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1、1 绪论 随着微纳科学与技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微小机械在航空航天、精密仪器、生物医学、信息技术和军事等领域显示出广阔的应用前景，受到世界各个国家科学界和政府部门的高度重视，已成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一1。 在微机械的常用材料中，聚合物材料具有耐氧化、耐腐蚀、易成型、比强度高等优点，此外，部分塑料具有透明性和生物相容性的特点，成为了某些微光学器件和生物分析芯片领域唯一的选择。因此，对高分子材料进行微加工制作的研究，对于推动微机械系统的实用化与普及化、扩大聚合物材料的应用领域以及提高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值。 微型
2、聚合物的加工成形通常采用微型模具进行微注塑成形。而在微型产品开发阶段，微型模具的制作显得周期较长、成本较高，且对一些复杂三维形状的微零部件加工要求较高。本章通过对国内外微成形技术的综述和加工工艺介绍，提出一种基于快速模具技术的真空铸型微型件技术。1.1 微型机械的发展概况 随着人类社会向信息化的迈进，系统的全面微小型化成为了当前科技发展的重要方向。诺贝尔奖获得者Richard P.Feynman教授在1959年就曾预言未来制造技术将沿着Top-Down和Bottom-Up两种途径发展，并将由此引发科学技术、工程和应用的巨大变革。目前国际上在微机械技术研究领域走在前列的是美国、日本和德国，这与他
3、们大量的投资研究费用也是相关的。美国在微机械方面的研究比较著名的有Sandia国家实验室、明尼苏达州大学、霍尼韦尔公司等。日本在一些MEMS研究方面处于国际领先地位。东京大学、东北大学等单位在微细工具与微细加工、微流量泵、微型传感器、微型继电器等方面都取得相当快的进展。德国自1988年起开始为期十年的微型机械制造技术的研究项目，研究各种刻蚀技术。目前德国对微机械的研制与美国、日本水平相当，并有自己的特点，在微机械的加工制作方面取得了令人瞩目的成就。我国开展MEMs的研究较晚，从上世纪80年代末才开始MEMS的研究，MEMS技术和世界先进水平还有一定差距2。“十一五”以来，国家科技部、国家自然科
4、学基金委、解放军总装备部等先后在该领域投入了数亿元，扶持了一批MEMS项目，取得了一定的成绩。目前，国内开展MEMS研究的单位己达五十多家，已有很多有价值的成果。如哈尔滨工业大学对压电陶瓷进行研究，研制成由压电陶瓷驱动的三自由度微小型机器人I81。上海交通大学利用自行研制的2mm微型电磁马达，设计制作了一个外形尺寸Smm X 6mm的微型机器人小车，小车可按要求前进、后退、旋转，利用图像采集系统实现了系统的位置反馈，基本满足高精度定位要求。虽然我国对MEMS的研究取得了一定成绩，但是由于主要属于跟踪型研究，且投入不大、资金分散、产业界未及时介入等原因，研究规模、技术水平与先进国家相比有较大差距
5、。清华大学丁衡高院士指出:“微制造技术水平低是我国微系统研究落后国外的主要原因之一。”靠技术引进不能从根本上缩短与先进国家的差距，因此，我国必须开发具有自主知识产权的微制造技术，才能在未来的高科技领域占有一席之地。1.2 微成形技术的研究 二十年来MEMS有了飞速的发展，而微成形技术是MEMS的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，如以美国为代表的硅基表面加工及体加工技术、以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微
