（机械制造及其自动化专业论文）微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 摘要 随着微机械系统的蓬勃发展，微型塑件作为微机械系统的重要组成构件，在 许多高新领域中的应用越来越受到重视。而应用微型注塑模具成形的微型塑件， 因其具有常规模具成形制件的一系列优点，十分符合微机械系统研究的最终目 标。因此，微型模具及其成形加工技术的研究，对推动微机械系统研究成果的实 用化与大批量生产，扩大微机械科学技术的研究与应用领域，以及促进我国精密 微型模具的技术水平发展都具有十分重要的理论意义和应用价值。 本文所作的主要工作如下： 1 对微注塑成型技术进行阐述，介绍微注塑模具的基本结构，为后面的注塑 模具及其零部件的设计做好铺垫。 2 阐述传统注射成型中熔体充填过程数学模型的建立方法，解释微尺度下熔 体充填流动的特点，分析微通道中熔体的对流换热、尺度效应、表面效应等因素。 结合微注射成型工艺特点，对粘性流体力学基本方程进行了合理的假设和适当的 简化，建立微注射成型中熔体充填流动的控制方程。 3 利用m o l d f l o w 分析软件，对微齿轮塑件的浇口进行分析和设计，模拟分析 注射成型充填流动过程中的四个工艺参数一注射速度、模具温度、熔体温度、注 射压力对微型齿轮塑件的填充影响程度及趋势。采用单因素法，进行数值模拟分 析。设计扇形浇口并进行填充模拟分析，确定最优浇口。 4 微注射成型模具设计：采用主体结构和微型腔镶块结构相结合的模式，主 体结构部分包括调温系统、抽真空结构、基本的模板、导柱、项出装置等；型腔 镶块设计与制作工艺，型腔结构强度与刚度校核；浇i z i 套与脱模机构设计；调温 系统根据变模温注射成型循环工艺，采用电热水冷变模温控制方式；抽真空系统 设计，模具密封+ 排气系统；注塑机校核。 5 运用m o l d f l o w 分析软件，采用正交实验设计方法进行模拟，得到工艺参 数对填充率的主次影响顺序及其最优水平组合。 6 利用u g m 0 1 d 、i z 砌模块及运动仿真模块，根据u g 注塑模具向导，对微齿 轮注塑模具进行仿真设计，对注塑模具组装过程及运动原理进行模拟分析 关键词：微齿轮微注射成型技术模具设计m o l d f l o w 模拟分析u g 建模 一丝堂竺壅望盛型堡墨里笙竺窒兰笪塞望盐 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - i _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ - - - _ l _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ - - _ _ - 一 青岛科技大学研究生学位论文 t h e o r yr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n d e s i g no fm i c r og e a ri n j e c t i o n m o u l d a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to fm i c r om e c h a n i c a ls y s t e m a st h e i m p o r t a n tc o m p o n e n to fm i c r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m i n i a t u r ep l a s t i cp a r t sc a t c hm o r e a n dm o r ea t t e n t i o ni nm a n yo ft h ea p p l i c a t i o no fn e wh i g h - t e c hf i e l d s d u et oas e r i e s o fa d v a n t a g e st h es a m ea sp a r t sm o l d e db yt h et r a d i t i o n a lm o u l d ，m i n i a t u r ep l a s t i c p a r t sm o l d e db ym i n i a t u r em o u l di sv e r ya c c o r d w i t hu l t i m a t eg o a lo fm i c r o m e c h a n i c a ls y s t e mr e s e a r c h t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fm i n i a t u r em o u l da n di t sf o r m i n g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sm u c hb e n e f i c i a l t oa n do fv a l u et o p r o m o t i n gp r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n dm a s sp r o d u c t i o no