塑料微齒輪微流道注塑模充填研究

中國注塑網(wǎng)

隨著現(xiàn)代產(chǎn)品追求輕薄短小以及微米、納米級(jí)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的注塑成型技術(shù)也隨之調(diào)整。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國雖然在塑料微注射成型技術(shù)上有了一定的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)在這方面的研究還不足。微注射成型技術(shù)與傳統(tǒng)注射成型技術(shù)相比較，具有多項(xiàng)生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，但是目前對(duì)于塑料在微尺寸流動(dòng)情況并不完全了解，導(dǎo)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(yīng)用范圍呈擴(kuò)大趨勢(shì)，比如在家用電器、機(jī)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(dòng)噪聲低、自潤滑、質(zhì)輕、吸振、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，尤其是塑料微齒輪具有的體積小、傳動(dòng)緊湊等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其可在許多金屬齒輪不宜使用的領(lǐng)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(duì)澆鑄和注塑滾齒的加工方式具有明顯優(yōu)勢(shì)?！　」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(duì)象，使用微流道進(jìn)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(shí)際注射實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dá)到產(chǎn)量化目標(biāo)，為微齒輪成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(biāo)準(zhǔn)漸開線塑料圓柱直齒輪為研究對(duì)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(hào)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(dá)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(duì)密度拉伸強(qiáng)度/MPa熔體流動(dòng)速率/彎曲強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%成型收縮率/沖擊強(qiáng)度硬度熱變形溫度/吸水率/%維卡軟化點(diǎn)/首先運(yùn)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(shí)，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分等許多復(fù)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(dòng)對(duì)CAD圖文件進(jìn)行模型的修復(fù)與簡(jiǎn)化，然后將導(dǎo)出的UDM文件再導(dǎo)入MPI模塊進(jìn)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(zhǔn)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(xiàng)目而定，冷卻水路為05mm的圓柱體。　　有限元分析模型2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(shí)間、冷卻時(shí)間等。筆者為了觀察塑料在微流道里的流動(dòng)情形，需制造短射的情況，因此保壓壓力及保壓時(shí)間兩項(xiàng)均設(shè)定為，采用充填壓力達(dá)到設(shè)定值即轉(zhuǎn)保壓的方式，而其它參數(shù)則視研究項(xiàng)目給定。試驗(yàn)采用的精密注塑機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)，即注塑壓力的大小受注射速度的設(shè)定變化而變化，因此注塑壓力和注射速度之間存在相關(guān)性。所以筆者研究的影響因素可以不包括注塑壓力，其對(duì)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(shí)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(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)這些工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)中以微齒輪的充填率為指標(biāo)，以熔體溫度A、模具溫度B、注射速度C、冷卻時(shí)間D為因素。此外雖然在多因素試驗(yàn)中，各因素不僅可能獨(dú)立地在起作用，而且還可能交互作用，但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，各因素之間存在的交互作用對(duì)指標(biāo)的影響甚微，因此可不考慮4.各因素分別取三個(gè)水平，確定為四因素三水平試驗(yàn)，通過CAE模擬正交試驗(yàn)的結(jié)果見表2.由于微流道深度尺寸在200pm以下時(shí)，微齒輪塑料件Moldflow軟件模擬時(shí)會(huì)存在收斂不好的問題，且經(jīng)過模擬試驗(yàn)測(cè)試當(dāng)微流道深度太小時(shí)，注塑壓力要很大才能實(shí)現(xiàn)充模，這對(duì)注射機(jī)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(shí)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(dǎo)致試驗(yàn)精度降低和成本提高，因此試驗(yàn)中初定微流道深度為表2工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果項(xiàng)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(cè)量采用Moldflow自帶的測(cè)量工具，沿圓周測(cè)量充填直徑10次，并剔除測(cè)量值中隨機(jī)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(biāo)值。　　圍2坩流道深度和注費(fèi)壓力對(duì)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(shí)，其充填面積在不同進(jìn)口注塑壓力下皆呈增加趨勢(shì)，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(gè)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(shì)的不同主要是因?yàn)楦魑⒘鞯赖纳疃炔煌?，提高注塑壓力?duì)較小尺寸微流道充填影響及趨勢(shì)從模擬分析結(jié)果來看并不明顯?！　?微齒輪實(shí)際注射試驗(yàn)劫果為了驗(yàn)證模擬分析對(duì)微流道內(nèi)塑料熔體的充填結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)行了實(shí)際的注射成型試驗(yàn)，并將。　　微流道實(shí)際充填結(jié)果從可以發(fā)現(xiàn)，塑料熔體在各微流道內(nèi)充填時(shí)，其充填面積的幅度隨著進(jìn)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(yàn)結(jié)果一致）。另外，還可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)微流道的模擬分析數(shù)據(jù)與實(shí)際注射成型試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一些誤差，從和可以看出，實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)際注射成型塑料件的尺寸測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)塑料件的厚度都比原先設(shè)計(jì)的尺寸多約20pm左右?！　‰m然試驗(yàn)中一般會(huì)存在誤差，但該誤差特點(diǎn)是方向明確，大小也較穩(wěn)定，可以排除粗大誤差和隨機(jī)誤差的可能性，確定應(yīng)該是存在的系統(tǒng)誤差?！　】赡茉斐赡M和實(shí)際試驗(yàn)尺寸誤差的原因一般為測(cè)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(cè)量方面，筆者采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜哟胧┖途艿臏y(cè)量儀器來保證測(cè)量精度，測(cè)量誤差會(huì)存在但不會(huì)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(shí)際注射工作經(jīng)驗(yàn)可知，微型產(chǎn)品上冷卻收縮比例較低，且收縮只會(huì)導(dǎo)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(duì)試驗(yàn)中不采取保壓措施，更不會(huì)因?yàn)閴毫μ蠖顾芰霞叽缱兇?，因而缺少保壓也可排除。另外，由于試?yàn)用模具較小，對(duì)模具板材剛度和硬度都沒有特別要求，而試驗(yàn)測(cè)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(diǎn)微變形就會(huì)給實(shí)際試驗(yàn)的塑料件尺寸測(cè)量帶來誤差，且誤差會(huì)較大，因此澆口尺寸的變化和模具模板的微變形應(yīng)該是造成試驗(yàn)塑料件系統(tǒng)誤差較大的原因?！　?duì)于350pm的微流道而言，其澆口尺寸最小，微小的變化對(duì)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(shí)際塑料件可能存在形狀特征誤差、Moldflow軟件模擬計(jì)算存在誤差問題、模擬分析工藝假設(shè)問題也都會(huì)給試驗(yàn)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(xué)、彈性力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面深入分析探討?！　?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(guān)鍵工藝參數(shù)，冷卻時(shí)間對(duì)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(guān)系增加；而較小深度尺寸的微流道對(duì)充填面積增長幅度的影響較平緩，提高注塑壓力對(duì)較小深度尺寸微流道充填結(jié)果的影響及趨勢(shì)不明顯。　　實(shí)際注射成型試驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在微流道對(duì)微齒輪的充填行為的影響趨勢(shì)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)。