成为一种不可阻挡的趋势，例如电子器件的注射模设计，经历了从标准模到薄壁模设计的转变，对一些特殊的器件，应该用超薄壁模设计，电子部件的小型化需要在增加L/T比时降低零件厚度。对这些模具进行设计时L/T比在10到100之间或稍大。塑料制品由于其自身的优点使得在光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等应用领域扮演着重要角色。为了能够生产具有实用价值的微细组件，许多新兴制造技术随之产生，包括光刻，电铸及脱模技术(LIGA)、紫外光蚀刻技术(UV)、放电加工(EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。微注射成型技术以容易实现低成本大规模生产具有精密微细结构零件的优点成为世界制造技术的研究热点之一。世界上目前有几个大学和研究机构在进行研究，并且许多微细结构零件应用微注射成型已获得成功。最近在深度X射线和微电子器件成型方面的研究进展使得制造0.5100m尺度和L/T在510之间的微型部件成为可能。然而高L/T注射模的设计仍然是一技术难题。系统尺度减小时，常常引起主要相互作用力的改变，导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别。许多现有的、成熟的注射成型技术和理论可能行不通，必须在理论和实践上对微注射成型工艺的技术特点进行系统和彻底的研究与探讨。注射模中需要解决的尺度相关问题是如何把标准件模成型设计的过程经过合适尺度化用于小型化部件。标准件注射模充填时间从十分之一秒到十分之几秒，注射压力从几兆帕到大约200兆帕，周期从几秒到几十秒。这些注射成型条件由于采用的是标准件，型腔中塑料熔体均匀流动使得产品可以达到预想结果。通过分析模具工艺所存在的尺度限制、研究进展和方法，可以得出高L/T超薄壁注射模设计当前所存在的困难的解决方法。小型化引起的尺度效应可以是一阶的，也可以是二阶的，一阶尺度效应可以用连续介质力学理论进行预测，而二阶则不可。注射模一阶尺度效应的一个表现是部件厚度减少时浇口热导增加。尺度效应可以使得微塑性成型的某些特性与传统成型相比发生很大变化，对材料的塑性变形行为，流动变形规律和磨擦行为等均有较大的影响。关于二阶尺度效应的讨论很多，本文主要关于一阶尺度效应，由于它可以用经典的连续介质力学模型来研究。微成型件尺寸的不断减少，成型件表面积与体积的比值大幅增加。单个晶粒对坯料的机械性能和变形行为的影响开始成为主导。然而，尺度所引起的质量问题很难预测。尺度减小时，部件应该完全填充并很好的满足设计者的初衷。成型性，是需要关注的一个重要问题。由于成型直接受到型腔聚合物的流动和热传递过程的影响，因而分析聚合物的流动和热传递过程注射模的尺度效应时是有用的。在这篇文章中，首先用无因次分析来研究尺度效应对注射模流动和热传递工艺的影响，成功地进行了模成型仿真。关于无因次分析在材料成型中的应用可以在有关书中找到（modeling in materials processing by Tucker and Dantzig ）。相关论述中提出无因次分析在尺度行为方面的研究。特别是提出了一种尺度充填方法，并经实验得到证实。2无因次分析薄壁腔和窄流道的聚合物熔体流动普遍采用广义Hele-Shaw流动模型，通常近似假设流体在一恒定时间内达到稳态流动，忽略其惰性效应，近似认为为牛顿流体，以一维流动分析为例，根据能量守恒定律，Hele-Shaw流动模型可以写为：式（1）z和x分别为厚度和流动方向，x是液层流动速率，P是压力，为黏度，牛顿流动模型的有效性可以用魏森贝格数（Weissenberg）证实。高的熔化温度时，由于Weissenberg数较小，松弛时间较短，流体可以认为是纯粘性的。下面的讨论中，用于标准注射模成型中，型腔边界假定无流动。21等温聚合物流动假定不考虑热交换，方程（1）可以写成与厚度无关的形式，见式（2），H为制件厚度，x是标准化厚度后的流速。黏度与剪切速率和压力相关。方程（2）表明相同的压力作用于不同壁厚的模具型腔浇口时，具有相同的剪切速率和切向压力，从而有相同的粘性。进而可推出等温聚合物流体压力相同时，L/T与制件壁厚无关。这只是当雷诺数与几何尺寸匹配时，同等流量的一个特例。流动中处理尺寸问题时用相同的标准化平均速度是有用的。式（3）中是流体密度，可以看到，雷诺数与制件厚度的平方成正比。Weissenberg数也可以用下面式子表示，见式（4），其中为标准化厚度后的流体长度，为黏弹性流体挤压后产生弹应力的松弛时间。可以看到流速相同时具有相同的Ws数。因此，Hele-Shaw流动模型对于小型化的型腔仍然适用。图1：表面张力相对腔长度的变化对于同构几何尺寸因子可以用于研究无因子群尺度效应，见式（5），其中H0 是初始厚度，H1 为小型化的厚度，比例定律对于雷诺数有式（6），对于Weissenberg数有式（7），可以看到Weissenberg数是与尺寸无关的。22表面张力效应型腔变薄时，熔体前沿表面张力将增加。对于细长型腔，由于表面张力熔化界面的对应压力可由式（8）计算；s是N/m单位上液体表面张力，是腔壁与液体的接触角。另一方面，与粘应力有关的聚合物入口压强可由下式表示：式（9）。上面关于表面张力Sur的定义是近似的，因为表面张力效应接触角近似为非常小，cos0.对于一聚合物熔体有式（11）的关系.将式（11）带入式（10）可得式（12）。假如考虑=1000 Pa-s，=100/s，s=0.05N/m.