6、成形技术。1.2.1 硅基微加工技术由美国的科学家率先提出的硅基微加工技术是微电子技术飞速发展的延伸。硅基微加工技术目前主要有表面微机械加工3.4微机械加工5.6面微机械加工工艺首先是在硅基表面上沉积薄膜，再用光刻技术在薄膜上显影出微结构，最后用各种腐蚀工艺(等离子腐蚀、化学腐蚀等)去除掉多余的部分，从而得到预先想要的微结构。因加工过程中不对硅基片本身进行加工，故表面微机械加工的厚度在几到几十微米。在表面微机械加工工艺中，可通过对多层牺牲层材料进行有选择的去除，得到准三维的结构，机械加工层越多可制造的微型机械越复杂，功能越强大，但是微型元件的布局问题、平面化问题和减小残余应力问题也更难解决。通
7、常，微机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序。和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，这些工艺尺度相对大而粗糙，线度变化在几微米到几百微米之间。体微加工技术的关键技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。湿法刻蚀主要是根据材料的性能在刻蚀溶液中进行;干法刻蚀主要是采用物理法(溅射、离子铣)和化学等离子刻蚀，适用于各向同性及各向异性刻蚀。选择合适的掩膜板可得到深宽比大、图形准确的三维结构，目前在MEMS技术中最成熟体微机械加工的一个主要优点是它可以相对容易地制造出大质量的零部件，缺点是它很难制造精细灵敏的悬挂系统。另外，由于体微机械加工工艺无法做到零部件的平面化布局，因此它不能够和微电子
8、线路直接兼容。7复合微机械加工技术是体微机械加工技术和表面微机械加工技术的综合。它是在体微机械加工技术和表面微机械加工技术的基础上发展起来的新兴技术，具有体微机械加工技术和表面微机械加工技术的优点，同时也避免了它们的缺点。1.2.2 微注射成形技术 微注射成形技术按照使用材料对象可分为两类，一类是以塑料为注射材料的微注塑成形技术，一类是以金属粉末为注射材料的粉末微注射成形技术。微注塑成形技术实际上就是传统注塑技术的微型化，最早出现在20世纪80年代，主要应用在手表和相机行业。德国注塑机制造巨头Battenfeld公司制造了第一台全电子驱动的注塑机Microsystem50，其适用于手表、微机电
9、系统和生物机械制造业，成形塑件质量小于0.lg，注射柱塞直径只有5mm。德国亚深理工大学的塑料加工学院(IKV)设计制造了一种新型微注塑成型概念机，注射量比Microsystem50更小，可小于0.01g。微注塑成形技术方面我国与国外的还有很大的差距。国外以美国、日本、德国为代表的工业发达国家在微注塑成型技术方面取得了大量的研究成果，微型注塑机也早已进入商品化阶段。我国在微注塑成形技术的研究主要集中在台湾地区的高校和研究院以及内地的大连理工和中南大学等几所高校。8主要代表为台湾工研所微系统部和中山大学机电所，他们联合制造出了300dip的微型喷孔片;台湾中原大学也就高分子聚合物在微流道中的流变
10、特性、流经毛细管口的压降等做了大量深入的研究实验，取得了大量的数据和成果。大连理工就微注塑成形微构件进行了大量实验研究;中南大学就工艺参数对微结构零件充填深度的影响进行了数值模拟的研究。粉末微注射成形技术(micro powder injection molding，简称NPIM，将近年迅速发展起来的粉末注射成形技术，有机地运用到外形尺寸是微米级器件的制备上，完全满足高性价比的要求，而且将可加工的材料范围扩大到各种纯金属、合金以及陶瓷。粉末微注射成形技术的工艺流程如图1.1所示。该技术要求所用的材料为粉末状，这就限制了其材料的种类，因为并不是所有的金属都能获得粉末，而且对金属粉末的颗粒度也有要
11、求，要尽可能得到细的颗粒。此外，微型模具的制造是该技术的关键，而为了获得好的填充效果，也需对铸型抽真空和预热，这些都关系到能否获得低表面粗糙度、小壁厚、形状复杂的微构件。 图1.1 粉末微注射成形技术的工艺流程 图1.2 粉末微注射成形的双联齿轮德国在粉末微注射成形方面进行了相关的基础性和应用性研究。图1.2为研究所制备的双联齿轮。新加坡南洋理工大学的L.Liu等主要对316L不诱钢开展系统研究，图1.3为烧结的316L不锈钢微结构件。美国宾夕法尼亚州立大学的N.Koseski等研究了粉末粒度对粉末微注射成形产品的性能，尤其是表面粗糙度和结构分辨度的影响。北京科技大学自行研制开发了具有自主知识
