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浙江工业大学硕士学位论文 微注塑成型数值模拟仿真研究 摘要 随着微机电系统技术的不断发展，对微型制件的要求不断提高，而以传统的微细加工 技术成型的制件不能满足日益更新的要求。而以微注塑成型方法成型的制件，不仅生产效 率高，而且成型质量稳定，成为了现代微细加工工艺一个重要的发展方向。传统宏观的注 塑成型理论不能完全指导微注塑成型的生产，对于特定的工艺参数对微注塑成型质量的影 响与宏观相差较大。需要从微注塑制件产品的微小特点上进行研究，建立一套新的，适合 微注塑成型的理论。 本文针对国内外微注塑成型实验与模拟研究的发展与现状基础上，借鉴他人的研究成 果，利用注塑成型设计的基本方法与成型理论，利用c a e 软件m o l d f l o w 对微型平板件的 填充率和微型齿轮的成型质量进行了模拟分析研究。同时利用正交试验设计方法及分析方 法对微注塑成型质量影响工艺参数进行了定量分析和优化参数选择。 本文的主要工作研究内容包括： 1 ) 针对p o m 和p m m a 两种材料，分别选择了三种尺寸制件，对一简化的平板型制件， 对熔体温度、模具温度、注射压力、填充速率工艺参数对填充率的影响，利用单因素 法进行了研究。比较了不同尺寸制件下，四个工艺参数对填充率的影响变化趋势。同 时对不同材料下，工艺参数对填充率的影响进行了比较，并分析了影响差异的形成原 因。 2 ) 对一微型齿轮制件，采用p p 材料进行了注塑模拟。模拟实验采用了正交试验设计方案。 对熔体温度、模具温度、注射速率、保压压力、保压时间以及冷却时间六个工艺参数 进行了正交试验分析。分析得出了1 8 组试验结果，并对结果进行了极差分析。比较分 析了六个工艺参数对微型齿轮成型质量的影响和原因。 3 ) 利用方差分析法，计算了六个工艺参数对微型齿轮翘曲和收缩的贡献度和方差。比较 得出了，无论是翘曲还是收缩，保压压力对成型质量的影响都占着重要地位，是影响 成型质量的最关键因素。 i 浙江工业大学硕士学位论文 4 ) 利用正交试验的优化方法，优化得到了工艺参数组合，对进行了模拟验证。 关键词：微注塑，模拟分析，正交试验，优化 浙江工业大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c h o fm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g s i m u l a t i o n a b s t r a c t o w i n gt ot h ei n c r e a s i n gd e m a n do fm i c r op r o d u c t sa l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r i m e c h n i c a ls y s t e mt e c h n o l o g y , m i c r op r o d u c t sb yt r a d i t i o n a lm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y c a nh a r d l ym e e tw i t ht h er e q u i r e m e n to fm i c r o s y s t e m n e v e r t h e l e s s ，m i c r op r o d u c t sb ym 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 yh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tt e m a n db e c a u s eo fi t s e f f i c i e n c y , s t a b l eq u a l i t ya n ds oo n t h et r a d i t i o n a lt h e o r yo fi n j e c t i o nm o l d i n gc a n n o tb eu s e dt ot h ef a b r i c a t i o no fm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gc o m p l e t e l y t h ei n f l u e n c eb ys o m ep a r a m e t e r s ，b e t w e e nm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n ga n dt r a d i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g ，i sn o ts a m e s o ，n e e dt oc r e a t ean e wt h e o r y , a tt h e p a r t i c u l a r i t yo fm i c r oi n je c t i o nm o l d i n g f i r s