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1、1.70mm/0.115mm光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计工程技术才学院 02机械设计制造及其自动化 廖震宇学号：2002111018【摘要】光纤连接器陶瓷插芯作为光纤连接器的主要部分是光通信网络的一个重要成分。目前光纤连接器陶瓷插芯使用的是陶瓷粉末注射成型（Ceramic Injection Molding, CIM）的成型方法，陶瓷插芯的外部直径和内孔直径是1.70mm和0.115mm，公差均为0.03mm，同轴度要求小于等于0.02mm。光纤连接器陶瓷插芯生产技术几乎被美日等发达国家垄断，大部分陶瓷插芯毛坯由这些国家进口，其模具设计在国内更是个空白。本文根据光纤连接器陶瓷插芯的结构特点，
2、分析了其结构工艺和探讨了模具设计的关键技术及难点，并提出多个模具设计方案；分别使用UG中的MOLDWIZARD模块和Pro/ENGINEER中的Pro/MOLDESIGN模块进行光纤连接器陶瓷插芯的模具设计；提出了氧化锆粉末注射喂料的流动特性和粘结剂、润滑剂及其他添加剂的配方。【关键词】光纤连接器陶瓷插芯；陶瓷粉末注射成型；UG；Pro/ENGINEER；MSC.PatranThe Injection Molding Design of Ferrule【Abstract】The ferrule which are the key parts for optical connectors as
3、develop are a key component for optical communication network . The field of information technologys industries has greatly changed and developed so dramatically. Use Ceramic Injection Molding to form the ferrule. The ferrules outside diameter is 1.700.03mm and inner diameter is 0.1150.03mm.The ferr
4、ules concentricity is below 0.02mm.The ferrules technique almost is controlled by the Japan and the United States. And the molding designs are blank in the domestic.According to the structural characteristics of the ferrule, the manufacturability of the mold structure was analyzed and the key techni
5、que and difficult of the molding design were studied. UG MOLDWIZARD and Pro/MOLDESIGN is being used more and more enterprise to design mold structure. 【Key Words】Ferrule, Ceramic Injection Molding, UG, Pro/ENGINEER, MSC.Patran教师点评：光纤连接器陶瓷插芯是光通信网络的一个重要部件，是陶瓷粉末注射成型（Ceramic Injection Molding, CIM）的产品。陶
6、瓷插芯的生产技术被美日等发达国家垄断，陶瓷插芯毛坯全部由国外进口，注射成型模具设计在国内是个空白。该同学根据光纤连接器陶瓷插芯的结构特点，分析了其结构工艺特征和探讨了模具设计的关键技术难点；努力钻研模具设计技术、规范和方法，在现场实际调研的基础上，并提出多个模具设计方案；分别使用UG中的MOLDWIZARD模块和Pro/ENGINEER中的Pro/MOLDESIGN模块进行光纤连接器陶瓷插芯的模具设计和注射成型模拟；在毕业设计过程中，积极进取，努力工作，表现较强的独立工作能力和文字表达能力。（点评教师：李积彬，教授）一. 前言1.1 光纤连接器陶瓷插芯的主要用途及制造工艺光纤连接器是光纤通信系
7、统中不可缺少的无源器件，主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性两个端面精密地对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。大多数的光纤连接器由三部分组成：两个配合插头（插芯）和一个耦合套筒。两个插芯装进两根光纤尾端；耦合套筒起对准的作用，套筒多配有金属或非金属法兰，以便于连接器的安装固定。根据预测，该产品的成长期到2010年左右，以后需求将稳定。但是目前国际上只有美日等发达国家有技术生产氧化锆插芯和套筒，其毛坯生产技术在国内还是空白。 陶瓷插芯（如图1）毛坯由于内含一个0.1mm的小孔，且对尺寸同心度的要求都很高，因此只有通过陶瓷末粉末注射