fm i c r o m e c h a n i c a ls y s t e m 、e x p a n d i n gt h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nf i e l do f m i c r o - m e c h a n i c a lt e c h n o l o g y 、p r o m o t i n gt h et e c h n i c a ll e v e lo f p r e c i s ea n dm i n i a t u r em o u l do fo u rc o u n t r y t h em a i nw o r ko f t h ep a p e ri s ： 1 i n t r o d u c et h e m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g ya n db a s i cs t r u c t u r eo f m i c r o - i n j e c t i o nm o u l df o rl a y i n gt h eg r o u n d w o r ko fl a t t e rd e s i g no fm o u l da n di t s c o m p o n e n t s 2 i l l u m i n a t et h em e t h o d so f b u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m e l tf i l l i n gp r o c e s s r e l a t e dt ot r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g ，e x p l a i nt h em e l tf l o w i n gc h a r a c t e r i s t i cu n d e r t h em i c r o s c a l e ，a n a l y s et h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r 、s c a l ee f f e c t 、s u r f a c ee f f e c to f m e l t c o m b i n i n gw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y , m a k e r e a s o n a b l ea s s u m p t i o n sa n da p p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o nt o v i s c o s i t yf l u i dm e c h a n i c s e q u a t i o n sa n de s t a b l i s ht h em e l tf i l l i n g a n df l o w i n gc o n t r o le q u a t i o no fi n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s 3 u s i n gm o l d f l o wa n a l y s i ss o f t w a r et oa n a l y s ea n dd e s i g ng a t eo fm i n i a t u r eg e a r p a r t s ，m a k es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ff o u rp r o c e s sp a r a m e t e r so fi n j e c t i o nm o l d i n g ： i n j e c t i o nv e l o c i t y 、m o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n di t s i n f l u e n c eo ff i l l i n gt h em o u l dc a v i t y d e s i n gf a n g a t ea n dm a k ef i l l i n gs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，d e t e r m i n et h eo p t i m a lg a t e 4 t h ed e s i g no fm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gm o u l d ：t h em a i ns t r u c t u r ep a r t si n c l u d e t e m p e r a t u r es y s t e m 、v a c u u ms t r u c t u r e 、b a s i ct e m p l a t e ，g u i d ep i n 、e j e c t o rd e v i c e s 。 