（机械电子工程专业论文）高效微量灌注技术的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着电子技术的发展和电子元件朝着小型化发展，即灌注的产品越来越小 型化，一般的真空灌注设备已不能满足要求，从而需要能进行微量灌注的真空 灌注设备，这就出现了微量灌注的研究。本课题结合浙江某打火机厂的打火机 构灌封项目，进行了高效微量灌注技术研究，并将该技术应用于生产，我校现 已生产出m v c d s 系列树脂真空微量灌注机。 作为技术难点，本文对定量精度的控制、智能温度控制系统以及微量灌注 的高生产率进行了详尽地研究和实验。为了提高微量灌注机的可靠性，微量灌 注机的测控系统设置了超限报警功能，包括温度超限报警、时间超限报警、欠 压报警等报警装置。 本文利用粘性流体力学理论、电、物理、化工等学科理论，对灌注喷嘴的 结构形式和微量灌注的工作方式进行综合分析和评价，提出了可行的方案，确 定各因素的控制方式，从而实现微量灌注的定量精度的控制。 本文论述了微量灌注机采用工业控制计算机和可编程控制器组成的二级测 控系统。对微量灌注的智能温度控制系统进行了初步研究，采用了自适应p i d 控制算法实现温度的更精确控制。 关键词：微量灌注定量精度控制滴灌智能温度控制高效 西安理工人学硕士学位论立 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i c c o m p o n e n t , n a m e l y ，e f f u s i n gp r o d u c t sb e c o m em i n i a t u r e g e n e r a lv a c u u m _ c a s t i n gd e v i c eh a sn o t s a t i s f i e dt h e s er e q u i r e m e n t s ，t h e r e b yt h ev a c u u mc a s t i n gd e v i c ei sr e q u i r e dt ob e i n gm i c r o - c a s t i n g i te m e r g e st h er e s e a r c ho fm i c r o c a s t i n gi nt h i sw a y i nc a s eo ft a k i n go nt h ei t e mo fc a s t i n g - e n c a p s u l “i o ns t r i k e - l i g h tm a c h i n eo fac e r t a i nl i g h t e rc o m p a n yo fz h e n g j i a n g ，t h er e s e a r c ho f h i g h e f f i c i e n c ym i c r o - c a s t i n gt e c h n o l o g y i sc o m ei n t o b e i n g i n t h i st h e s i s ，a n dt h i s t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt op r o d u c e n o wt h ee p o x yr e s i nv a c u u mm i c r o - c a s t i n gd e v i c e s m a l l ( v m c d s 1s e r i e sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e di no u ru n i v e r s i t y i nt h i sp a p e r ，b yw a yo ft e c l m i c a ld i f f i c u l t y ，q u a n t i t a t i v ep r e c i s i o nc o n t r o l ， i n t e l l e c t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dh i g h - e f f i c i e n c ym i c r o s h o td o s i n ga r e s t u d i e da n de x p e r i m e n t e de l a b o r a t e l y f o rt h es a k eo fe n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t yo f v m c d t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fv m c di sc o n f i g u r e do fo v e r s t e p p i n g l i m i ta l a r m ，i n c l u d i n go v e r s t