8、成型(Ceramic Injection Molding)的技术才有可能。 陶瓷插芯制作工艺分两部分，即毛坯制作和精密机械加工，首先用经过特殊处理的采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料，造粒后在专用的模具中注射成型，然后经高温烧结成毛坯，第二部分则是将毛坯经一系列精密研磨加工，达到亚微米级的加工精度，从而得到刚性好，精度高的陶瓷插芯产品。1.2 陶瓷注射成型技术图1：陶瓷插芯图陶瓷粉末注射成型技术（Ceramic Injection Molding,CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，它源于20世纪20年代的一种热压铸成型技术。该技术通过加入一定量的聚合物及添加剂组元,赋予金属粉末、陶瓷粉末跟
9、聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要制成各种形状的材料制品，可以对工艺过程进行精确的控制；特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量生产来说，陶瓷的注射成形（CIM）更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异1。二. 光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计2.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸和材料的选择2.1.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸1光纤连接器陶瓷插芯零件图（如图2）2光纤连接器陶瓷插芯尺寸，如表1所示。图2：光纤连接器陶瓷插芯零件图表1：陶瓷插芯尺寸SMMM外圆直径（mm）1.7 0.03内孔直径（mm）0.1
10、15 0.030.127 +0.003/-0.002同轴度（mm） 0.02长度（mm）8.0 0.32.1.2 光纤连接器陶瓷插芯的材料及其配方光纤连接器用插芯现在使用陶瓷注射成型技术进行大批量的生产，而所使用的陶瓷材料就是氧化锆。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；以氧化锆为主要原料的锆英石基陶瓷颜料，是高级釉料的重要成分；氧化锆的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料；氧化锆的相变增韧等特性，成为塑性陶瓷材料的宠儿；良好的机械性能和热物理性能
11、，使它能够成为金属基复合材料中性能优异的增强相。所以光纤连接器陶瓷插芯材料采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料（Y- PSZ），粘结剂配方如表2所示。 表2：氧化锆标准泥浆组成2组成配方种类份数陶瓷粉末钇稳定的纳米氧化锆微粉100分散剂胺盐0.25增塑剂甘油0.2分散介质水至77.5%泥浆黏合剂丙烯酸共聚物乳液3固含量44黏度0.25pas2.2 型腔数目的确定为了使模具与注射机的生产能力匹配，提高生产率和经济性，并保证制件精度，加上制件的体积和质量都比较小，所以要使用一模多腔的方式。根据注射机的最大注射量确定型腔数目，其计算公式为：n=（0.8GW2）/W1 =（0.812071.454）/1.4
12、1=17.4，（查注塑成型及模具设计P77式7-4）n取6，采用圆形排列一模六腔的方式。2.3 注射机的选择由型腔的数目，初定注塑模一次成型的氧化锆质量（制件和流道凝料质量之和）为72.861克和总体积12143.513立方毫米。 根据注塑模一次成型氧化锆质量和总体积，选择注塑机型号为XS-ZS-22。其该注射机的规格和性能如表3。表3：注射机的规格和性能型号额定注射量螺杆直径注射压力注射行程XS-ZS-2220cm320mm115mpa130mm锁模力最大成型面积模板最大行程模具最大厚度模具最小厚度250kN90 cm2160mm180mm60mm喷嘴圆弧半径喷嘴直径注射方式合模方式拉杆空间