e t c ；t h ed e s i g no fc a v i t yi n s e r ta n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，c a v i t ys t r u c t u r es t r e n g t ha n d 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 s t i f f n e s sc h e c k ；s p r u eb u s hd e s i g na n dd e m o u l d i n gm e c h a n i s md e s i g n ；t e m p e r i n g s y s t e mu s e st h et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 m e t h o db yu s i n ge l e c t r i ch e a t i n ga n dw a t e r c o o l i n g ；v a c u u m - p u m p i n gs y s t e md e s i g n ；i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec h e c k 5 u s i n gm o l d f l o ws o f t w a r ea n da d o p t i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n ，m a k e f i l l i n ga n a l y s i s ，g e tt h ee f f e c to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sp u to nt h ef i l l i n gr a t e ，g e tt h e o p t i m a ll e v e lc o m b i n a t i o no fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 6 u s i n gu g m o l d w i z a r dm o d u l ea n dm o t i o ns i m u l a t i o nm o d u l e ，b a s e do nu g i n j e c t i o nm o u l dg u i d e ，d e s i g nm i c r o - i n j e c t i o nm o u l d o fm i n i a t u r eg e a ra n da n a l y s et h e m o t i o np r i n c i p l eo fm o u l d k e y w o r d s ：m i n i a t u r eg e a r m i c r o - i n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y m o u l dd e s i g n m o l d f l o w u g m o d e l i n g v 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 微机械系统，因其体积小、重量轻、能耗低、效率高等特点，在精密仪器、 航空航天、生物医疗等诸多领域有着非常广阔的应用前景，受到世界各国的高度 重视，成为新世纪科学研究领域的热点。作为微机械系统的重要组成构件，微型 塑件在上述各领域中的应用也越来越受到重视。而应用微小模具注塑成形的微型 塑件，因其具有常规模具成形塑件的一系列优点，十分符合微机械系统研究的最 终目标。因此，微型模具及其成形加工技术的研究，对推动微机械系统研究成果 的实用化与大批量生产，扩大微机械科学技术的研究与应用领域，以及促进我国 精密微型模具的技术水平发展都具有十分重要的理论意义和应用价值。微注射 成型产品应用领域综述见表1 1 【2 刮。 表1 1 微注射成型产品的应用领域 t a b 1 1a p p l i c a t i o nf i e l d so fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t 应用领域 微机械 信息存储 生化医疗 光电通讯 检测技术 自动控制 影响传输 微注射成型产品 微齿轮系列、微操作杆、微泵、微马达等 c d d v d 、硬盘读写接头等 生物芯片、细胞培养用微型容器、血糖血压传感器等 微光学镜头、插头式光线连接器、0 l e d l e d 导光板等 微型压力、温度传感器、旋转传感器中的衍射光栅等 微开关、微连接器等 打印机喷墨头等 1 1 微注塑成型技术及发展概况 微注射成型技术涉及多个学科，如：高分子材料、流体力学、机械设计与制 造等。其主要内容包括：精细微结构产品设计、微注射成型材料、微注射成型成 型工艺及设备、微注射成型模具设计和加工制造等。而由于微注塑成型技术对制 品成型尺度微小化、成型精度精密化等的特殊要求，使其与传统注塑成型技术之 间在成型对象、成型工艺及设备等诸多方面存在不同差异和要求。 1 1 1 微注射成型产品定义 微注塑成型产品尺寸通常非常小，多为亚微米、微米尺度甚至纳米尺度，产 品质量仅以毫克度量。