表面张力作为L的函数列于图1。可以看出型腔长度大于10m时表面张力不到1%.2.3 非等温聚合物向量-张力形式能量方程以下面形式给出：式（13），其中Cp为定压比热容，k为传热系数，是张量，T为温度，t为时间贝克来数（Peclet）：代表对流强度和扩散强度的相对大小。Pe数定义为式（14），其中为传热系数，对于聚合物，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=4105.格雷茨数（Graetz）:是一个方向热对流和另一方向对流的比值，这个无因次量用于主要对流方向和热导方向不同且具有不同的特征长度。在注射模细长腔中主要对流方向为流体流动方向，而对流方向为壁厚方向。Gz数可由下式表示：（16），对于标准注射模，10-7m2/s, =100/s,L=20cm,H=2mm,可得Gz=40。布伦克曼数（Brinkman）:Br数可以表示成式（18）所示，流速 =100/s，=1000Pa-s,L=20cm,k=0.2W/m-0C,T=1000C,可得Br数为2. 2.4冻结时间量度从Gz数和Br数的尺度分析可以看出，比较厚度方向的热导,对流和粘性耗散在能量方程中会很快减小。填充阶段浇口温度随零件厚度的变化见图2。对于大约2mm厚的标准零件，型腔内部温度由于粘性加热而增加。对于有0.5mm厚的薄壁零件，会有很强的热对流使得平均温度很快降低。在超薄壁模和微模成型中，填充阶段熔体的冻结时间可以由简单一维热传导方程求得，基于方程（19），冻结时间tf可以由整个聚合物熔体达到冻结温度Tg的时间来预测，见式（20），其中Ti为注射温度，Tw为模具型腔温度， 3 、成型尺度分析塑料原料如何更好的流动和注入型腔成型可以参照压力流体长度曲线，填充长度采用L/T比可以更好的得到理解，对于恒定粘性等温流体的细长腔，可以用下面的方程预测，式（21），从方程中可以看出，成型性与尺度因子是无关的，因此零件尺度减小时成型性并不会改变。聚碳酸酯被作为塑料原料，注射温度设为2650C，同时采用1200C注射温度的成型环境做比较，并把2650C环境仿真等温成型环境（等温环境下填充过程由于粘性耗散效应实际上并不是等温的），两种环境下流速分别为=1000/s和100/s，第一个流速为快速注射速度而第二个为标准注射速度，仿真过程采用细长型腔，四种不同厚度的零件（2.5mm，0.5mm，0.1mm，0.02mm），其宽厚比保持恒定为10.仿真结果见图4-7，这些结果会在下面进行讨论。3.1冷模腔尺度填充冷模腔是指成型温度设定为1200C的成型。L/T比与注射压力的关系见图4和图5，从仿真结果可以看出，在冷模腔填充过程简单的功率定律对并不适用。上面用冷腔模定性地分析了其结果，当制件厚度减至0.25mm时塑料原料的冷却温度为十分之一秒。因而注射时间接近临界冷却时间时，需要大量的注射压力。对于标准制件，冷却时间大约10s。3.2 等温模条件填充等温模条件成型结果见图6和图7，通过和冷模条件下结果对比可以看到与等温模条件下填充有很大的不同。首先，填充同样几何尺寸所需要的注射压力相对很小。其次，注射速度的变化引起注射压力的变化完全不同。在冷模填充过程中，注射速度加快时薄壁和超薄壁零件的注射压力也增加（如图4和图5）。第三点不同是冷模下的填充过程和等温聚合物的填充过程区别相当的明显，特别是注射速度很低时。对于真正的等温填充，所有的曲线应该完全重合。实际中出现偏离的原因在于聚合物中真正的温度场并非等温的，由于流动过程中的剪切发热，聚合物内部的温度高于等温模的温度，零件厚度增加时聚合物内部温度也增加，除了厚度，注射速度在成型中也扮演了很重要的角色，当注射温度降低时剪切发热效应降低，尺度变化的流体可以由低的填充速度得到。比较图6和图7可以看到流速为100/s时剪切温度的升高远小于流速为1000/s时的情况。等温环境下对于超薄壁模和微模成型，注射速度为100/s左右时尺度填充是有效的。4微尺度填充的实验研究低注射速度下的微尺度填充通过采用Boy 30M的注射机加以验证，实验采用Bayer聚碳酸酯CD2000作为塑料原料,三个不同深度的流道（25m，150m，1mm）如图8所示，1mm深的流道用于薄壁模成型，150m深的流道用于超薄壁模成型，25m深的流道用于微模成型。三个流道被连接在同一个横截面为0.5in.0.5in.，深度为0.25in.的熔体管上，熔体被加热至2650C，注射速度调至注射机最大速度的30%，填充时间设为3s，保压设为80Bar,保压时间设为3s，注模阶段完成后，用一晚的时间来冷却。这么长的冷却时间可以认为对流体长度是没有影响的，因为流体长度直接跟填充过程有关。图9所示为不同流体厚度与L/T比值的相对关系。在同类研究中，如文献22采用快速热模成型研究超薄和微细结构的成型，结果表明：等温条件下填充过程，通过设定低的注射速度可以实现微尺度填充。5结论注射模零件的小型化尺寸问题引起了相关设计和过程参数的改变，本文分析了成型过程中零件小型化时所带来的一阶尺度效应，通过对几个无因次量进行分析，控制方程的有效性和影响流体流动过程中热传递的几个因素均得到了证实，只要流体长度远大于壁厚，超薄壁模和微模成型过程的表面张力可以认为是影响很小的，CAE的应用，使得可以通过控制注射压力、注射速度和零件厚度来控制成型过程

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