tt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n ga th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e di n t h i st h e s i s ，t h e na c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r ya n dp r o c e s so fc o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g ， u s i n gt h ec a es o f t w a r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h ei n j e c t i o nm o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c f o rm i c r ot h i n w a l lp l a s t i cp a r t sa r ep u tf o r w a r d ，t h e na n a l y z et h ew a r p a g ea n ds h r i n k a g et o o p t i m i z et h ep a r a m e t e rf o rm i c r o g e a r t h i sp a p e rc a no f f e rt h et h e o r yg u i d a n c ef o rt h ea c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r t h ep r i n c i p a lc o n t e n t ss t u d i e di nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h em i c r ot h i n w a l lp l a s t i ci n j e c t i o np r o c e s s e so fs i m p l i f i e ds h e l lp a r ti ss i m u l a t e d ，s e l e c t i n g t w om a t e r i a l s ：p o m ，p m m a ，a n ds e l e c t i n gt h r e es i z e t h ee f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ( m e l t t e m p e r a t u r e ，m o l dt 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 e ，i n j e c t i o nr a t e ) o nm o l d i n gc h a r a c t e r i s t i co f m i c r ot h i n w a l lp l a s t i cp a r t sa r ed i s c u s s e db ys i n g l ef a c t o rm e t h o d ，w i t hd i m e n s i o nr e d u c t i o n , c o m p a r et h es i g n i f i c a n c eo f e a c hf a c t o r s 2 ) t h em i c r o g e a rp l a s t i ci n j e c t i o np r o c e s s e sa r es i m u l a t e d ，s e l e c t i n go n em a t e r i a l ：p et h e e f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ( m e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nr a t e ，h o l d i n g l 浙江：1 ：业人学硕士学位论文 p r e s s u r e ，h o l d m gt i m e ，c o o l i n gt i m e ) ，t h ew a r p a g ea n ds h r i n k a g ed a t ea r ea n a l y z e du s i n g a n o v a t h er e s u l t sa r eu s e dt oc o m p a r et h es i g n i f i c a n c eo fe a c hf a c t o r s ，a n do b t a i nt h e o p t i m u ms e to ff a c t o r s 3 ) c a l c u l a t et h ec o n t r i b u t o ra n dv a r i a n c eo ft h es i xp a r a m e t e r st ow a r p a g ea n ds h r i n k a g eo ft h e m i c r o 。