根据微注塑成型产品的结构特点，m a l 等学者通常将其 分为如下几类【4 】【5 】： a 微量注射成型件( m i c r oi n j e c t i o nm o l d e dp a r t ) ，此类微注射成型零件质量以 毫克( m g ) 为计算单位，主体尺寸通常小于l m m ，但其尺寸精度不要求达到微米 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 ( 岬) 级。例如微泵、微齿轮等微细零件。 b 具有微结构几何特征的微注射成型件( i n j e c t i o nm o l d e dp a r tw i t hm i c r o s t r u c t u r er e g i o n ) ，此类微注射成型零件质量不以毫克( m g ) 为计算单位，主体尺 寸大于l m m ，但其微型结构的尺寸达到微米( 岬) 级。例如c d d v d 光碟。 c 微精密零件( m i c r op r e c i s i o np a r t ) ，此类微注射成型零件不以毫克( m g ) 为 计算单位，但其尺寸精度和几何精度要求达到微米( g m ) 级。例如光电通讯中所 用光纤连接器定位套圈( f e r r u l e ) ，其尺寸精度要求非常严格，内孔尺寸偏差要求 小于0 5 岬。 d 微量精密注射成型件( m i c r oi n j e c t i o nm o l d e dp r e c i s i o np a r t ) ，此类微注射成 型件，既要求质量以毫克( m g ) 为计算单位，又要求尺寸精度达到微米( g m ) 级，是技术难度最高的微注射成型产品。例如基因治疗用微针，其针尖曲率半径 要求达到0 1 k t m 。 表1 2 微注射成型产品典型应用f 6 】 t a b 1 2m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c ts p e c i a la p p l i c a t i o n 目前，可成型制件的件仅重0 0 0 0 3 9 ，壁厚为0 0 1 m m ，尺寸公差为0 0 0 5 m m 。 微注塑成型技术的概念是个相对的概念，随着科学技术的不断发展，对微型 塑件的外形尺寸、尺寸精度和重量必将有更高的要求。 1 1 2 微注射成型材料 在微注塑成型过程中，由于模具具有微小的流道及型腔尺寸，因此要求流动 性好的塑料；若有特殊需要，则要求高强度的塑料，因此材料通常选用工程塑料 或特种工程塑料。用于微注射成型的材料必须具有优越的性能，如：黏度低、流 动性好、快速固化、固化温度差值小、机械性能高、尺寸稳定性好等。 台湾的沈永康【_ 7 】等通过实验指出：选择不同的材料，微结构的填充效果会有很 大差异；在注射压力很小、模具温度不高的情况下，流动性好的材料比较容易填 充满型腔。并通过填充效果对比，得出p p 相对于p o m 和p a 是最适合注塑成型的 2 青岛科技大学研究生学位论文 材料。 丹麦的u a t h e i l a l e ：h n h a n s e n 8 1 通过对微结构复制质量影响因素进行研究， 发现在材料特性中，影响复制质量的两个重要因素为熔体的粘度和弹性。 除此之外，还应考虑其他特殊使用性能，如光学性能、力学性能、电学性能 及医学性能等，如表1 3 。 表1 3 聚合物材料特性及应用 t a b 1 3m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n 1 1 3 微注射成型机 微注射成型技术发展之初，为实现塑件的成型，通常采取传统大中型注射成 型机搭配多模腔模具设计的方法，但是此方法不仅要求精确的模具流道平衡设 计，而且难以控制塑件的成型品质，因此微注射成型需要应用专用的注射成型设 备来适应零件高精度和微型化的要求。与传统注射成型机相比，微注射成型机必 须具备许多特殊要求，主要包括以下几个方面2 1 ： 1 ) 高注射速率 微型塑件体积与质量微小，为防止熔料过早凝固而导致塑件欠注，要求在极 短的时间内完成注射，因此要求很高的注射速度。 2 ) 精密注射量计量 微型塑件的质量以毫克计量，因此微注射成型机需要精密计量每一次注射的 控制单元，要求毫克级别的质量控制精度，微米级别的螺杆行程精度。 3 ) 快速反应能力 微小的注射量决定了注射机的螺杆柱塞的移动行程也应相当微小，因此微 注射成型机的驱动单元的反应速度必须相当快，才能保证设备能在瞬间达到所需 注射压力。 4 ) 小的合模力与机器尺寸 虽然微注射成形时要求很高的注射压力，但是由于塑件尺寸微小，相应的分 型面截面面积也相对较小，因此小的合模力完全可以满足需要。另外，随着零件、 模具尺寸的减小，相应的微注射成形机整体尺寸也在不断减小。 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 目前在全球有十几家公司开展了微型注塑机的开发与研制，国外主要设备供 应厂商包括n i s s e i 、d r b o y 、b a t t e n f e l d 、m c p 、b a b y p l a s t 、高桥等3 1 。微注射 成形机及其主要性能参数如表1 4 【6 1 。 