13、12mm2mm双柱塞液压-机械235mm2.4 镶针设计方案1方案1此方案设计的镶针其结构相当于悬臂梁。如图3所示： 图4：镶针设计方案2图3：镶针设计方案12方案2此方案设计的镶针其结构相当于简支梁。如图4所示：3两个方案的比较和方案的选择光纤连接器陶瓷插芯的制造最为关键在于插芯内孔的同轴度（ 0.02mm）,在充模时，方案1的镶针其结构相当于悬臂梁，若出现受力不均时，相当于悬臂梁的镶针就很容易变形，影响插芯内孔的同轴度。方案2的镶针其结构相当于简支梁，由于两端都受到夹持力的作用，在充模时，即使出现受力不均，其影响插芯内孔的同轴度要比方案1的镶针少得多。所以镶针设计选择方案2。4. 镶针（嵌
14、件）零件图（如图5）图5：镶针（嵌件）零件图2.5 注塑模结构设计方案1方案1采用双分型面注塑模具结构，即三板模。其开模图（图6）及最终成型的制件流道凝料图如图7所示： 图6：开模图 图7：制件流道凝料图开模方式：首先移动型芯固定板将镶针完全脱离制件，向开模方向移动36mm。然后再连同动模板向开模方向移动113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个开模过程。2方案2采用单分型面注塑模具结构，即两板模。其开模图（图8）及最终成型的制件图如图（图9）所示：图8：开模图 图9：制件流道凝料图 开模方式：首先移动动模板将制件完全脱离镶针, 向开模方向移动113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个
15、开模过程。3两个方案的比较和方案的选择（1) 在特点上，方案1使用传统的开模方式，型腔在定模一侧，型芯在动模一侧。而方案2则与传统不同，型腔在动模一侧，型芯在定模一侧，所以最终成型的制件都有所不同。两者各有特点。（2) 方案1使用的是三板注射模，只适用于制品的外表面、四侧壁不允许有浇口痕迹的场合。这种浇口采用点浇口、且制品由定距分型机构实现顺序分型，然后由推出机构推出。这种模具结构复杂，成本高。方案2使用的是两板注射模，它是注射模中最简单的一种，对塑料制品成型的适应性很强，所以应用十分广泛，且成本比三板注射模要低。（3) 在开模过程上，方案1采用定距分型机构实现顺序分型，较为复杂。而方案2开模
16、简单，省开模的工序，生产效率更高。综上所述，注塑模结构设计采用方案二。2.6 标准模架的选择模架选用龙记模架，采用大水口系统，型号A类。如图10所示基本选择的尺寸：模具宽度（Mold_W）=300mm， 模具长度（Mold_L）=300mm； 定模板高度（AP_h）=50mm， 动模板高度（BP_h）=80mm。 图10：模架的选择2.7 浇注系统的设计2.7.1 最佳浇注口位置分析通过Plastic Advisor的Gate Location Analysis的分析、计算，以不同的颜色显示给出最佳浇口位置，如图11所示。 由图可以看出，在靠近底部侧壁和底部位置设置浇口比较理想。图11：最佳浇
17、注口位置分析2.7.2 浇口设计方案1方案1环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯侧壁上，如图12所示。 图12：浇口设计方案12方案2环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯底部，如图13所示：3两个方案的比较和方案的选择图13：浇口设计方案2在二次加工中，要除去流道和浇口的凝料，对于方案1，环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯侧壁上，进行二次加工时可能会影响陶瓷插芯侧壁的表面光洁度和圆度，最后导致制件报废。对于方案2，环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯底部，底部光洁度表面要求不高，且便于加工。所以浇口设计选择方案2。3.7.3 浇口设计对于浇口1，采用扇形浇口（如图14），扇形浇口分别开设在半圆形流道的两侧，
18、熔融氧化锆泥浆在宽度方向上得到均匀分配，可降低制件内应力，减小翘曲变形。其尺寸及计算过程如下：浇口深度H=（1/32/3）t（制件厚度2.3mm）=0.771.53mm，H取1.5mm。图14：扇形浇口浇口通道长度B取1.3mm，浇口宽度W1=4mm。对于浇口2，采用环形浇口（如图15），环形浇口开设在插芯的底部和圆形流道侧壁，由于熔融氧化锆泥浆环绕镶针均匀地进入型腔，充模均匀，排气效果良好，制件无熔接痕，同轴度得到很好的保证。其尺寸及计算过程如下：浇口通道长度L取1mm，浇口深度h=0.7nt=0.70.92.16=1.36mm，h取1.4mm。n塑料材料系数,取0.9；t制件厚度，mm。2
19、.7.4 流道的设计图15：环形浇口1主流道设计主流道是熔融的氧化锆泥浆从注射机喷嘴注入模具后首先经的一段流道，主流道开设在浇口套上，截面为圆形，浇口套与模板上的孔的配合为H7/m6，浇口套的结构如图16所示。对主流道的设计要求熔融氧化锆泥浆图16：浇口套的结构图在这一段流道内流动平稳，压力损失小，并且在开模时，主流道凝料易于脱出浇口套。其具体参数计算如下：主流道小端直径d=注射机喷嘴直径+0.5=2+0.5=2.5mm；主流道接口半径R=喷嘴球面半径+（12）=12+1=13mm；接口配合长度H=3mm；主浇道锥度=2；主浇道长度L=72mm。2冷料井设计冷料井采用如图倒圆锥形，是为了便于脱