g e a r c o m p a r e da m o n gt h es i xp a r a m e t e r s ，h o l d i n gp r e s s u r ei st h em o s ti m p o r t a n tt os t a b l e q u a l i t yo fm i c r o g e a r 4 ) o p t i m i z et h eg r o u po ft h es i xp a r a m e t e r s ，b yu s i n gt h eo p t i m i z i o no fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 。 a n dv a l i d a t eb ys i m u l a t i o n t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r et h eb e s ta m o n gt h e18 g r o u p s k e yw o r d s ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g , s i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，o p t i m i z e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 钏班胁干f 月晚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密由 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：fl 桕、v 乌、日期： 导师签名：锄日期： 6 月冶 ，月彤e l n丫年r芦肆呻 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 微注塑成型技术及发展概况 1 1 1 微注塑成型技术的含义 目前，学术界对于微注塑成型的概念还没有统一的认识，但多数研究者都是从成型微 小尺寸与微小体积塑件开始研究的。k u k l a c 等从微型塑件的角度给出了微注塑成型技术 的概念：微注塑成型是指射出制品质量以毫克为计算单位，制品几何尺寸以微米为度量单 位的成型方法【l j 。界定范围又可分为四类： ( 1 ) 以毫克为单位的注塑制件，但其尺寸精度并不一定要达到微米级的水平； ( 2 ) 不以毫克为单位的注塑制件，但其几何尺寸精度要达到微米级的水平； ( 3 ) 以毫克为单位的注塑制件，但其尺寸精度亦需达到微米级的水平： ( 4 ) 不以毫克为单位的注塑制件，但其微结构如孔、槽等要达到微米级的水平。 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。与传统注塑成型技术一样，微注塑成型技术 包括微型注塑机、微型模具、微注塑成型材料与微注塑成型工艺参数四个方面。因此，微 注塑成型技术的发展历程实际上也就是微型注塑机、微型模具、微注塑成型材料与微注塑 成型工艺的发展历程。 1 1 2 微型注塑机的发展 微注塑成型对注塑机的要求与传统注塑成型不同，德国亚深工业大学i k v 研究所经 过多年的研究总结出微注望成型技术对注塑机的基本要求为： 驱动单元：准确性高、噪音低、无污染； 配料单元：要确保不吸入空气，并具有自动进料、干燥和计量功能； 塑化单元：应能达到4 0 0 。c 的温度，能使熔料均匀塑化，在此单元滞留时间短， 因为熔料在高温下易分解： 注射单元：最小注射量应能达到l m g ，注射压力高，一般为2 2 0 2 5 0 m p a ，有的甚 至高达4 0 0 m p a ，无泄漏。 1 浙江工业大学硕士学位论文 微型注塑机在控制方面有以下特点： ( 1 ) 工艺参数宜采用多级反馈控制与调节，为实现多级注塑工艺提供控制条件。主要 包括多级位置控制、多级速度控制、多级保压控制、多级背压控制和多级螺杆转速控制。 ( 2 ) 料筒和喷嘴温度控制精度高。料简温度和喷嘴温度的高低会影响到制品的质量， 因此必须严格控制，升温时微调量要小，温度波动小，加热功率要足够。温控精度一般应 控制在士o 5 左右。 ( 3 ) 液压油的温度控制精度要求高。液压油温的变化会引起液压油私度的变化，从而 引起油压系统压力和流量的波动，导致注塑工艺参数的不稳定。因此注塑机必须配备油温 控制装置，工作时油温应稳定在5 0 5 5 以下。 ( 4 ) 能够对模温进行控制。模温的确定与材料性能、模具结构等有关，模温在材料热 变形温度附近时，可得到高精度制品。但模温过高会使制品在脱模时变形，制品后收缩大。 ( 5 ) 注塑计量行程和注塑行程以及缓冲垫厚度的控制应精确，从而保证每次注射量的 准确性，以提高注塑制品成型精度。 1 1 3 微型模具加工制造技术的发展 制造微型模具的难点在于微小型腔及或微小凸、凹结构的加工，而模具其他结构零件 的制造和普通模具基本一致。微小型腔的制造可以在一个很小体积的金属块上进行加工， 然后把金属作为一个镶块嵌入模板进行整体装配，这不仅便与微小型腔的加工和镶块的更 换，而且能够提高模具整体的使用寿命，提高使用效率，降低生产成本。