表1 4 微注射成型机主要性能参数 t a b 1 4m a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fm i c r oi n j e c t i o nm a c h i n e s 微注射成形机通常包括塑化、计量和注射三大主要功能，其可以通过各部分 的驱动方式分类，也可以通过各部分的机构设计分类【4 】。 按驱动方式分类，可分为全电式驱动、液压气压式驱动和电液复合式驱动。 全电式驱动：设备所有单元均采用伺服电机驱动。其优点是反应速度快，控 制精度高，对环境污染小；缺点是伺服电机输出的推力有限，所能达到的注射压 力和速度不高。 液压气压式驱动：塑化单元和注射单元的旋转往复运动均靠液压气压系 统来驱动。其优点是所能达到的注射速度和注射压力高，可以满足微注射成形工 4 青岛科技大学研究生学位论文 艺的要求：缺点是控制精度较差。 电液复合式驱动：将液压式驱动的高注射压力、注射速度与全电式驱动的精 确控制和快速反应相结合，作为系统的驱动源。 按塑化和注射单元的机构设计分类，可分为单柱塞式、单螺杆式、双柱塞式、 双螺杆式及螺杆柱塞混合。 1 1 4 微注射成型工艺 微注射成型技术源于传统的宏观注射成型技术，其工艺过程同传统的注射成 型具有许多相同之处，但由于微注射成型零件的尺度及精度要求较传统注射成型 零件高许多，微注射成型技术的工艺过程相应增加了诸多新的工序和要求。两者 工艺过程对比，如图1 1 所示。 a 常规注射模具加工工艺过程 b 微注射成型模具加工工艺过程 图1 1 注射成型工艺 t a b 1 1i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 微注射成型工艺按顺序分为多个工序，其主要工序包括：聚合物预塑、合模、 型腔抽真空、模具快速加热、精密计量注射充填、保压、模具快速冷却及开模、 制品脱模等。其主要过程如下【4 】： 塑化注塑机的塑化单元将材料加热到所需温度，使材料融化然后搅拌均 匀，使材料的成分均匀、热度统一； 抽真空采用真空泵，借助微小管道把受热的空气从型腔中快速抽出。这 个工艺可以消除在熔体充填过程中导致的塑件欠注和制品中的气泡等不良缺陷。 模具升温完成抽真空后，模具通过加热系统，快速升温达到符合要求。 由于温度较高，充填中的熔融材料不会过早冷却、凝固进而造成塑件的欠注。通 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 常情况下，所需的模温一般要高于塑料的玻璃化转变温度。 注射充填该工艺是整个成型工艺中最重要的核心内容。通过光电检测及 控制系统将精确计量体积的熔体注射入模具微型腔，从而保证微结构零件的尺寸 及质量精度要求。 快速冷却注射完毕，为缩减冷却时间及整个周期，通过快速冷却系统的 作用，迅速降低模具温度。 脱模动模部分与定模部分分开，通过一定的设备，推出或吸出成型制件。 对于微注塑工艺的研究，由于试验条件与方法的差异，目前世界各地学者并 没有获得统一言论，大多数学者认为成型工艺最重要的参数是模具温度。 由于试验条件与方法的差异，目前关于微注射成型工艺的研究并未获得统一 的结论，只是普遍认为注射成型工艺最重要的参数是模具温度，而对于其他工艺 参数的研究也不够充分深入。 k u k l ac ，d e t t e rh ，l o i b lh 等【5 】学者指出，相比传统注射成型模具温度，微 注射成型模具温度必须提高，可采用“变温工艺”来控制模具温度。在注塑前对 模具进行加热，注塑完成后，采用冷却技术将模具温度快速降低到脱模温度，以 缩短成型周期。 新加坡的n a ns h i n go n g 和y e o wh w e ek o h t l 4 1 对成型工艺参数与塑件成型的 关系进行了研究。结果显示：在微型腔的填充中，模具温度起着最重要的作用， 注射压力和注射速率次之；型腔厚度减小，注射速率的作用也不会受到多少影响； 相对于注射压力来讲，注射速率的作用更明显：为获得高质量微塑件和消除微流 道填充不足的缺陷必须考虑3 个因素：高的模具温度、高的注射速率和高的注射 压力。 丹麦的u a t h e i l a l e ：h n h a n s e n 8 】对影响复制微结构质量的因素进行了研究。 结果表明：在微注射成型过程中，影响微结构复制质量的因素主要有三个：材料特 性、成型条件和模具结构。成型条件中，模具温度是最重要的影响因素，高的模 具温度可以提高微结构的复制精度。模具结构的影响：微结构的复制质量同模具 结构的尺寸存在线性关系；微通道的宽度越宽，熔体流动性就越好，复制的质量 也就越高。 1 1 5 微注射模具设计方法 微型注塑模具作为微型塑件的成形工艺装备，其制造技术和发展水平，对微 型塑件的成形质量至关重要。为了微注射成型工艺的进行，还需研究微型注塑制 品模具的设计与制造技术、初步建立微注塑成型模具的设计准则、开发微型模具 制造工艺。如：微注射成型模具的总体设计、浇注系统的设计、模具变温控制系 6 青岛科技大学研究生学位论文 统、脱模机构、排气系统等。 ( 1 ) 微注射成型模具总体设计 目前微型模具的设计多采用主体结构和微型腔镶块结构相结合的模式，主体 结构部分包括调温系统、抽真空结构、基本的模板、导柱、顶出装置等。微型腔 布置在微模具镶块上。这种设计不但有利于微型腔的加工，也有利于微型腔部分 的更换，可以提高整体模具的使用寿命。 ( 2 ) 浇注系统的设计【1 5 1 9 】 浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成，其中重点是浇口的 设计。 浇注系统各部分的设计简述 主流道要与高温的塑料和喷嘴反复接触和碰撞，所以模具的主流道部分常设 计成可拆卸更换的浇口套。采用浇口套以后，不仅对主流道的加工和热处理以及 衬套本身的选材等带来很大方便，而且在主流道损坏后也便于修磨或更换。 单腔注塑模通常不用分流道，但多腔注塑模必须开设分流道。要求熔体通过 分流道时的温度下降和压力损失都应尽可能小，而且要求分流道能平稳均衡地将 熔体分配到各个模腔。 设计分流道时注意事项： 考虑到流动阻力和热量损失，并且能够在保证将熔体顺利填充完模腔的情 况下，尽量减小分流道截面积和长度，以便降低原材料消耗。 如果分流道长度比较长，应该在流道的末端留有冷料穴，这种方法不仅可 以防止冷料堵塞浇口或注入模腔，造成充填不足或影响熔接强度，也可以留有多 余空间安装传感器。 浇口连接型腔和流道，是注塑模进料系统的最后部分，其基本作用： 使从流道来的熔融塑料以最快的速度进入并充满型腔。 型腔充满后，浇口能迅速冷却封闭，防止型腔内还未冷却的热料回流。 ( 3 ) 变模温控制系统【1 , 4 , 2 0 】 虽然微注射制品的体积小、重量轻，但流动阻力大，成型周期长，同时在注 射成型时因模壁温度低于玻璃化转变温度，因此热由模壁带走导致塑料凝固形成 冷凝层，从而导致充填不足，如图1 2 ，为此成型时所需的模温需要达到一定高 温，帮助熔体流动，但高模温又使冷却周期增长。因此考虑采用变模温控制系统， 在注射之前先将模温升高到可完全充填的温度，然后再注射成型，充填完成后再 将模具温度降到凝固温度以下。 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 图1 2 模具温度对熔体充填的影响 f i g 1 2i n f l u e n c eo fm o u l dt e m p e r a t u r eo nm e l tf i l l i n g 当前研究用于微注射成型中的变模温控制方法主要有电热水冷、感应加热、 薄膜电阻式加热、复合模壁绝热一加热和复合模壁绝热一压缩热空气加热这几种。 电热水冷变模温控制在加热速度上比传统注射成型中的变油( 水) 温模温控 制方法要快很多，成本低，实现起来简单，但是存在一些不足：整个模板都被加 热，能耗大，增加了冷却时间；电热管需要插入模板，在空间布置上受到许多约 束，必然会导致加热不均。 感应加热变模温控制不需要改变模具本身结构，对不同产品的模具只需要更 换感应线圈，通用性强，特别适用于复杂型腔模壁的加热；由于电磁感应加热的 集肤效应，只对模壁进行加热，因此加热速度快，效率高。它的缺点是：控制系 统和实现机构较复杂：交变的电磁场对周围的仪器设备会产生不良影响，必须严 格控制电磁场的作用范围。 薄膜电阻式加热变模温控制温度，控制方便，反应灵敏，能源利用率高。但 是，电阻绝缘层存在一定的安全隐患，使用寿命有限，对较复杂的微型腔，镀层 的制作困难。 复合模壁绝热一加热变模温控制方法弥补了薄膜电阻式加热变模温控制方法 在安全性和使用寿命上的不足，但是对于复杂微型腔复合模壁的制作，困难依然 存在。 复合模壁绝热一压缩热空气加热变模温控制，这种变模温控制方法中，空气压 缩加热的设备可根据需要采购，由于微注射成型中一般需要配备真空泵在充填前 对型腔进行抽真空，f 好可以与压缩热空气注入设备配合使用，但是加热效率低， 升温速度慢。 红外辅助模具的加热系统，该系统在注塑机运行的每个周期都将被置于模具 的前后两块模板之问，通过红外线装置来加热模具表面的特定区域到规定的温 度，一般在玻璃化转变温度上以上。当该装置被移走后，注塑机合模，模具的最 终温度由冷却系统来控制。有实验表明，在该方法下，型腔的流动性良好，填充 8 青岛科技大学研究生学位论文 迅速，制品可以形成很好的显微结构。例如模具温度是8 0 摄氏度，加热超过1 0 秒可以具有显微特征的型腔进行填充。 ( 4 ) 脱模机构的设计 常规的推杆推出结构直接将推杆顶在制件的非重要面上，开模到一定距离 时，注射机推出装置推动推杆将制品顶出。 特殊的脱模方式：由于微型塑件尺寸小、强度低，采用常规的脱模方式难以 满足要求，因此可以采用吸附式脱模方式。德国的m i c h a e h 等【2 l 】针对蜂窝状结 构的微制品，提出了三种新的脱模理念，一是通过机械装置将已注塑成型制品的 型腔拆分，然后取出制品，二是采用超声波方法进行脱模，三是采用真空吸附装 置进行脱模 ( 5 ) 排气系统的设计 传统模具的排气方法一般是在分型面上开设排气槽排气，但微塑件型腔尺寸 过小，传统方法不能保证排气效果，因此常采用抽真空系统排气。注射之前，使 用真空泵对型腔进行预抽真空处理，然后在注射过程中继续对型腔进行抽真空， 以保证良好的排气效果。 1 1 6 微注塑模具制造技术 制造微型模具的难点在于微小型腔或局部微小结构的加工，而微型模具其他 结构零件的制造与普通模具基本一致。首先可以在一个很小体积的金属块上进行 微小型腔的加工，然后把金属块作为一个镶块嵌入模板，再进行整体装配，这不 仅便于微小型腔的微细加工和镶块的更换，而且能够提高模具整体的使用寿命。 微注塑模具的型腔需采用精密加工技术进行加工，除传统的微细电火花、慢 走丝线切割等切削加工外，对局部微小尺寸用l i g a 加工技术进行加工。