塑料微齒輪微流道注塑模充填研究

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隨著現(xiàn)代產(chǎn)品追求輕薄短小以及微米、納米級的應用，傳統(tǒng)的注塑成型技術也隨之調(diào)整。進入21世紀以來，我國雖然在塑料微注射成型技術上有了一定的發(fā)展，但是與發(fā)達國家相比，國內(nèi)在這方面的研究還不足。微注射成型技術與傳統(tǒng)注射成型技術相比較，具有多項生產(chǎn)優(yōu)勢，但是目前對于塑料在微尺寸流動情況并不完全了解，導致塑料件易出現(xiàn)成型缺陷。塑料齒輪作為重要工程構(gòu)件之一，其應用范圍呈擴大趨勢，比如在家用電器、機械儀表、電訊、玩具產(chǎn)品等裝置中已廣泛使用?！　∷芰淆X輪與金屬齒輪相比較，具有加工成本低、傳動噪聲低、自潤滑、質(zhì)輕、吸振、耐腐蝕等優(yōu)點，尤其是塑料微齒輪具有的體積小、傳動緊湊等獨特優(yōu)點，使其可在許多金屬齒輪不宜使用的領域使用0.微注射成型是塑料微齒輪的主要成型方法，微注射成型不用再次滾齒，其相對澆鑄和注塑滾齒的加工方式具有明顯優(yōu)勢?！　」P者利用模流分析軟件Moldflow，以微齒輪的注射成型為數(shù)值模擬對象，使用微流道進行充填，改變注射速度參數(shù)（微流道深度和注塑壓力）以觀察微齒輪熔融塑料的充填行為，并通過與實際注射實驗比較，探討熔融塑料在微流道內(nèi)的充填狀況，以了解熔融塑料在微尺寸流道里的流動情況，從而避免塑料在微結(jié)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生充填不良等問題，提高成型質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，達到產(chǎn)量化目標，為微齒輪成型模具的結(jié)構(gòu)設計、成型工藝參數(shù)的合理化等提供理論?！　?有限元分析模型建立以標準漸開線塑料圓柱直齒輪為研究對象，其基本參數(shù)為模數(shù)m=0.5、齒數(shù)z=10、分度圓壓力角a=25.、齒厚b=1mm、齒頂高系數(shù)ha=1、頂隙系數(shù)c=0.25.現(xiàn)階段用于微注塑成型的聚合物原料主要有聚甲醛（POM），聚甲基丙烯酸甲酯（PM-MA），尼龍（PA）66，聚醚醚酮（PEEK），液晶聚合物（LCP）H，筆者選用了奇美公司的牌號為CM-205的PMMA.PMMA為耐熱型塑料，剛度和硬度較高，且具有高透明度，可達92%透光率，可塑性佳，可制成各種形狀塑料件，其物性數(shù)據(jù)如表1所示?！　?shù)為鎖模力5t、最大注塑壓力197MPa、最大注射速率340cm3/s、螺桿最大行程40mm及螺桿直徑表1 PMMA物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)相對密度拉伸強度/MPa熔體流動速率/彎曲強度/MPa斷裂伸長率/%成型收縮率/沖擊強度硬度熱變形溫度/吸水率/%維卡軟化點/首先運用PRO/E建立塑料齒輪3D模型，由于在將CAD圖文件轉(zhuǎn)換為Moldflow模型時，需要進行網(wǎng)格劃分等許多復雜的工作，而且建模質(zhì)量不高，因此若通過使用CADDoctor塑料件分析前處理軟件，自動對CAD圖文件進行模型的修復與簡化，然后將導出的UDM文件再導入MPI模塊進行分析，就能較易獲得高質(zhì)量的劃分網(wǎng)格，保證分析結(jié)果的正確性與準確度。最后轉(zhuǎn)化完添加澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，有限元分析模型如所示。中澆注系統(tǒng)的主流道為圓錐體，其高度為30mm、上下圓直徑為2和5mm；分流道為矩型體，其長、寬、深分別為20、5、mm.圓形微流道參數(shù)視研究項目而定，冷卻水路為05mm的圓柱體?！　∮邢拊治瞿Ｐ?工藝參數(shù)分析及優(yōu)化微齒輪最終的質(zhì)量表現(xiàn)很大程度上取決于生產(chǎn)中成型工藝參數(shù)的選取。微齒輪注射成型加工工藝參數(shù)主要包括：熔融溫度、模具溫度、注塑壓力、注射速度、保壓壓力、轉(zhuǎn)換保壓方式、保壓時間、冷卻時間等。筆者為了觀察塑料在微流道里的流動情形，需制造短射的情況，因此保壓壓力及保壓時間兩項均設定為，采用充填壓力達到設定值即轉(zhuǎn)保壓的方式，而其它參數(shù)則視研究項目給定。試驗采用的精密注塑機的注射速度和注塑壓力控制方式為注射速度優(yōu)先的閉環(huán)控制。在這種情況下，注射速度起決定性作用，注塑壓力則是被動調(diào)節(jié)，即注塑壓力的大小受注射速度的設定變化而變化，因此注塑壓力和注射速度之間存在相關性。所以筆者研究的影響因素可以不包括注塑壓力，其對微齒輪最終精度的影響將在注射速度的調(diào)節(jié)中得到體現(xiàn)H.綜上所述，選取熔體溫度、模具溫度、注射速度和冷卻時間作為熔融塑料在微流道內(nèi)的充填狀況的主要影響因素。