为了迎接微型模 具制造技术的挑战，模具制造者们正在不断研究新的微细加工技术并将其用于加工领域。 ( 1 ) 体硅加工技术 体硅加工技术在2 0 世纪6 0 年代首先用与微电子学。在2 0 世纪7 0 年代逐渐发展成为 三维结构的制造技术。这种工艺的目的从硅衬底上有选择性地通过刻蚀的方法除去大量的 材料，从而实现所需要的悬空结构，模片和沟、槽等。 采用液相刻蚀的工艺往往又称为湿法刻蚀，该法刻蚀效率高，成本低，但刻蚀精度不 高，环境污染严重。一般用于刻蚀的材料且要求不高的工艺中，可批量生产，适用线宽大 于3 1 m a 的图形且精度要求不高的场合。采用气相和等离子太的刻蚀工艺称为干法刻蚀， 其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝缘材料。可实现选择性刻蚀， 所用设备复杂，刻蚀速度慢，适用于线宽小于3 胛的细微图形刻蚀。根据刻蚀速率是否 浙江工业大学硕士学位论文 与硅的晶向有关可以将所有的刻蚀方法分为各向同性和各向异性两种。各向同性刻蚀是指 材料的各个方向具有相同的刻蚀速度，无方向选择性。各向异性刻蚀是指对材料的不同晶 面具有不同的刻蚀速度，基于这种特性，可以加工出各种形状的微结构。它的不中是刻蚀 速率比各向同性要慢，仅仅达到1 p m m i n ，且受温度的影响很大，在刻蚀过和需要将温度 升高到1 0 0 左右，从而会影响很多光刻胶的使用。 ( 2 ) l i g a 技术 l i g a 工艺已经成为当今微制造及即将到来的纳米制造的关键技术，与其他微制造技 术相比有以下优点：a j 深宽比大，准备度高。所加工的图形准确度小于o 5 微米，表面 粗糙度仅小于1 0 n m ；b 、用材广泛。从塑料( p m m a 、p o m 、p a 、p c 等) 到金属( a u ，a g ，n i ，c u ) 及陶瓷( z n 0 2 ) 等，都可以用l i g a 技术实现三维微观结构：c 、能利用模具进行微复制 加工，可降低成本，进行批量生产。随着l i g a 技术的不断发展和完善，其在微细加工技 术领域的优势会进一步的显现出来。 l i g a 技术虽有具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本高。为了获得x 光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器：同时用于x 光光刻的掩膜版本身就是3 d 微结构， 需要先用l i g a 技术制备出来，费时而且复杂，可用的光刻胶种类又少，这使得l i g a 技 术的发展在一定程度上受到了限制，阻碍了它工业化应用的进程。为此，人们开始寻找廉 价的光源来代替昂贵的x 光源，其中有紫外光( u v ) l i g a 、深等离子体蚀刻、激光( l a s e r ) l i g a 等，同时把这一系列技术称为准l i g a 技术，准l i g a 技术不需要l i g a 技术那样 的昂贵设备，制作方便，必将成为影响本世纪微机械加工的一项重要技术。其中利用紫外 光源和简单的铬膜版的u v - l i g a 技术已经得到了广泛的应用。 ( 3 ) 激光熔除 作为机械加工和电加工的各选方法，宏观范围的金属激光熔除工艺也大量用于生产铸 造模、注射模、压铸模等。 采用激光技术，有三种方法可以将金属去掉。 a 、采用高能激光脉冲，材料( 如钢) 能被蒸发掉。熔除点周围充满惰性气体，避免 被清洗材料重新凝结在表面上，从而得到原始表面。 b 、用激光将材料熔化，然后清除熔料，基本上类似与激光切割。 c 、在工件表面，激光将被用于局部氧化，并随后引起腐蚀。氧气进入促成了局部的 燃烧，进而释放更多的能量。如果工艺参数合适，在冷却部位会引起热应力，从而导致氧 化物从基体材料中分开。此工艺十分模具制造，因为得到的表面质量高，就像电火花后的 浙江工业大学硕士学位论文 表面一样。激光可以用来加工所有的材料。激光熔除的辐射源包括c 0 2 激光、n d ：y a g 激光、激态原子激光。表1 1 总结了不同的设备对形成金属微细结构的范围和局限。 表1 1 适合微结构加工的激光种类 项目c 0 2 激光n d ：y a g 激光受激准分子激光 o 1 5 7 ( f 2 ) 特征波长1 0 。61 。0 6 加3 5 1 ( x e f ) 3 5 ( 2 0 0 2 5 0 0 ) 1 0 8 0 ( 2 0 0 ) n i 切割率m m 3 ( 中等激光力) 3 0 0 3 f 2 2 0 0 ( x e c i ) ( 1 6 0 - 8 0 0 ) 3 0 0 可得到的表面质量r a = 2 0 7 0 u m r a = 10 4 0 u m ( 9 u m ) r a 2 1 3 岬 可达到的工艺等级 2 0 9 m 到几毫米 2 0 9 m 到4 - 6 m m n j 模具精度 n i 几微米( 结构尺寸1 0 0 p r n ) n i 注：氧气为工艺气体，压缩气体为工艺气体，激光气体；n i = 无 ( 4 ) 微细放电加工技术( e d m ) 美国的微型工业模具公司( m t d ) 是应用e d m 技术进行微型模具制造的先驱，该公 司的数控e d m 机床可以提供小至1 5 p m 的步距进给，使用直径从0 2 5 m m 到2 5 1 a m 的黄 铜和镀锌的金属丝。