一般说 来，采用u v l i g a 技术完成微型腔的加工，然后采用电火花放电加工方法完成流 道和排气系统的加工，最后对分型面进行抛光和清洗等后续处理。 目前用于微型模具型腔制造的相关技术，按其加工方式的不同可分为【4 击1 ： ( 1 ) 光制作技术，如l i a g 技术、u v - l i g a 技术、激光加工技术、x 射线光刻、 电子束光刻等，以光制作为主的微加工技术主要用于微米量级零件( m i c r o - p a r t s ) 的加工，其加工精度可达1 0 n m 以下。 ( 2 ) 微机械加工技术，如微铣削、微车削、微磨削加工等传统加工法。 微 机械加工技术则一般用于毫米量级零件( m i n i a t u r iz e dd a r t s ) 的加工，其加工精 度可达1 0 0 r i m 以下。但是微机械a nt _ 零件的几何结构通常都是回转体或平面等比 较简单的形体。当模具型腔结构复杂并且精度要求高时，光制作技术不仅能够达 到设计要求而且成形效率较高，因此在未来的微型模具制造中将发挥重要作用。 9 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 ( 3 ) 电化学微细加工，例如电火花 j 1 1 _ t _ ( e d m ) 、电火花线切割加工( w e d m ) 、 线电极电火花磨削( w e d g ) 等。对于原材料不适合传统机械加工或者只允许在工 件上施加非常小的工作压力时，可以用电化学微细加工的方法来成型。其中微细 电火花加工所用的微小电极本身就制作困难，并且加工后模具的表面粗糙度难以 达到要求，需要进行后续研抛加工从而降低生产效率，所以应用范围有限。 表1 5 微注射成型模具型腔的主要加工方法【6 】 t a b 1 5t h em a i np r o c e s s i n gm e t h o d so fm i c r oi n j e c t i o nm o u l dc a v i t y 加工方法机构尺寸 深宽比模具镶块材料 超精度洗削1 0 0 1 0 0 0 p m 1 0 - 5 0 镍、铝 电火花加工1 0 - 1 0 0 0 1 a m 1 0 1 0 0 钢 激光烧灼及电镀5 - 5 0 0 9 m 1 - 1 0 镍合金 硅微细加工及电镀2 - 5 0 0 9 m 1 - 1 0 镍合金 u v - l i g a 2 - 5 0 0 9 m 1 1 0 镍合金 l i g a 0 5 1 0 0 0 “r n 1 0 - 1 0 0 镍合金 电子束光刻及电镀0 1 - 0 5 1 a m 1 - 2 镍合金 下面简单介绍几种微细加工技术【2 2 2 5 ： 1 l i g a 技术 l i g a 技术是近年来发展起来的新型光制作技术，名称源於德文，意指为深度 x 射线刻蚀、电铸成型和塑料铸模等技术的完美结合。其主要工艺流程如下。 ( 1 ) 深度x 射线刻蚀：利用同步辐射x 射线在几百微米厚的光刻胶上刻蚀出较 大高宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到1 0 0 。 ( 2 ) 电铸成型及制模：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直 至金属填满整个光刻胶的图形空隙为止。实际上，这一过程是将光刻胶图形转化 为相反结构的金属图形。此金属结构可作为最终产品，也可以作为批量复制的模 具。 ( 3 ) 注模复制：将去掉基板和光刻胶的金属模壳附上带有注入孔的金属板，从 注入孔向型腔中注入塑料，冷却后去掉模壳。在金属板上留下一个塑料结构，此 塑料结构作为微制品。 2 u v - l i g a 技术 适于中厚度的光刻胶的u v l i g a 技术已得到广泛应用，其技术实质是用深紫 外光的深度曝光来替代l i g a 技术的同步辐射x 射线深度曝光。相比x 射线，深 紫外线的曝光深度要低很多，当曝光较厚的p m m a 光刻胶( 大于4um ) 时需要采用 多次曝光、多次显影的方法来实现。现在i b m 公司研发出一种新型的负深紫外线 光刻胶s u 一8 ，能减少曝光次数，得到较好的曝光效果。下为该技术的主要工艺流 程。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 ( 1 ) 甩胶：先在基底上旋涂一层种子层( 增粘剂) ，然后用甩胶机把光刻胶完全 均匀地涂覆于基底表面，再进行前烘、冷却。 ( 2 ) 深度紫外线曝光：利用紫外线在s u - 8 光刻胶上刻蚀出光刻胶图形，即将掩 模板上的几何图形精确地转移到光刻胶层中的过程。 ( 3 ) 显影：通过化学作用将未曝光的胶层去掉，而显现出曝光部分胶层的影像。 ( 4 ) 电铸：将金属从电极上沉积在底板的光刻胶图形的空隙里，直至金属填满 整个光刻胶的图形空隙为止，此金属结构作为批量复制的模具。 ( 5 ) 去胶：去除微型腔内的胶层 ( 6 ) 注模复制：用注塑成形方法在金属结构上复制出与金属微结构相反的塑料 微结构制品。 光源 世坐型坐攀掩黻墨墨墨丑五墨墨圜皇墨医茇e 墨盯 匿耋娶耋娶函 ( b ) 光刻中烘 垦坠盘璺臭图 ( c ) 匣影 量堕堡曼熟墅曼 ( e ) 去胶剧形金属模具 图1 3u v l i g a 加工工艺过程 f i g 1 3u v - l i g aw o r k i n gp r o c e s s 3 电子束光刻技术 电子束光刻技术是利用电子束作用在光刻胶上形成微纳米结构的一种加工 技术。