e p p i n gt e m p e r a t u r el i m i ta l a r m ，o v e r s t e p p i n gt i m el i m i t a l a r m ，d e f i c i e n c yo f a i rp r e s s u r ea l a r m u t i l i z i n gt h e s et h e o r y , s u c ha s v i s c o u sh y d r o d y n a m i c s ，e l e c t r i c a l ，p h y s i c a l ， c h e m i c a lt h e o r yi nt h i sp a p e r , s t r u c t u r a lf 0 1 1 1 1o fc a s t i n gn o z z l ea n dw o r km o d eo f m i c r o c a s i n gh a v eb e e ns y n t h e t i c a l l ya n a l y z e da n de s t i m a t e d ，a n df e a s i b l es c h e m ei s b r o u g h tf o r w a r d c o n t r o im o d eo fv a r i o u sf a c t o r sa r ev a l i d a t e d ，a c c o r d i n g l y ， q u a n t i t a t i v ep r e c i s i o nc o n t r o lo f m i c r o s h o td o s i n gi sr e a l i z e d t w og r a d e so ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e di nt h ev m c d t h i sc o n t r o ls y s t e mc o m p r i s e so fi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra n dp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) i n t e l l e c t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fm i c r o s h o td o s i n g i s s t u d i e dp r i m a r i l y , a n dm o r ea c c u r a t ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r ei si m p l e m e n t e dw i t ht h e u s eo fs e l f - a d a p t i n gp r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ( 1i d ) c o n t r o la r i t h m e t i c k e y w o r d s ：m i c r o s h o td o s i n g q u a n t i t a t i v ep r e c i s i o nc o n t r o l d r o ps h o t i n t e l l e c t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o l h i g h e f f i c i e n c y 两安理丁大学硕j 学位论文帮一章绪论 第一章绪论 卜1 课题研究的背景和意义 卜1 1 课题研究的背景 真空树脂灌注机是电视机回归变压器、高压点火线圈、传感器、微电子器 件、超小型的元件等电子元器件灌封的关键设备，其灌封质量直接影响产品的 电气性能和使用寿命。以往我们研究和丌发了中量真空树脂灌注机，灌注量一 般在6 2 0 0 9 ，误差在o 3 4 9 ，主要用于灌注汽车、摩托车点火线圈以及高压 线包、电视机回归变压器等产品，这种灌注属于中量灌注。中量灌注的技术难 点主要是计量技术、定量技术和静态混合技术。计量泵的计量精度在土2 ，这个 难点已解决；定量泵的定量精度在2 ，在中量灌注中已有所突破，另外，混合 器的混合效果也达到各种检验指标，能够保证所灌封产品的电气性能。 近几年来，随着电子技术的发展和电子元件小型化发展，真空树脂灌封技 术也朝着小型和微型发展。灌注的产品越来越小型化，一般的真空灌注设备已 不能满足要求，从而需要能够微量灌注的真空灌注设备，这就出现了微量灌注 的研究。而今随着电子与电气工业的持续的发展，对电子元器件也提出了越来 越高的要求，过去的定量精度和生产率已经远远不能满足现代电子与电器工业 的需求的性能和批量。而在一些传感器、微电子器件、超小型的元器件的灌注 中，灌注量在0 0 5 3 9 ，另外，有的产品需大批量灌注，这种灌注属于高效微量 灌注。 