m t d 曾成功地制造出用于生产尺寸在1 5 2 m i n x 0 0 3 8 r a m ，重量只有 o 1 3 m g 塑件的微型模具，该模具的浇口尺寸为0 0 5 m m ，型芯直径只有o 1 l m m 。 日本松下技研与东京大学联合开发了通用超精密数控小型电火花微细加工机床，加工 轴时精度为o 5 9 m ，能加工最小轴径为4 3 “m ，加工孔时精度为l 岬，能加工最小孔径为 5 0 m ，最大深径比为5 ：1 ，采用半月形电极和水作为工作溶液时可达1 0 - 1 5 ：1 ；其他三 维复杂微细零件的形状误差不大于1 9 m 。该机床除了能力i - r _ 微型齿轮等三维复杂形状的微 细零件以外，与其他加工工艺复合，还能实现微孔冲压和微细针管的制作。 瑞士a g i e 公司开发的精刻成型电火花微细加工机床，最小电极尺寸可达1 0 9 r n ，用 于2 0 岬的孔和槽的精微加工时，表面粗糙度可达r a 0 0 8 9 m 。 ( 5 ) 微型机械加工 传统的车削、磨削工艺也已经用在了微型加工方面。用于车削、磨削的工具通常是单 晶体金刚石，它被磨得非常锋利，得到的切削刃的圆度误差小于2 0 n m 。金刚石刀具通常 是方形、梯形或者是半圆的，被焊接在钢制的支撑柄上，或者安装在熔结金属上以便于装 卡在机器上。 4 浙江工业大学硕士学位论文 微型车削、磨削、铣削工艺的技术现状见表1 2 。表中的数据通常适合于黄铜。因为 钢的加工尺寸范围有限制，所以如果用金刚石作刀具的话，钢的加工尺寸要稍大一些才合 适。需要指出的是，目前钻孔的最小直径可以达到5 0 p m 。 表1 2 微型机械加 ：技术 项目微型车微型磨 微型铣 圆柱体零件 槽 脊面 直径：8 p m 可加工几何体 宽：1 5 0 m宽：1 s p x n 长度：1 1 l i m a 槽宽：1 p m 深：5 0 0 p m深：2 0 0 p m 表面粗糙度r m a x = 5 n mr a = 1 u m r a = 1 0 p m 典型应用 r a = 2 n m 微型热交换器微型热交换器 1 1 4 微注塑成型材料的发展 由于微注塑成型中流道及型腔尺寸非常微小，因此要选用流动性较好的塑料；在某 些特殊领域应用的微型塑件，又要求塑料的强度要高。然而目前微注塑成型应用的材料大 部分仍为普通的工程塑料，直接应用在微观领域有诸多不足，如流动性差、强度低等。这 就要求应该加强适合微注塑成型材料的研究。 微注塑成型的聚合物通常是工程塑料和特种工作塑料。用于微注塑成型的物料必须 具有粘度低、机械性能高、快速固化、流动性好、固化温度差值小、尺寸稳定性好等性能。 除此之外，还应考虑其他特殊使用性能，如力学性能、光学性能、电学性能及医学性能等。 国外的文献中主要提到适合微注塑成型的材料有聚甲醛( p o m ) 、聚碳酸酯( p c ) 、聚甲 基丙稀酸甲脂( p m m a ) 、聚丙烯( p p ) 等。 1 1 5 微注塑成型工艺的研究概况 尽管传统的、宏观上的注塑成型技术理论己经相当成熟，但对于微注塑成型这门新兴 技术的研究才刚刚开始，由于微注塑成型技术的研究涉及到很多技术领域，如微流变学、 微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学等相关技术领域，加之各相关领域的理论与 技术本身的研究也不够成熟，因此还没有形成能够指导制定微注塑成型工艺参数的理论与 方法。而随着微机械技术的迅猛发展，又迫切需要微型塑件或微注塑封装技术能在微机械 系统中发挥重要作用，因此对微注塑成型技术的研究至关重要。针对微注塑成型工艺参数 气 浙江工业大学硕士学位论文 的研究，现在只是处于定量分析为主的阶段，往往通过应用商业化软件对微注塑成型过程 进行模拟分析，并结合试验来验证分析模拟结果。但由于试验条件与试验方法的差异，目 前关于微注塑成型工艺参数的研究并未获得统一的结论，只是普遍认为模具温度是最重要 的注塑成型工艺参数，认为微注塑成型模具温度应该比传统注塑成型过程模具温度高，但 具体应该高出的标准也没有统一的认识。关于其他工艺参数对微注塑成型影响的研究也不 够充分深入。 p i o t t e rv ，h a n e m a m it ，r u p r e c h tr 等1 2 j 指出，对于微结构的模具必须通过提高模具温 度才能保证成型质量。对于无定型塑料( p np m m a ，p c ，p s u ) ，模温要高于其玻璃态转变 温度，对于半结晶形塑料( 如p o m ，p a ) ，通常要达到其结晶温度。而且在多数情况下，塑 料熔体在注射喷嘴处的温度经常达到其最高可加工温度。同时指出，在所有微结构注塑 成型工艺中，只有预先将模腔内的空气排出才能实现微结构塑件的完全充模。 k u k t ac ，l o i b lh ，d e t e rh 等川指出，微注塑成型模具温度和传统注塑成型模具温度相 比必须提高，即采用一种称为“变温工艺”来控制模具温度，在注射前将模具进行加热，注 射完成后采用冷却技术使模具温度迅速降低到脱模温度，以缩短加工周期。该文同时提出， 模具间隙在5 p m 量级时不需要预二排气，只有模具间隙小于此值或有盲孔等结构时才需 要主动排气。 