它需要一个产生电子束的曝光机，目前曝光机主要有两种类型：直写式 和投影式。直写式曝光机将聚集的电子束直接打在表面涂有光刻胶的衬底上，不 需要光学光刻工艺中昂贵的掩膜。而随着直写式电子束曝光机的小型化，直写式 光刻技术在科研中的应用将越来越广泛。但是其局限性在于，电子束是扫描成像 型的，生产率极低，远未达到光学光刻所能达到的4 0 - 1 0 0 片小时的生产率，很 难适用于大规模批量生产。正因为如此，电子束光刻一般用于制作高精度掩膜。 4 刻蚀技术 所谓刻蚀技术就是用化学或者物理的方法有选择的从基片表面除去不需要 材料的过程。其从机理上分为湿法和干法两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被 刻蚀薄膜进行反应的溶液中，用化学方法除去不需要部分的薄膜。干法刻蚀是 将被加工的基片置于等离子体中，在带有腐蚀性，具有一定能量粒子的轰击下， 反应生成气态物质，去除被刻蚀薄膜，此种方法一般具有各向异性。干法刻蚀 的种类较多，根据其作用机理可分为物理刻蚀，化学刻蚀，物理一化学刻蚀三类。 在干法刻蚀中，物理溅射作用越大，侧向刻蚀越小，各向异性越好，但是其选择 微齿轮注塑成型模具理论研究与仿真设计 性差，刻蚀速率低，对基片损伤大。干法刻蚀可以分为等离子体刻蚀，反应离子 刻蚀，溅射刻蚀，离子束刻蚀，反应离子束刻蚀等。 5 微细车削 微细车削是加工回转类零件的有效方法。加工微型零件时要求有合理的微型 化车床、状态监测系统、高速高回转精度主轴、高分辨率的伺服进给系统，且刀 刃足够小、硬度足够高的车刀。相比普通车削，微细车削的车床和刀具更小，当 然工件也更小。 6 微细铣削 微细铣削技术主要是采用直径几十微米至一毫米的微型立铣刀，在常规尺寸 的超精密机床上进行微细加工。由于这些机床主要用於加工精度很高的非微小 几何尺寸零件，通常需要昂贵的设计和制造工艺来达到期望精度，而对於微小零 件，则缺少必要的柔性，且成本高，效率低。研发制造一种微型化的铣削加工设 备迫在眉睫，它具有节省空间，节省能源，易于重组，成本低等优点。 7 微细磨削 微细磨削加工是将砂轮和砂带表面的磨粒近似看成刀刃，整个砂轮可以看作 刀具。磨削加工微器件时需注意以下问题：磨粒在高速高压高温情况下会变钝； 磨粒在高速情况下会脱落。磨削加工专门用于硬而脆的材料，磨削加工中磨轮 的切削刃保持锋利状态是加工中的关键，利用e l i d ( 在线电解修整砂轮) 技术 在磨削加工过程中进行磨轮的微细修整是行之有效的方法。另外选用硬度高，耐 高温，耐磨的磨粒材料会减缓磨粒变钝和脱落情况。 8 微细电火花加工 微细电火花加工原理和普通电火花加工原理基本相同，都是基於在绝缘的工 作液中通过电极和工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的材 料，以达到对零件尺寸，形状及表面质量预定的加工要求。 微细电火花加工具有低应力，无毛刺，可加工高硬度材料等优点，在微细 加工领域中被广泛的采用，已成为该领域一个重要的发展方向。 1 2 微注射成型技术发展趋势 由于微注射成型技术是新兴的技术领域，许多基础理论还不够完善，成型工 艺也不够成熟，因此需要进一步探索和研究。微注射成型技术的发展面临着很多 挑战，主要表现在如下几方面 1 3 2 6 】： ( 1 ) 完善新材料的成型工艺研究，发展适用性广的新型材料。需要开发粘度 低、热稳定性更好的材料。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 ( 2 ) 探索材料新的塑化方式，解决现有塑化方式带来的诸多问题，寻求整洁、 高效的塑化方法。 ( 3 ) 研究和改进微注射成型技术中的辅助装置，确保得到合格的制品。比如 温度控制、抽真空装置等还有待进一步改进。 ( 4 ) 提高微注射成型机的精度、效率，完善产品检测单元，为注塑机提供可 靠的性能测试和评价标准。 ( 5 ) 丰富和完善微型模具制造方法和工艺。 ( 6 ) 技术的网络化和智能化的研究，使微注射成型机在计算机和网络的帮助 下实现多元控制和远程在线控制。 总之，需要不断发展与完善微型注塑模具和微注射成型机的成型理论和制造 方法，寻找和研制适合生产微型塑件的材料，开发相应的检测元件、装置和技术， 扩展其应用范围。 1 3 本课题的主要内容 1 对微注塑成型技术进行阐述，介绍微注塑模具的基本结构，为后面的注塑 模具及其零部件的设计做好铺垫。 2 阐述传统注射成型中熔体充填过程数学模型的建立方法，解释微尺度下熔 体充填流动的特点，分析微通道中熔体的对流换热、尺度效应、表面效应等因素。 结合微注射成型工艺特点，对粘性流体力学基本方程进行了合理的假设和适当的 简化，建立微注射成型中熔体充填流动的控制方程。 3 利用m o l d f l o w 分析软件，对微齿轮塑件的浇口进行分析和设计，模拟分析 注射成型充填流动过程中的四个工艺参数一注射速度、模具温度、熔体温度、注 射压力对微型齿轮塑件的填充影响程度及趋势。采用单因素法，进行数值模拟分 析。设计扇形浇口并进行填充模拟分析，确定最优浇口。 4 微注射成型模具设计：采用主体结构和微型腔镶块结构相结合的模式，主 体结构部分包括调温系统、抽真空结构、基本的模板、导柱、顶出装置等；型腔 镶块设计与制作工艺，型腔结构强度与刚度校核：浇口套与脱模机构