采用真空灌封：l ：艺生产出的产品比其它工艺生产出的产品在质量上要高出 儿个档次。正因为如此，越来越多的企业愿意使用这一高效、无污染且质量上 有保证的设备，真空树脂灌注设备是集机械、电子、计算机控制、化工及过程 控制等技术为一体的高技术产品。国外企业早已采用了真空灌注设备来提高产 品质量，降低成本，增强自身的竞争实力。由于国内灌封行业没有掌握这一设 备的关键技术，不具备生产高性能真空树脂灌注机的能力，造成国外灌封设备 在国内市场上垄断的局面，与此同时随着我国电子、电器行业的迅速发展，国 内企业又迫切需要真空灌封设备，使国外设备价格极高，将高于其成本的几十 倍，使我国在灌封行业发展过程中付出沉重的代价。 目前就打火机打火机构灌封项目看微量灌注技术的情况： 国内外的差距主要是国产打火机构非真空条件下灌注，使用寿命短，废品 率高。而国外的灌封主要是采用真空自动灌注。如果真空灌注在打入国际市场， 预计售价能达到原来的几倍，相比原来的价格提高很多，可节约大量外汇，并 且国产总量2 亿只以上，为企业获得巨大的经济效益。 打火机构的灌封的项目的要求 打火机的打火原理，由我校承接浙江温州打火机厂的打火机构灌注， 这种机构的原理是由外力施压于压电晶体产生高压电打火，即由机械能转变为 电能。压电晶体工作的环境和其连线需要干燥，要用绝缘材料灌注，只有在真 西安理工大学硕十学位论文 第一章绪论 空下灌注才能保证打火机的打火的电气性能，从而提高产品的使用寿命；打 火机构的灌封的定量要求0 0 8 9 _ + o 0 2 9 ；打火机头灌注产量4 5 万只天。 通过检索得知对微量灌注研究，国外已有较深的研究，并应用于生产，而 国内对微量灌注技术至今还没有。越来越多的传感器、微电子器件、超小型元 件需要灌封，再加上最近承接浙江的打火机头灌封项目的生产率和灌注量要求。 基于上述情况，提出了题目为高效微量灌注技术研究的课题。 卜卜2 课题的意义 ( 1 ) 灌注技术方面 所谓微量灌注就是进行微小剂量的灌注。一般定义中量灌注为每次灌注 6 9 2 0 0 9 ，误差l g 5 9 ，微量灌注为每次灌注0 0 4 9 2 9 ，误差0 o l g o 5 9 。 微量灌注与中量灌注相比，量少，且精度要求高，更加难以控制。 目前国外在利用坏氧树脂对传感器、微电子器件和超小型元器件进行灌封 时，必须要求在真空环境下进行。对于关键元器件，采用真空环氧树脂灌封， 一方面是为了除去元器件表面的水份，另一方面是确保灌封后的树脂能够充满 元器件的表面和内腔，从而获得致密、无气孔的组织。随着各种电子电器产品 的大批量的生产，对器件的数量和质量都有了更高的要求，因此就要求真空灌 注操作的自动化。 国内全自动真空树脂灌注机的市场被外国公司垄断，不仅价格昂贵，而且 带来维修不便等问题，客观上阻碍了我国真空树脂灌封工艺的普及。只有进行 微量灌注的研究，使真空灌注技术小型化，研制出能进行微量灌注的真空树脂 灌注设备，才满足灌注的产品越来越小型化的要求。 ( 2 ) 经济效益方面 由于真空树脂灌注设备是高科技产品，技术含量高，非一般的自动化设备。 国内一直都无专门厂家生产。目前国内厂家使用的真空灌注设备一般都是从国 外进口，每年要花去大量的外汇。国外进口的真空灌注设备自动化程度高，但 其价格昂贵，至少要几百万人民币，一般的中小型企业是无法承受的。 目前浙江全省日产该打火机构2 0 0 万只，国内售价仅是国际市场售价的 1 1 0 1 8 。制约我国产品价格低下的主要原因是：国产的打火机构非真空灌注， 使用寿命短，废品率高，打火性能差。 对于国内产品，如采用真空灌注，提高产品质量，打入国际市场，售价可 达原来的7 8 倍。目前我国日产量在几十亿只以上，如果技术开发成功，具有 很高的经济价值。 卜2 微量灌注技术的技术关键 卜2 1 分析影响微量灌注技术的因素 根据微量灌注的灌注要求和灌封料的特性进行分析，影响其精度的因素很 多，主要有灌注料的粘度、料的温度、工件和灌注喷嘴的温度和灌注喷嘴材料 的亲合系数、光洁度、机械尺寸、其表面张力、静电作用、施压时间等。特别 西安理工大学硕士学位论文第一章绪论 是在灌注过程中，由于温度的变化或其它因素的影响，造成灌注料的定量不稳 定，这就容易出废品和次品，而且，由于高生产率的要求，灌注的自动化程度 要求也特别高，为了避免灌注过程中废品连续出现和设备的故障发生。根据以 上情况，要设计一个自动检测报警系统来解决这个问题，一发现预设的工作环 境参数出现异常，设备就及时启动自身保护报警，自动停止运转，以便于工作 人员调整和修理，避免造成更大的经济损失。 卜2 2 微量灌注技术的技术关键 微量灌注技术的技术关键是定量精度的控制、智能温度控制系统以及微量 灌注的高生产率。微量灌注的定量精度控制决定灌注的质量和灌注设备的技术 水平和可靠性，直接影响灌注产品的电气性能，是微量灌注技术的技术关键之 一；智能温度控制系统是定量精度控制的保障，对于高粘度的环氧树脂液体来 说，控制定量精度主要靠调节液体温度来控制其粘度，只有在一定的粘度下爿 能控制其定量精度，因此，解决智能温度控制系统也是微量灌注技术的技术关 键之一；如果只解决了上面两个技术关键，不考虑生产率，对实际生产来说， 意义不是太大。