[分享]微型齿轮注塑成型的模拟分析与研究 [复制链接]

1、前言 4L ;% h  
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随着微／纳米科学技术的蓬勃发展，微型塑件在各种微型机械系统产品中的应用需求越来越大。微注塑成型技术作为一种经济地快速地大批量制造微型塑件的方法，对于满足日益增长的微型机械系统产品的需求，具有广阔的应用前景。 #E?(vA1  
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目前，关于微注塑成型技术的研究还处于起步阶段。由于微型塑件其结构尺寸与体积极其微小，并且微注塑成型技术的研究涉及到许多相关技术领域，如微流变学、微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学等，加之各相关技术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微注塑成型的理论与方法，更不能简单地将传统的、宏观上的注塑成型理论与方法应用到微注塑成型中去。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。 (qqOjz  
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本模拟分析与实验研究将选用微型齿轮结构作为研究对象，并以此为基础设计制造出一套具有一模四／腔的微注塑模具。微型齿轮结构具体尺寸参数如下：模数0.25,齿数10,分度圆直径2.5mm,齿轮厚度0.lmm。之所以选用微型齿轮结构是由于不仅其尺寸微小而且其形状复杂，对于微注塑成型技术的研究具有典型的代表性和深度性。 //T>G_1  
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2、微型齿轮注塑成型的模拟分析 "uuVy$6C  
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注塑成型模拟分析技术是根据流变学、传热学、计算力学及计算机图形学等基础理论建立注塑成型过程的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现注塑成型过程的动态仿真分析，形象的模拟出实际注塑成型过程中熔体的动态流动、冷却及保压过程的一门技术，进而计算出制品的应力分布，预测出制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和模具结构、优化成型工艺参数的目的。 C~nzH,5  
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本研究利用MoldFlow软件3D(实体流）分析技术模拟微注塑成型填充过程中熔体流经流道、浇口以及填充模具型腔的过程，计算浇注系统及模具型腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场的分布，并将分析结果以图表、等值线图和真实感图形的方式直观地反映出来。 %+8F'&X  
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首先在Pro/E中建立几何模型，将其保存为STL文件格式然后导入MoldFlow中，使用实体流技术对模型进行网格划分，通过网格信息统计对网格进行诊断，并利用网格工具对网格缺陷进行修改和完善。划分完网格的几何模型见图1。

模拟分析中，注塑材料选用Advanced .Compos-ites Inc的CO 0447,属于PP结晶材料；注射机选用Arburg公司的Allrounder 220 S 17 tons 1.3 oz型注射机。将分别对模具温度、熔体温度、注射速率、注射压力这4个工艺参数的变化对微注塑成型的影响进行模拟研究。每个工艺参数分别选择5个不同的水平，具体模拟工艺条件和结果见表1~表4和图2~图5。 WF1px%  
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2.1 模具温度的模拟分析

从模拟结果可以看出，随着模具温度的提高，填充率显著的增加，尤其是模具温度从60℃到80℃，填充率增加最为明显。由此可知，对于微型齿轮注塑成型，模具温度不应低于60℃。 6l5:1|8b,!  
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2.2 熔体温度的模拟分析

从模拟结果可以看出，随着熔体温度的提高，填充率显著的增加，尤其是熔体温度从220℃到240℃，填充率增加最为明显。由此可知，对于微型齿轮注塑成型，熔体温度不应低于220℃。 ?]Pmxp H}  
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2.3 注射速率的模拟分析

从模拟结果可以看出，随着注射速率的提高，填充率显著的增加，尤其是注射速率从10 mrn/s到12mm/s，填充率增加最为明显。由此可知，对于微型齿轮注塑成型，注射速率不应低于l0mm/s，而注射速率为lomm/s时注射时间为0.0985s，即注射时间不应高于0.1S。 xIxn"^'  
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3.4 注射压力的模拟分析

从模拟结果可以看出，随着注射压力的提高，填充率显著的增加，尤其是注射压力从60MPa到80MPa，填充率增加最为明显。由此可知，对于微型齿轮注塑成型，注射压力不应低于60MPa. BGOuDKz9C  
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3、微型齿轮注塑成型的实验研究 g .onTFwN  
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微注塑成型实验研究对微注塑成型理论的验证和微注塑理论模型的建立提供了实验依据。本实验研究通过参考模拟分析结果来对微注塑成型试验的工艺参数进行指导性的设置。实验设备选用专门生产微小制品的BOY 12A微型注射机，其为完全闭环电路控制，具有相当高的精度及稳定性、可靠性。注塑材料选用Mitsui Advanced Composites的F227型PP材料。 "}q@Y=  
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实验采用正交实验设计方法，对模具温度、熔体温度、注射速率和注射压力这4个工艺参数进行研究，每个工艺参数分别选择3个不同的水平，选用L 9 (3 4)正交表。实验分析表明：模拟分析与实验研究具有很好的相似性，因此模拟分析技术可以应用于微注塑成型分析中，对微注塑成型具有重要的参考价值和指导意义。通过对实验结果的研究分析得到各工艺参数对微注塑成型的影响主次顺序为熔体温度、注射速率、注射压力和模具温度，可见熔体温度对微注塑成型的影响最为重要。最终实验确定微型齿轮注塑成型最佳工艺参数如下：模具温度80℃，熔体温度240℃，注射速率lOmm/s,注射压力120Mpa。注塑成型后所得到的齿轮制品如图6所示。

4、结论 H<v'^*(  
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（1)通过模拟分析，可以看出对于微型齿轮注塑成型，模具温度不应低于60℃，熔体温度不应低于220℃，注射时间不应高于0.Is,注射压力不应低于80MPa； $^OvhnL/  
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(2)对实验结果分析研究可以看出，关于各工艺参数对注塑成型影响规律的研究，模拟分析与实验研究具有很好的相似性。因此模拟分析技术可以应用于微注塑成型分析中，对微注塑成型起到指导和参考作用； rs,2rSsg!  
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（3）通过对实验结果的研究分析得到各工艺参数对微注塑成型的影响主次顺序为熔体温度、注射速率、注射压力和模具温度。