e b e r l eh i 3 】介绍了其合作者z u m t o b e l 将上述变温工艺进行的改进，仅对微型模具的型 腔部分实施温度控制，使加工周期进一步缩短，从改进前的最短周期1 5 m i n 降低到1 5 s d e s p ams ，k e l l y k w , c o l i e rjr 1 4 i 对注塑生产具有高深宽比微结构的塑件进行了试 验，试验参数包括：注射速度、模具温度和型腔气体压力。试验结果表明，模具温度对完 全充模有较大作用。模具温度低于一定值时，即使提高注射速度也不能保证微结构型腔的 完全充满。 y ul yk o hcg l e e l j 等【5 j 对不同的模具镶件：c n c 加工的钢材，环氧树脂，光刻 和电镀的镍模，进行了测试。特征尺寸从5 微米变化到几百微米，并且考虑了模具镶块的 表面粗糙度和拔模斜度等问题。注塑材料选用了p m m a 和光学级质量的p c 。对于金属 模具镶块在不同的模具和熔体温度、注射速度、注射量和保压压力条件下进行了试验，发 现注射速度和模具温度严重影响微结构的复制精度。 s h e nyk ，w uw y 6 1 对厚度2 0 1 a m ，半径为1 5 0 p , m 的齿轮在不同的注射时间、模具温 度、注射温度和注射压力条件下进行了数值模拟研究，给出了决定性因素是模具温度，要 高于塑料的玻璃化温度。相比p a 和p o m ，最适合的材料为p p 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 a z e r e d ombv ，p i t av jr r 等【7 l 经过模拟分析表明冷却水温度对于模具温度是最重要 的参数，并提出关于冷却水温度和模具温度的经验公式 s u y c ，s h a hj ，l i i l l w l s 】采用不同工艺参数的组合来模拟分析塑料熔体流动特性以 及工艺参数和微型塑件质量的关系。提出对于微注塑成型，注射压力、模具温度和注射速 度是关键参数。选用p c 作为注射材料，使用a r b u r ga l l r o u n d e r2 2 1 m3 5 0 7 5 通用注塑机 并采用抽真空装置进行试验，试验表明模具温度比材料玻璃态转变温度要高3 0 4 0 。c 。 z h a ojh ，m a y e skc h e nge 等【9 】通过对具有微型结构的透镜和微小齿轮进行试验， 指出影响透镜质量的工艺参数为计量精度、注射速率和模具温度，而计量精度和保压时间 是影响微小齿轮零件质量最重要的工艺参数。 1 2 课题的研究内容 微注塑成型技术日益广泛地应用于钟表、微型泵、微型马达及微型传动等领域，金属 微型齿轮制造困难、成本高、周期长，而微注塑成型技术可在较低的成本下大批量生产微 型塑料齿轮。 本课题是在查阅大量相关资料的基础上，结合国内外微注塑成型技术的应用现状与发 展趋势，借鉴传统宏观上的注塑成型工艺理论，对注塑成型工艺参数对微型齿轮塑件质量 的影响进行了研究。从微观尺度上根据微型塑件成型的特点，通过模拟分析和正交实验相 结合的方法，对微型齿轮成型过程中起主要影响作用的各工艺参数进行实验研究。对实验 结果进行极差和方差分析，最终得到不同材料( p o m 、p m m a 、p p ) 微注塑成型的最佳注 塑成型工艺条件，并比较他们之间的异同。希望通过本课题的研究对国内开展微注塑成型 工艺的研究起到启示及推动作用，对微型塑件的实际生产起到帮助指导作用。 本课题具体工作主要包括以下几个部分： ( 1 ) 通过查阅大量国内外文献，全面了解微注塑成型技术的发展现状，总结微注塑成 型工艺参数与传统注塑成型工艺参数有何异同； ( 2 ) 了解注塑成型工艺参数对聚合物熔体流动和成型塑件质量的影响，熟悉p o m 、 p m m a 、p p 三种材料的性能及其注塑成型工艺； ( 3 ) 使用m o l d f l o w 软件对三种材料微型平板制件的注塑成型过程进行模拟，定性地 分析各工艺参数对微型塑件翘曲的影响； ( 4 ) 参考宏观上的注塑成型工艺理论和模拟分析的结果，结合微注塑成型自身的特 7 浙江工业大学硕士学位论文 点，分析影响微注塑成型的主要工艺参数，以初步确定实验研究所要考察的工艺参数和取 值； ( 5 ) 设计正交实验，对实验结果进行极差和方差分析，分析各工艺参数对微型齿轮成 型质量的影响规律，深入讨论微注塑成型工艺与传统注塑成型工艺之间的差异。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章注塑成型基本原理 2 1 塑料的基本知识及流动特性 塑料是一种以树脂为主体的高分子材料。由于树脂的相对分子质量很大，故又被称为 聚合物或高聚物。单纯的聚合物性能往往不能满足加工成型和实际使用的要求，因此需要， 可适当地加入助剂( 增塑剂、稳定剂、色料、填料等) 。由树脂和助剂组成的塑料具有一 系列信奉异教特性，在一定的温度和压力下可加工成符合使用要求的各种各样的制品和零 件。 2 1 1 塑料的组成及其分类 塑料是以有机合成树脂为基础，再加入添加剂所组成的。塑料的组成可以分为以下几 个部分： ( 1 ) 合成树脂 是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等， 是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。合成树脂在塑料中的含量约占4 0 一1 0 0 ，对塑 料的性能起决定性作用。 ( 2 ) 添加剂 为改善塑料的性能而加入的其他组分称为添加剂。