因为在当今电子技术发展的迅速和竞争激烈的时代，低生产率 的设备是没有市场的，也没有研究开发的必要，比如，打火机项目要求每天灌 注4 5 万只，价格较低，而若研制的设备每天只能灌注几千，成本较高，这样企 业就没有竞争实力，以致被淘汰，所以提高微量灌注的生产率也是微量灌注技 术的技术关键之一。研制开发微量灌注技术只有处理好以上几个技术关键，才 可能开发出技术水平高的先进设备。 卜3 目前微量灌注技术的发展状况 卜3 1国内微量灌注技术的状况 我国现在使用的许多传感器、微电子器件和超小型元器件的灌注绝大多数 采用传统的非真空手工灌注，这常常导致电气性能不稳定，灌封料污染环境， 操作人员的人身健康等问题，并且生产率也远远满足不了要求。电子器件的迅 速的发展，电子的封装工艺也有更高的要求，致使我国开始进行微量灌注技术 的研究和开发。而国内的微量灌注产品的灌封主要靠引进德国、意大利等国家 的先进技术和设备，使国内电子产品的灌封得以完成。针对国内的微量灌注技 术刚刚起步，需要投入大量的人力和财力支持。目前由我校研制的微量灌注的 十头滴灌技术已被应用，并将样机研制出和投入生产。国外对微量灌注技术更 加重视，投入相对较大，许多研究单位都致力微量灌注技术的研究，促使微量 灌注和滴灌的技术的进一步发展。 目前国内微量灌注设备存在的主要问题是： 滴灌管由于生产工艺复杂，技术精度要求高，现在使用的滴灌管主要 是引进美国、德国等国外技术和设备生产的，产品价格较高。国内使用的滴灌 管主要是利用医疗器械注射器作为滴灌管和滴头，非专用产品质量不稳定，存 在的主要问题是滴头的堵塞、混合料流动的均匀度、塑料与料的反应和塑料的 西安理t 大学硕士学位论文第一章绪论 抗老化问题。 我国自己设计的产品与国外相比，微量灌注喷嘴产品主要材质、工艺 问题还没有解决，使用寿命远远低于行业标准规定的要求，其耐久性、制造均 匀度、灌注性能等主要指标还达不到行业标准的规定。 全自动控制微量灌注系统，国内还没有成型的产品，基本上还是手工 非真空灌注。压力调节器、自动控制器、智能温度控制等方面需要进一步完善， 应进一步提高控制精度和优化控制方法。 卜3 2 国外微量灌注技术的状况 通过检索得知对微量灌注技术研究，国外已有较深的研究，并应用于生产。 目前，国际上代表灌注最高水平的是德国h e d r i c h 公司和意大利g t 的生产技 术，其显著特点是： 它将灌注过程的脱泡计量混合等装置进行了模块化设计，既可以进行 全自动过程的灌注作业，又可以通入生产流水线上，不论哪种情况，灌注作业 都是在密封状态下进行，属于无污染设备，对操作人员无健康威胁，对于环境 无破坏。 计量模块在大比例内可调，提高了系统的适应能力，不仅可以用于高 低压电器的密封灌注，还可对不同行业的密封要求高和工作环境比较恶劣的器 件、微电子器件进行灌封生产。 采用最新全静态混合技术，不仅提高了整机的自动化水平，而且无运 动部件，提高了设备的可靠性。 德国h e d r i c h 公司首先研制出微量灌注机，并掌握微量灌注技术的技 术关键，使微量灌注技术在国外进一步完善。国外微量灌注的最小灌注量在0 0 4 克，定量精度为0 o l ，自动化程度高，测控系统较完整，并且微量灌注技术 已基本成熟，各个单元都已模块化，易检修，易扩展。 卜4 本课题的提出和主要内容 一、本课题的提出 课题主要目的是通过对高效微量灌注技术研究，分析和解决了定量精度、 灌注效率以及漏灌率的检测与控制等问题，形成微量灌注技术，并将该技术广 泛应用于生产，从而提高灌注的精确度和可靠度。 二、本课题的主要内容 课题主要内容是( 1 ) 定量精度控制，通过前一阶段充分地实验和分析， 利用粘性流体力学理论、光、电、物理、化工等学科理论。对灌注喷嘴的结构 形式和工作方式进行了分析和评价，提出了一些方案包括刮板振动式、刮板冲 压式和气动脉动式。选择可行的方案时，应考虑影响定量精度的因素及参数控 制。影响因素有灌注料的粘度、料的温度、工件和灌注喷嘴的温度和灌注喷嘴 材料的亲合系数、光洁度、机械尺寸、其表面张力等。( 2 ) 智能温度控制系统， 温度控制在塑料、食品、金属、化学等工业领域上有着广泛的应用。温度控制 引入微型计算机进行数字控制后，不但动态和静态特性明显改善，而且简化了 4 西安理丁大学硕十学位论文第一章绪论 控制线路，大大降低成本，并且容易实现多回路控制。本系统是采用开发的产 品，控制灌注机各个环节加温区加热的系统，该灌注机产品使用普通p i d 控制， p i d 参数由人工现场输入，但不同地方的用户，由于环境不同，p i d 参数不一样， 即使同一用户，p i d 参数也要随环境变化而作调整。用户使用极为不便也难于 实现高精度控制，因此我们提出智能温度控制系统。( 3 ) 提高灌注生产率，通 过大量实验和理论分析，提高灌注生产率的方法有两种，一种要求灌注快，主 要采用压电式喷料技术，由电能转换机械能，实现快速灌注；另一种采用多个 喷嘴同时灌注，同样也能达到高生产率的要求。