20、模，减小脱模的难度。如图17 图17冷料井3分流道设计分流道截面采用梯形截面，梯形截面具有易于顶出流道凝料的优点。为便于流道加工并减少氧化锆泥浆在流道内的流动阻力，将梯形倒圆角。分流道截面图如图18所示： 图图18：分流道截面对于流道1，截面形状为梯形，如图所示3-16，流道形状为直线形和半圆形，其尺寸及计算过程如下：取梯形的宽B=5mm；那么梯形的高A=4/55=4mm，梯形斜角C=6，圆弧R=1.074。对于流道2，截面形状为梯形，如图所示3-16，流道形状为圆形，其尺寸及计算过程如下：取梯形的宽B=3.45mm；那么梯形的高A=2/33.45=2.3mm，梯形斜角C=6，圆弧R=0.74
21、1。 分流道采用圆形排列的平衡式流道布置，有利于精密制件的成型。3.3.3 流道、浇口和制件的截面图和布局图（如图19、20所示）图19：流道、浇口和制件的截面图 图20：流道、浇口和制件的布局图2.8 冷却系统的设计注射模冷却时所需要的冷却水量按该式计算：V=Gh/60C(21) =72.81615371.695/604179（2520）1000=8.9310-4 mm3/min（查型腔模具设计与制造，p179）。由上述所知，因为模具每分钟所需的冷却水体积流量较小，加上制件的体积和质量都比较小，所以冷却系统的设计采用的是整体布局的方式，水孔直径D=8mm。如图21、22所示。图21：冷却系统
22、的结构图 图22：冷却系统的布局图2.9 顶杆的设计与布局 由于插芯内外表面的光洁度要求很高，所以在顶杆的端面不能对准插芯，只能对准分流道，所以在每个半圆形分流道设三根顶杆，每个直线形分流道设一根顶杆，总共24根。顶杆直径d=2mm，顶杆长度L=186mm，顶杆头部直径D=3mm。布局图如图23所示。 图23顶杆布局图三. 光纤连接器陶瓷插芯注射模具3D装配和3D爆炸图注射模具3D装配和3D爆炸图如图24、25所示图24 3D装配图 图25 3D爆炸图四. 论文存在问题与解决设想镶针插进凹模时的对准问题分析和解决设想由于镶针细长端的直径只有0.163mm，直径太小，在镶针插进凹模时可能会出现不
23、能对准导致不能插进凹模而且还损坏镶针。我的解决设想是如果可以的话尽量提高氧化锆的收缩率，使镶针细长端的直径能够增大，大大提高对准性；如果不能提高氧化锆的收缩率的话，可在凹模上装滑块装置，当镶针插入时滑块移动使凹模上的孔扩大从而镶针能够顺利插入，当镶针完全插入后，滑块再次移动使凹模上的孔缩小夹紧镶针，当要取出镶针时滑块移动扩大凹模上的孔，使镶针顺利移出。以上就是我对论文存在问题与解决设想。希望日后经验积累后，我能将这些设想变成现实。五. 总结通过这次毕业设计，我觉得自己在各方面都有了很大的提高，在知识上，学到了模具设计软件、注射模具设计、陶瓷粉末成型技术、氧化锆及光纤连接器陶瓷插芯的知识，不仅跟
24、加巩固机械方面的知识，还学到了一些材料的知识。在思想上，培养吃苦耐劳的精神和积极解决任何困难的精神。这些方面的提高都对我日后的社会工作有很大的帮助，为日后的工作打下良好的基础。【参考文献】1R M German. Powder injection molding.ASBNo-918404-95-9.Printed in United States of America2 沈一丁，李小瑞.陶瓷添加剂.北京：化学工业出版社，20043聂妍，李益民，李笃信.陶瓷注射成型技术进展.中国陶瓷工业，2003.10(2)：55-594岩桥俊之（日.工程陶瓷的注射成形.模具技术，1990（2）：54-645W
25、halen T J，Johnson C F. Injection molding of ceramics. Am Ceram Soc Bull，1981.60：2166M Inoue，Y Kihara，Y Arakida. Injection moulding machine for high-performance ceramics. Interceram，1989.2：53-577刘昌祺.塑料模具设计.北京：机械工业出版社，19988李中和，张典奎，叶桌麟.陶瓷原料与瓷相分析.浙江：浙江大学出版社，19899曲远方.功能陶瓷材料.北京：化学工业出版社，200410朱光力，万金保.塑料模具设计.北京：清华大学出版社，200311李海梅，申长雨.注射成型及模具设计实用技术.北京：化学工业出版社，200212冯江涛，夏风，肖建中.陶瓷注射成型技术及其新进展.中国陶瓷，2003.39(2)：34-3713章飞，陈国平.型腔模具设计与制造.北京：化学工业出版社，2003指导教师：李积彬教授10