為找出注射成型最優(yōu)成型條件，以提高塑料件的精度和質(zhì)量，筆者運用正交試驗設計方法對這些工藝參數(shù)進行優(yōu)化。試驗中以微齒輪的充填率為指標，以熔體溫度A、模具溫度B、注射速度C、冷卻時間D為因素。此外雖然在多因素試驗中，各因素不僅可能獨立地在起作用，而且還可能交互作用，但實際經(jīng)驗表明，各因素之間存在的交互作用對指標的影響甚微，因此可不考慮4.各因素分別取三個水平，確定為四因素三水平試驗，通過CAE模擬正交試驗的結(jié)果見表2.由于微流道深度尺寸在200pm以下時，微齒輪塑料件Moldflow軟件模擬時會存在收斂不好的問題，且經(jīng)過模擬試驗測試當微流道深度太小時，注塑壓力要很大才能實現(xiàn)充模，這對注射機參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、模具材料、材料性能都要求比較高，且實際注射過程中還容易發(fā)生模板變形、熔體溢出等注射成型問題，從而導致試驗精度降低和成本提高，因此試驗中初定微流道深度為表2工藝參數(shù)正交試驗設計及結(jié)果項目因素充填率/%微流道充填結(jié)果數(shù)據(jù)，如所示。其中充填面積測量采用Moldflow自帶的測量工具，沿圓周測量充填直徑10次，并剔除測量值中隨機誤差和粗大誤差的影響，再取平均充填直徑值來作為充填面積的指標值?！　?坩流道深度和注費壓力對充填效梁的影響注壓力/MPa 103不丨1微浼道深和注壓力下的充填直徑從可以看出，塑料熔體在各微流道內(nèi)充填時，其充填面積在不同進口注塑壓力下皆呈增加趨勢，尤其以深度為550的微流道充填面積增加的幅度較其它兩個明顯，深度為350pm的微流道充填面積增加的幅度不明顯，幾乎固定在直徑為0.8mm左右的區(qū)域內(nèi)，深度為450pm的微流道充填面積增加的幅度在兩者之間。由此可知，造成各微流道充填面積大小與其趨勢的不同主要是因為各微流道的深度不同所致，提高注塑壓力對較小尺寸微流道充填影響及趨勢從模擬分析結(jié)果來看并不明顯?！　?微齒輪實際注射試驗劫果為了驗證模擬分析對微流道內(nèi)塑料熔體的充填結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性，進行了實際的注射成型試驗，并將?！　∥⒘鞯缹嶋H充填結(jié)果從可以發(fā)現(xiàn)，塑料熔體在各微流道內(nèi)充填時，其充填面積的幅度隨著進口注塑壓力的增加而明顯增加，其中深度為550pm的微流道充填面積增加的幅度最為明顯（曲線斜率最大，與模擬試驗結(jié)果一致）。另外，還可以發(fā)現(xiàn)三個微流道的模擬分析數(shù)據(jù)與實際注射成型試驗數(shù)據(jù)有一些誤差，從和可以看出，實驗數(shù)據(jù)普遍都比模擬數(shù)據(jù)大，尤其是350pm微流道的誤差最為明顯，通過對實際注射成型塑料件的尺寸測量，可以發(fā)現(xiàn)每個塑料件的厚度都比原先設計的尺寸多約20pm左右。　　雖然試驗中一般會存在誤差，但該誤差特點是方向明確，大小也較穩(wěn)定，可以排除粗大誤差和隨機誤差的可能性，確定應該是存在的系統(tǒng)誤差。　　可能造成模擬和實際試驗尺寸誤差的原因一般為測量誤差、冷卻凝固收縮、缺少保壓、澆口尺寸變大、模板微變形等。其中，在測量方面，筆者采取嚴謹?shù)娜哟胧┖途艿臏y量儀器來保證測量精度，測量誤差會存在但不會帶來明顯的差別，因而不是主要原因。在冷卻收縮方面，根據(jù)塑料件原料的物性數(shù)據(jù)和實際注射工作經(jīng)驗可知，微型產(chǎn)品上冷卻收縮比例較低，且收縮只會導致塑料件尺寸縮小而不是膨脹，因此冷卻凝固收縮也不是主要原因。針對試驗中不采取保壓措施，更不會因為壓力太大而使塑料件尺寸變大，因而缺少保壓也可排除。另外，由于試驗用模具較小，對模具板材剛度和硬度都沒有特別要求，而試驗測量的是微型尺寸，只要模具模板或者模具成型零件在高注塑壓力下發(fā)生一點微變形就會給實際試驗的塑料件尺寸測量帶來誤差，且誤差會較大，因此澆口尺寸的變化和模具模板的微變形應該是造成試驗塑料件系統(tǒng)誤差較大的原因?！　τ?50pm的微流道而言，其澆口尺寸最小，微小的變化對其影響最大，所以其誤差最為明顯。其它方面，比如PRO/E建立塑料齒輪3D模型與實際塑料件可能存在形狀特征誤差、Moldflow軟件模擬計算存在誤差問題、模擬分析工藝假設問題也都會給試驗帶來誤差，這些誤差都是不可能避免的，要深究其規(guī)律還必須提高CAD建模質(zhì)量，需在聚合物的流變學、彈性力學、計算機技術等方面深入分析探討。　　5結(jié)論熔體溫度、注射速度、模具溫度為影響PM-MA微齒輪微流道充填率的關鍵工藝參數(shù)，冷卻時間對其影響不明顯?！　‰S著注塑壓力的提高，微流道深度尺寸越大，微齒輪充填面積的增加幅度越大，且基本呈線性關系增加；而較小深度尺寸的微流道對充填面積增長幅度的影響較平緩，提高注塑壓力對較小深度尺寸微流道充填結(jié)果的影響及趨勢不明顯?！　嶋H注射成型試驗結(jié)果顯示，實際試驗結(jié)果與模擬結(jié)果在微流道對微齒輪的充填行為的影響趨勢基本一致，只是在數(shù)值上存在一些誤差，該誤差的根源主要來自模具結(jié)構(gòu)。