( 4 ) 漏灌率的检测与控制，使 用传感器技术和计算机识别处理技术相结合，将工件的液体液面转换成图象原 点，再用计算机进行处理、采样、转换等最终以数字方式输出漏灌率的数目， 并反馈控制压电管的回路或气动控制回路，从而实现十个灌注嘴灌注控制。 西安理工大学硕士学位论文 第二章微量灌注技术中定量精度的控制 第二章微量灌注技术中定量精度的控制 1 2 1 真空环氧树脂微量灌注机简介 一、微量灌注机的功能要求 1 要求对环氧树脂、固化剂自动进行真空脱泡处理，处理的时间和效果 要符合要求。脱泡的目的是除去灌注液体中所含的气泡和水蒸汽，保证固化后 密封组织均匀。 2 要求对环氧树脂、固化剂自动进行计量过程并且两种物料的配比大小 在一定范围内连续可调。 试验表明不同的配比对灌注产品的电气特性和机械特性影响很大。自动计 量过程就是把环氧树脂和固化剂按要求的体积比或重量比进行计量后混合。其 关键在于一方面保证计量过程配比的准确，另一方面要确保两种液体在计量流 动过程中的均匀性，为它们的混合均匀创造条件。此外还要保证系统的密封， 否则会影响已经预处理过的环氧树脂和固化剂的性能。 3 各种物料计量后，自动地在真空状态下实现混合均匀过程，并且混合 均匀程度要通过实验测试达到规定的标准。 环氧树脂和固化剂等高粘度的流体，灌注过程中液体的流量也不大，故不 论是混合前还是混合后，管道中液体的流动都属于层流，混合过程不是简单的 两种物料相加，而是要保证比例适当的环氧树脂和固化剂分子间的均匀交联形 成网状的立体结构，避免固化后内应力的产生。液体在管道中以层流状态显然 不能满足混合要求，必须改变液体的流态的以增加分子结合的机会。 4 在真空条件下，进行产品的灌注过程，灌注的用量可以根据要求的不 同在最大的范围内连续可调。 5 对微量灌注机系统的真空度和生产率的要求。 根据以上要求，以带填充料的铸型环氧树脂和固化剂为标准，我校进行设 备的研制和试验过程。 该灌封料为双组份的液态体系。固化后成为固态状态。适用于点火器、控 制器、电容器、传感器、微电子器件等一切需要绝缘灌封的电子元件中，采用 环氧树脂灌封料，其特点如下： 1 粘度低，工艺性好，对线圈有良好的浸渗性，对线圈和骨架均无影响，并 有很好粘接力； 2 a 、b 混合物使用期长，固化时放热缓和，内应力小； 3 具有很好的机械性能、绝缘性能，耐冷、热和冷、热温度冲击性能等。 表2 1 和表2 2 列出了这种灌注材料的技术指标。 表2 - 1 环氧树脂和固化剂的特性参数 环氧树脂固化剂测试温度( ) 颜色淡黄色白色 2 5 重量 6 4 5 k g6 4 5 k g 2 5 比重 1 2 51 0 22 5 6 西安理工人学蚓l 。学位论文第二章微量灌注技术中定量精艘的控制 粘度m p a s 2 2 0 08 02 5 i 混合比( 重量) 1 0 03 2 ( 3 0 - 3 4 )2 5 i 混合比( 体积) 1 0 04 54 5 表2 - 2 混合与固化后的特性 2 r p m2 2 0 m p a s 一 2 5 2 0 r p m2 0 0 0 m p a s 2 5 2 r p m6 0 0 m p a s 5 0 混合后粘度 2 0 r p m4 0 0 m p a s 5 0 2 r p m1 7 5 m p a s g o 2 0 r d m1 0 0 m p a s9 0 凝胶时问 3 l m i n1 0 0 弯曲强度 9 5 k g m m 2 5 玻璃转折点 1 1 0 l热变形温度 1 0 0 l 绝缘破坏强度2 0 8 k v m m 二、微量灌注机的总体结构及工艺过程 1 系统组成： 根据微量灌注工艺流程，我校研制的真空树脂微量灌注机有九个组成部 分：树脂( a 料) 和固化剂( b 料) 储备、两组份真空脱泡、a b 料的计量泵、a b 料混合器、a b 混合料一级定量泵( 加料机构) 、混合灌注料的真空二级定量灌 注及灌注机构、真空灌注室、灌注后设备的清洗系统、计算机控制等系统单元。 2 工艺过程 图2 - 1 所示是m v c d s 系列树脂真空灌注机的工作原理图及设备组成图。 灌封料一般由树脂和固化剂两部分组成。有的电子电器产品还需加入各种填料 ( 填料的成份多为石英粉) 。根据具体的产品工艺要求，树脂、固化剂( 及填料) 的配用比例从4 ：1 至1 ：l 各不相同，并且根据生产规模，或是连续不停机自 动灌封，或是断流式自动灌封，这主要指加载灌封料容易与灌封操作的连续性。 树脂灌封工艺包括：树脂、固化剂( 填料) 的脱泡及混合后的树脂真空灌 封。树脂、固化剂( 填料) 的脱泡采用了先进的真空薄漠脱泡技术。其目的主 要是除去所含水份的水份和各种溶解性气体。灌封在高真空环境下进行，可以 确保电子电器元件灌封的质量。根据具体产品类型，可分别采用隧道式、托盘 转位式或灌嘴移动式的灌封。 具体工作顺序为： 将a 料、b 料分别装入各自的脱泡罐，开始进行真空薄膜脱泡，此时搅 拌电机，加热系统协调工作； 脱泡结束后，各料罐解除真空状态，等待计量； 在设备中采用计量气缸同步工作的原理，可以精确的按照预先设定的 比例将两种物料准确排出，保证了最终混合料的比例准确和混合效果； 行走机构带动喷嘴，完成一级定量灌注动作，调节灌注混合料的一级 灌注量到工艺要求； 西安理工人学硎l ：学位论文 第二章微量灌注技术中定量精度的控铆 真空灌注：灌注前将灌注室抽到规定的真空要求，行走机构带动工件 托盘，连续灌注整个托盘，完成灌注动作： 图2 - i 微量灌注机总体结构示意图 解除真空，取出工件及托盘，安装下一盘工件； 循环自动灌注。 