其主要有以下几种： 填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。例如，加入石墨、石棉纤维或 玻璃纤维等，可以改善塑料的机械性能。填料有时也可发病或提高塑料的某些特殊性能， 以扩大其应用范围。 固化剂 它的作用在于通过使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料 制品。例如，在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺，在环氧树脂中加入乙二胺、顺丁烯二酸酐 在占 寸o 增塑剂用以提高树脂可塑塑性和柔性的添加剂。常用的为液态或低熔点的固体 有机化合物。例如，聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯，可变为橡胶一样的软塑料。 q 浙江工业大学硕士学位论文 稳定剂为了防止受热、光等的作用使塑料过早老化，加入少量能起稳定化作用 的物质。例如，能抗氧的物质有酚类和胺类等有机物；炭黑则可作紫外线吸收剂。 塑料中还有其他一些添加荆，如润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等。 塑料的品种繁多，分类的方法也很多，常用的方法有两种。 ( 1 ) 按树脂的性质分类 根据树脂在加热和冷却时所表现的性质不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料 这类塑料的特点是：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后即成型并保持既得形状， 而且该过程可反复进行。这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。这 类塑料的优点是加工成型简便，具有较高的机械性能。缺点是耐热性和刚性比较差。 热固性塑料 这类塑料的特点是：初加热时软化，可塑造成型，但固化后再加热将不再软化，也不 溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚脂等树脂。 ( 2 ) 按使用范围分类 通用塑料指应用范围广、生产量大的塑料品种，如聚氯乙烯。 工程塑料主要指综合工程性能( 包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性和绝缘 性能等) 良好的各种塑料，如聚甲醛。 耐热塑料指能在较高温度下工作的各种塑料，如聚四氟乙烯。 2 1 2 热塑性材料的流变特性及衡量指标 熔融的热塑性塑料呈现粘弹性行为，即粘性流体与弹性固体的流动特性组合。当粘性 流体流动时，部分驱动能量将会转变成粘滞热而消失；然而，弹性固体变形时，会将推动 变形的能量储存起来。 除了这两种的材料流动行为，还有剪切和拉伸两种流动变形。在射出成形的充填阶段， 热塑性塑料之熔胶的流动以剪切流动为主，材料的每一层元素之间具有相对滑动。另外， 当熔胶流戏一个尺寸突然变化的区域时，拉伸流动就变得重要多了。 衡量热塑性塑料流动特性的主要指标有熔胶剪切粘度、熔胶波前速度( m f v ，m e l t f r o n tv e l o c i t y ) 和熔胶波前面积( m f a ，m e l tf r o n t a r e a 和熔胶流动指数m i ( m e l ti n d e x ) 储 口o 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 熔胶剪切粘度 熔胶剪切粘度是塑料抵抗剪切流动的阴力，它是剪切应力与剪变率的比值。聚合物 分子链的运动能力随着温度升高而提高，随着剪变率升高与温度升高，熔胶粘会降低，而 分子链运动能力的提升会促进较规则的分子链排列及降低分子链相互纠缠程度。此外，熔 胶粘度也与压力相关，压力愈大，熔胶粘度越大。 ( 2 ) 熔胶波前速度和熔胶波前面积 m f v 和m f a 是流动平衡的重要设计参数。m f v 的差异以塑料分子( 以点表示) 以 不同方式伸展，导致分子与纤维本身性的差异，造成收缩量差异或翘曲。不平衡流动的 m f a 会有突然的变化，当部分的模穴角落已经充饱，部分的熔胶仍在流动。对于任何复 杂的几何形状，应该将模穴内的m f a 变化最小化，以决定最佳的浇口位置。流动平衡时， 熔胶波前面积有最小的变化。理想的充填模式是：在整个过程中，熔胶以一固定熔胶波前 速度同时到达模穴内的每一个角落。 容积流动率= 熔胶波前速度( m f v ) 熔胶波前面积( m f a ) 。 ( 3 ) 熔胶流动指数 熔胶流动指数m i ，m i 值愈大，代表该塑料粘度愈小，分子重量愈小；反之，m i 值 愈小，代表该塑料粘度愈大，分子重量愈大。 ( 4 ) 其它塑料主要特性指标还包括：密度、分子组成、分子理、比热和热传导率等。 2 1 3 影响聚合物熔体流动的因素 粘度是描述塑料熔体流动行为的重要量度，是塑料模具设计不可缺少的重要工艺数 据。大多数聚合物熔体属于假塑性流体，粘性剪切流体中，粘度是受各种因素影响的变量。 描述聚合物熔体粘度的函数关系【1 l 】为： 誓= fo r , 只必州)( 2 - 1 ) 式中p 剪切速率，它是剪切应力t 的函数； 瑚度； 卜静压力，它本身是体积的函数； m 一聚合物的分子参数，如相对分子质量、相对分子质量分布等； 州一其他影响参数，包括各种助剂和添加剂等。 ( 1 ) 剪切速率的影响 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 具有非牛顿行为的聚合物熔体，其粘度随剪切速率的增加而下降。这种粘度下降趋势， 延续到剪切速率变化的多个数量级。不同聚合物熔体在流动过程中，随剪切速率的增加， 薪度下降的程度是不相同的。如在低剪切速率下低密度聚乙烯和聚苯乙烯的粘度比聚矾和 聚碳酸酷大；但在高剪切速率下，低密度聚乙烯和聚苯乙烯的薪度比聚矾和聚碳酸酷小。 从粘度对剪切速率的依赖性来说，一般橡胶对剪切速率的敏感性要比塑料大。不同塑料的 敏感性也有明显区别，敏感性较明显的有l d p e ，p p ，p s ，h i p s ，ab s ，p m m a 和p o m ；而 h d p e ，p s f ，p a 1 0 1 0 和p b t 的敏感性一般；p a 一6 ，p a 6 6 和p c 为最不敏感。了解和掌握 聚合物熔体粘度对剪切速率的依赖性，对聚合物成型加工过程中选择合适的剪切速率很有 意义。对剪切速率敏感性大的塑料，可采用提高剪切速率的方法使其粘度下降。而粘度降 低使聚合物熔体容易通过浇口而充满模具型腔；也可使大型注射机能耗降低。 ( 2 ) 温度的影响 随着温度的升高，聚合物分子间的相互作用力减弱，熔体的粘度降低，流动性增大。 活化能e ，是分子链流动时用于克服分子间作用力，以便更换位置所需要的能量，即每摩 尔运动单元流动时所需要的能量，单位为k j m o l 。活化能越大，粘度对温度越为敏感。温 度升高时，其粘度下降越明显。一些聚合物熔体在某个温度下的恒定剪切速率的活化能e 分值见表2 1 对活化能较小的聚合物，如p e 和p o m 等，用升高温度来提高成型时的流 动性其效果有限；而增高温度来提高p m m a 和p c 等活化能较高物料的流动性是可行的。 表2 1 几种聚合物熔体的活化能 聚合物 砖1 e ( k j 肺0 1 )聚合物 1 f s 一1 e r 叫佃0 1 ) p o m ( 1 9 0 )1 0 1 1 0 22 6 。4 2 8 5p m m a ( 1 9 0 )1 0 1 0 21 5 9 1 6 7 p e ( m f r 2 1 ，1 5 0 )1 0 2 1 0 32 8 9 3 4 3p c ( 2 5 0 )1 0 1 0 21 6 7 1 8 8 p p ( 2 5 0 ) l b l 1 0 24 1 8 6 0 1 n b r1 02 2 6 p s ( 1 9 0 )1 0 1 1 0 29 2 1 9 6 - 3 n r1 01 1 ( 3 ) 压力的影响 聚合物熔体是可压缩的流体。聚合物熔体在压力为1 1 0 m p a 下成型，其体积压缩量 小于1 。注射成型时，压力可达1 0 0 m p a ，此时就会有明显的体积压缩。体积压缩必然 引起自由体积减少，分子间距离缩小，将导致流体的粘度增加，流动性降低。在测定恒定 压力下粘度随温度的变化和恒温下粘度随压力的变化后，得知压力增加与温度下降t 对 粘度的影响是等效的。压力和温度对粘度影响的等效关系可用换算i - - g l - t ( a t a p ) 。来处理。 一般聚合物熔体的压力和温度对粘度影响的等效换算因子( t p ) ，为0 3 o 9 。c m p a 。 浙江工业大学硕士学位论文 挤出成型加工的压力比注射成型大致小一个数量级。因此，挤出成型时压力使熔体粘度增 加的值，大致相当于加工温度下降了几度，而对注射成型时压力的作用使粘度增加的值， 却相当于温度下降了几十度。 ( 4 ) 分子结构的影响 聚合物熔体的粘性流动主要是分子链之间发生的相对位移。因此相对分子质量m 越 大，流动性越差，粘度越高。反之，粘度较低些。聚合物在相对分子质量相同情况下，相 对分子质量分布m w d 影响熔体的流动性。相对分子质量分布宽的聚合物熔体，对剪切 速率的敏感性较分布窄的物料为大。从成型加工观点来看，具有相对分子质量分布宽的聚 合物，其流动性较好，易于加工。但过宽的相对分子质量分布，低相对分子质量的分布会 降低材料的力学性能。当相对分子质量相同时，分子链是否支化及其支化程度，对粘度影 响很大。在较高的剪切速率下，支链型l d p e ( 低密度p e ) 的粘度比直链型的h d p e ( 高密 度p e ) 低。按照比切( b u e c h e ) 理论，支化聚合物的粘度比相同相对分子质量的线形聚合物 的乳度要小一些。粘度的减小，主要是由于支化分子的无轨运动在熔体中弥散的体积较线 形分子小。长链支化对熔体粘度的影响较为复杂。在低于临界相对分子质量时，有相同相 对分子质量的长支链聚合物比线形聚合物的a 度低。而高于m 时，在低剪切速率下，长 支链聚合物有较高的钻度：但在高剪切速率下，长支链聚合物的粘度较低。 ( 5 ) 添加剂的影响 添加剂中增塑剂、润滑剂和填充剂等对流动性能有较显著的影响。聚合物中加入增塑 剂会降低成型过程中熔体的粘度，但会使制品的力学性能及热性能随之改变。加入润滑剂 可以改善流动性，不仅使熔体的粘度降低，还可以使熔体与设备表面容易剥离，不致因粘 附在设备表面上的时间过长而分解。而填充剂的加入般会使聚合物的流动性降低。粒子 小的填料，加工时流动性差，但制品的表面光滑，机械强度较