以上均以两组份混合料灌注的产品为例讨论的。 2 2 微量灌注的方案设计比较 2 2 1 方案设计综述 这次设计研制的微量灌注设备是浙江打火机厂打火机构的灌封设备。以前 该厂用来灌封打火机构的设备为手工灌注操作设备，效率低，更重要的是他们 的产品与国际上的产品相比，使用寿命短，打火性能不稳定，虽然价格低，但 也无法打入国际市场。为了提高产品质量，早曰把产品打入国际市场，创造更 两安理工大学硕士学位论文第二章微量灌注技术中定量精度的控制 大的利润，厂家决定采用真空微量灌注设备。 浙江打火机厂提供的灌注料为绝缘灌封环氧树脂t x h 9 9 0 8 4 压电胶压电胶 稀释剂。t x h 9 9 0 8 4 压电胶( 以下简称为a 料) 为树脂，t x h 9 9 0 8 ”压电胶稀释剂( 以 下简称为b 料) 为固化剂，两者的比重在2 5 时分别为1 2 5g c m 2 、1 0 2g c m 2 。 单个打火机构封灌的料的重量为0 0 8 9 。在保证产品质量及寿命的前提下，可 把每个工件每次灌注的量定为0 0 8 9 ，上下偏差为0 0 2 9 。由于环氧树脂特殊的 物理化学性质，灌注工艺对于粘性液体的按一次灌注工件尽可能多的原则及灌 注设备的合理大小，可设计一个每盘灌注4 0 0 个打火机构的灌注设备。根据厂 方要求的每台真空灌注机每天灌注4 5 万个产品，按8 小时工作制，机器连续工 作来计算，一分钟就需灌注二或三个工作盘。 根据厂方要求和微量灌注的灌封料的具体性能参数，设计每一个盘可灌注 4 0 0 个工件的灌注系统进行二次灌注，并查阅国内外的资料和总结以往的经验， 可提出下面几种方案：刮板振动式、刮板冲压式和气动脉动式。 2 2 2 刮板振动式 ( 1 ) 刮板振动式的结构 刮板振动式结构示意图，如图2 - 2 所示。刮板振动式灌注结构由刮板、料 槽和料嘴。刮板主要用于将料强制刮入各个料嘴中，料槽用于存放单盘灌注料 总量，料嘴主要控制单件灌注料量和控制流涎现象。 图2 - 2 刮板振动式结构示意图 ( 2 ) 刮板振动式的原理 刮板振动式原理是利用振动惯性理论和牛顿流体理论进行分析，在高速振 动的惯性力作用下，将料注入工件。具体过程是一次将料注入料槽后，刮板由 左向右运动，运动过程中将料压入料板上的孔中，然后快速振动料槽，使料注 入工件。 ( 3 ) 刮板振动式的实现和优缺点 刮板振动式采用p l c 控制两个气缸完成刮板振动的功能，由一个气缸带动 刮板由左向右运动将灌注混合料刮入料嘴中，由另一个气缸控制料槽上下振动， 将料注入工件，完成灌注。 刮板振动式在实现过程中，可能出现许多问题，刮板不能确保将料刮入 9 两安理工大学硕士学位论文第二章微量灌注技术中定量精度的控制 每个料嘴中；气缸带动料槽振动时，不能保证每个料嘴中料注入工件；振 动灌注时，每一个灌注精度不能保证。优点是结构简单，易操作，在灌注量精 度不太高的情况下适用。 2 2 3 刮板冲孔式 ( 1 ) 刮板冲孔式的结构 图2 - 3 刮板冲孔式结构示意图 刮板冲孔式结构示意图，如图2 3 所示。刮板冲孔式灌注结构由刮板、料 槽、冲头和料嘴。刮板主要用于将料强n i , j 入各个料嘴中，料槽用于存放单盘 工件灌注料总量，冲头是将料嘴中的料强制压出注入工件，料嘴主要控制单件 灌注料量和控制流涎现象。 ( 2 ) 刮板冲孔式的原理 刮板冲孔式原理是利用牛顿粘性流体力学理论和牛顿力学进行分析，在外 力作用下将料灌入料板的孑l 中，稃靠外动力作用冲头强制将料推出，注入工件， 实现灌注。具体过程是首先将料注入料盘，利用刮板由左向右的运动，将料灌 入料板上的孔中，然后冲头向下运动，强迫孔中的料压出注入工件，实现灌注。 ( 3 ) 副板冲孔式的实现和优缺点 刮板冲孔式采用p l c 控制两个气缸完成刮板冲孔灌注的功能，由一个气缸 带动刮板由左向右运动将灌注混合料刮入料嘴中，由另一个气缸控制冲孔上下 运动，将料注入工件，完成灌注。 刮板冲孔式在实现过程中，可能出现一些问题，刮板不能确保将料刮入每 个料嘴中。为解决这个问题，可设计加一个导板来解决。每次灌注时，先使导 板压下，冲头再压。冲头与导板上的孔为间隙配合，与料板上的孔有很大的空 隙。这样即使冲头与料板上的孔的同心度在小范围内保证的不是太好，也能保 证能够冲下，而不会使料溢出，从而能保证料的精度。 刮板冲孔式的问题在于冲头冲孔时，由于冲头和要冲的孔要做成一样大 小，只能存在很小的空隙，要防止灌注料向外溢出，要象针管中的活塞运动一 样既能运动又不会向外溢出。这存在着制造问题，冲头和孔的同心度很难保证， 1 0 西安理丁大学硕士学位论文 第二章微量灌注技术中定量精度的控制 - i 同心度稍有偏差，就会导致冲头无法冲到料板中的孔，无法把料压入到工件。 刮板冲孔式的优点是结构简单，易操作，灌注量精度高，能够保证各个工 件灌注均匀。 2 2 4 气动脉动式滴灌技术 ( 1 ) 气动脉动式的结构 我校研制的m v c d s 1 型真空灌注机采用气动脉动式结构，气动脉动式灌注 结构由脉冲控制器、脉动平衡阀、灌注一级定量筒、微量灌注料嘴等部分组成。 i 12 - 4 气动脉动式结构示意幽 这种脉动喷吹系统可采用气动脉动式的结构，如图2 4 所示。 ( 2 ) 气动脉动式的原理 气动脉动时微量灌注利用滴灌技术将环氧树脂混合料加热控制一定粘 度，实现微量灌注，灌注量和灌注精度靠气动的压力、料嘴的直径以及灌注料 粘度来保证。气动脉动式微量灌注结构主要由p l c 控制脉冲控制器产生脉冲， 再由脉冲控制器控制脉动平衡阀产生脉动动作，从而实现脉动微量灌注。气动 脉动式微量灌注过程共有两种状态，即灌注状态和平衡状态。灌注状态是由空 气压缩机来的高压空气经压力调节阀、脉动平衡阀进入灌注一级定量筒。平衡 状态是在压缩空气通道关闭，抽真空通道开启时，由真空泵将一级定量筒和灌 注室抽至一定真空度。 ( 3 ) 气动脉动式的实现和优缺点 气动脉动式微量灌注具体过程是将混合料分别加入十个一级定量筒，由p l c 控制封口电磁阀封口，这时，压缩空气通道关闭，真空通道开启，启动真空泵 和开启真空阀，抽至一定真空度；这样开始灌注，启动脉冲控制器驱动脉动控 制阀进行脉动动作，同时，压缩空气通道打开，真空通道关闭，瞬间将一级定 量筒的混合料注入工件，完成一次灌注。这样循环往复灌注整个托盘，最后， 关闭真空阀和打开放气阀，取出托盘。气动脉动式微量灌注的灌注量是由脉冲 宽度、料嘴直径、混合料的粘度等因素来确定。 气动脉动式微量灌注控制方式简单，控制精度高，在微量灌注能同时灌注 1 1 西安理工大学硕士学位论文 第二章微量灌注技术中定量精度的控制 数十个工件，因而灌注效率较高。气动脉动式比刮板振动式、刮板冲孔式控制 结构简单。 2 3 灌封料( 高粘度流体) 的流动力学的分析 2 3 1 灌封料的材料数据 ( 1 ) 灌封料的流变学 流变学表征液体时，总是分成纯粘性流动和弹性表现两部分。而像环氧树 脂灌封料液体只表征为纯粘性流体的。为了表征环氧树脂液体的流变学，对其 粘性行为、幂律模型和状态方程进行分析。 灌封料的粘性行为 对于环氧树脂的粘性行为，若以“流动性”来量度是颇困难的，故常用“粘 度”来描述。为确保灌 封产品的质量，两组份 料在混合器和管道中尽 量保持为紊流。一般说 来，灌封料在通常的混 合过程中基本上属于层 流范畴，且其雷若准数 r e 1 。 为了研究流体的 流动性质，可把这种层 流流动看成是“分割一 位置移动一重新汇合” 的流动，对流体进行有 管中心 图2 - 5 液体层流模型 外力 f 规则的反复作用，从而达到混合。液层沿外力作用方向进行相对滑移，图2 5 为其层流流动中的液层滑移的模拟示意图。f 为外部作用于整个液体的恒定剪 切力，a 为向两端延伸的液层面积。当流体流动时必然产生内部摩擦力，这种 f 摩擦力通常以单位面积上的力来表示，被称为剪切力，即f = 二( 硎2 ) 。 以 在恒定的应力作用下流体的应变表现为液层以均匀的速度v 沿剪切力作用 方向移动。但液层间的粘性阻力和管壁的摩擦力使相邻层间在移动方向上存在 速度差，管中心阻力最小，液层流动速度最大。管壁附近液层同时受到流体粘 性阻力( 即内摩擦力) 和管壁摩擦力( 即外摩擦力) 的双重作用，因此速度最 小，在管壁上液层的移动速度为零( 假定不产生滑移) 。 根据非牛顿型流体的剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系的不同特 征，非牛顿型流体又可分为粘性系统、有时间依赖性系统和粘弹性系统三大类。 其中与微量灌注密切相关的要推粘性系统。这类系统的流体受力流动时，其剪 切速率只依赖于所旋剪切应力的大小，而与剪切应力施加的时间长短无关。它 的普适流变方程可表示为：，= f ( r ) 。 1 2 西安理工大学硕士学位论文第二章微量灌注技术中定量精度的控制 根据其函数关系式性质的不同，又可分为：宾哈流体、假塑性流体和膨胀 性流体三种。这三种流体的流动曲线连同牛顿流体的流动曲线示于图2 - 6 中。 对于微量灌注的灌封料高粘性流体，属于非牛顿流体中的假塑性流体。对其流 变特性进行理论分析。 假塑性流体这种流体是非牛顿型流体中最普遍最常见的一种，它所表征 的流动曲线是非线性的( 见图2 6 ) ，且是一条上升后又下降的曲线，并且不存 在有屈服应力。这表明：剪切速 率的增加要比剪切应力的增加来 得快。在非常高或非常低的剪切 速率下，流动曲线才呈为直线。 几乎绝大多数聚合物熔体以及聚 合物溶液，其流动行为都接近于 假塑性流体。描述假塑性流体的 经验方程式中，具有实用价值的 要推幂律函数方程式 ，、” ，：k f 坐| _ k ；( 。1 ) ( 2 _ 1 ) l 西j 式中，k 与r l 均为常数。k 称为流 体的稠度，流体的粘稠性越大，1 4 ； 值越高；1 7 为流体流动行为指数， h 昌 兰 p r 趔 尽 豁 剪切速率：，s - 1 图2 - 6 非牛顿型流体的流变曲线 r 一胩郴芦一 浯- ， ，。= 足( 害了= k ；”c n c - ， c z z ， 其中n 。称为非牛顿型流体的表观粘度，n s c m 2 。 由此可知，在给定的温度与压u n l a ”牛# 下，如果q 。为常量，则式( 2 2 ) 成 为牛顿型流体的流变方程式，且q 。成为牛顿型流体的绝对粘度u 。如果r l 。与 剪切速率；有关，则该流体就称为非牛顿流体，而n 。称之为非牛顿型流体的表 观粘度。 描述假塑性性流体流变行为的幂律函数，还有另一种表达式。这就是 ；= 害= t ( f ) “( 蒯) ( 2 删 式中，k 与i n 也是常数。k 称为流动度或流变常数。k 值越小表明流体越粘稠， 也即流变越困难。k 和m 与方程( 2 - 1 ) 中的n 与k 的关系分别为： 西安理_ 丁大学硕+ 学位论文 第二章微量灌注技术中定量精度的控制 m ：三和f 1 1 ：k( 2 圳 ik k 和k 都是温度的函数。由方程( 2 3 ) 可知，如果因为温度的变化而引 起k 或k 的变化，则k 的变化幅度恒大于k 。因而在很多场合都使用方程( 2 2 ) 束描述聚合物熔体的流变行为。 将方程( 2 - 2 ) 和方程( 2 - 3 ) 代入方程( 2 - 1 ) 中，则可获得表观粘度的 另一描述式： q o = k 一吉：” ( 2 5 ) 幂律模型 对环氧树腊灌封料属于非牛顿型流体，其假塑性行为十分明显，通常可用 幂律模型来表征。在这一模型中的粘度可表示为： 一i 7 = k v 伽 1 ) ( 2 6 ) 当幂律参数k 和r 1 分别满足下述关系时，即 l o g k = a 。+ a ：t + 口控( f ) 和”一1 = a ，+ 口。l o g y + a ，：( 丁) ( 2 7 ) 则将式( 2 - - 7 ) 代入( 2 - 6 ) 得 l 。g q = 口。+ 函l 。g ；+ d ：( r ) + 。( 1 0 9 y 。) + a 1 2 t l 。g 知6 1 2 ：f ) 2 ( 2 - 8 ) 式中k _ 液体稠度，仅与温度有关； n 与温度和剪切速率有关的常数，通常称为非牛顿指数； t 液体温度； y 剪切速率； a o 、a i 、a 2 2 回归方程系数； n 在任意加工条件下的粘度。 由式( 2 - 8 ) 可知，液体的粘度n 随温度t 和剪切速率y 的变化而变化。 因此，选用幂律模型既简便又适用。 当用毛细管流变仪测出某聚合物液体若干组数据( t k 、：、n 。j ( k = l ，2 ， 3 ，n ) 后，可用回归分析方法来确定该聚合物在式( 2 8 ) 中系数e l , 。、a ，、 a 、a ：。在这个意义下，方程( 2 - 8 ) 称为回归方程。 为确定回归系数a o 、a 。、a ”a 须对回归方程( 2 8 ) 作变换处理。 于是有 y = a 。+ 么，x ， ( 2 9 ) 1 4 匹安理t 大学钡七学位论文第二章微量灌注技术中定鼍精度的控制 显然，这是一个标准的多元线性回归方程。由于观测数据的组数大于多元 线性回归方程( 2 9 ) 的自变量个数，同时由于各自变量间线性相互独立，所以 正规方程为 5 s 。b ，= s i ( 2 1 0 ) i = l 的唯一解可表为 b ，= z c 。s 。 ( 2 一1 1 ) r = i 式中c 。，是方程( 2 - 1 0 ) 系数矩阵的逆矩阵元素。 状态方程 在考虑微量灌注定量精度控制时，特别是控制工件的灌注量，常常用到灌 封料的密度p 。灌封料的密度p 是温度和压力的函数，它可由表示压力、温 度和容积相互间关系的状态方程获得解决。为许多研究者所倡导使用的状态方 程，具有如下一些特点： a 可在压力和温度的较宽范围内使用； b 使用简便，易于计算； c 可预测灌封料的变化状况。 采用所推荐的状态方程，具有如下表达形式： ( p + a ) ( v 一) = r t ( 2 1 2 ) 式中i 一外加压力，n c m 2 ； n 内压力，n a m 2 ： v 。比容，c m 3 g ； u 在绝对温度为零时的比容，c m 3 g ； r 修改的液体常数，n c i l l 3 ( c m 2 g k ) ： 卜绝对温度，k 。 该状态方程可用于各种环氧树脂的灌封料。 ( 2 ) 灌封料的热力学性质 计算工件的容量及灌注的管道传热过程( 温度分布) ，用以决定需设置的 加热或冷却能力，都需要材料的热力学数据。通常，这些是温度和压力的函数。 材料数据是否可假定为常数，取决于考虑体系所特定豹温度范围。对灌封料的 热力学数据主要有密度、比容、热导率、比热容、热扩散系数和比焓。 聚合物的比容v 。和密度的关系：矿，= 土 p 在一定压力范围内，不计压力影响所产生的误差为1 3 。可以计算出各 种灌封料的热力学性能。 在进行温度控制时，要考虑的热扩散系数和比焓。计算稳态温度场时，仅 须考虑材料的热导率 。在非稳态过程中，热导率 与热储存能力的比值很重 要。此比值称为热扩散系数o ：= 。 p o 一 比焓h 是在特定稳定下，单位质量材料的热含量，焓不能绝对地来度量， 它总是与某一参考温度( o 或2 0 0 c ) 有关。在计算塑料加热或冷却的能量时需 西安理丁大学硕i 。学位论文第二章微量灌注技术中定量精度的控制 要使用焓： q = m 日 ( 2 1 3 ) 式中q 一加热或冷却能量，k j h ；