12、产权的适用于传统注射成形机的粉末微注射成形用模具，同时以拨基铁粉和铁镍合金粉为原料，在传统注射成形机上成功实现了粉末微注射成形齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮的制备，图1.4中的齿顶圆直径为400um齿轮中心孔为60nm，齿轮高度为200nm。 图13 16L不锈钢微结构件 图1.4 粉末微注射成形齿轮1.2.3 微铸造成形 在对金属三维微构件迫切需求的背景下，2000年德国卡尔斯鲁厄研究中心的Baumeiste等人提出了一种微精密铸造工艺，在世界范围内受到了高度关注，德国、日本、韩国和中国等学者进行了这方面的研究，并取得了一定的进展。微精密铸造工艺依托于传统铸造工艺，可加工复杂三维形状，有效的
13、弥补了现有微成形工艺的缺陷。此外，还有微挤压成形、激光微冲击成形等新型微成形技术。随着微成形技术的发展，某些微型零部件因材质的限制，在成形过程中往往需要几种微成形技术9的综合应用应当是今后微成形技术应用的发展趋势。1.3 真空铸型技术及其应用1.3.1 真空铸型技术 快速模具技术(RT Rapid Tooling)是一种基于快速原型(RP-Rapid Prototyping )样件，可以快速复制复杂形状制造模具的新型技术。近年来，发达国家的许多公司和科研机构都在致力于快速模具技术的研究，由此发展出多种技术先进，成本低廉，设计制造周期短，精度适中的新技术。20世纪70年代，东德德累斯顿工业大学和
14、考特布斯工业大学采用真空技术并借助于硅橡胶模研制开发了真空铸型技术。真空铸型技术因在型腔浇注之前抽真空，其成形件在质量和精度上远高于普通的硅胶模成形10空铸型技术成本低，工艺简单，制造周期短，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件。80年代初日本在汽车制造领域运用了该项专利技术，大大加快了新产品的开发速度，并取得明显的经济效益，引起业内的极大关注。1.3.2 真空铸型技术的应用德国MCP-HEK公司1987年就开始发展真空铸型技术，是目前硅胶模应用领域的技术领导者。其客户群体包括Ford，GM，VW， BMW，Bosch，Daimler，Chrysler, Si
15、emens，Adidas，Nike，3D Systems等众多世界著名企业。由于真空铸型技术成本低，成形精度高及制作周期短，主要应用在对产品的外形精度要求较高和制作周期较短的诸多领域。包括在汽车工业中的应用，在电子行业中的应用，在医学领域中的应用，在艺术品制作领域的应用等。1.4 真空铸型微型件的研究意义在现代的制造模式下，每个新产品的开发过程中都会先通过试制部分样品，以便更直观有效地对产品进行修改，最终确定设计无误后再制造模具进行批量生产。因此，在新产品的开发过程中利用快速模具技术试制样板得到了广泛的应用。真空铸型技术能够成形各种形状复杂、精度要求较高的零部件，在新产品的开发研究中具有低成本
16、、高效率的优势，是一种生命力强，值得推广的快速模具技术11符合我国模具工业十一五规划中对快速经济模具制造新技术要进一步开发、提高和应用的要求。随着越来越多的产品逐渐微型化，市场竞争的不断加剧和多品种、小批量、改型快等现代制造模式的进一步发展，企业对微型新产品的开发速度和成本将提出更高的要求。然而，现有的大部分微成形技术，有的制造周期较长，有的成本过高，有的不能制作真正的三维产品，或多或少存在一些缺点。利用真空铸型技术，结合其它微成形技术，进行微型零部件产品的开发，则避免了这些缺陷，它不但制造周期短、成本低，而且能成形具有真正意义3D的零部件，尤其是在三维塑料微型件的开发中更具有优势12，利用真
17、空铸型技术可加快新型微型件的产品开发速度，推动微器件市场的快速发展。可见，对利用真空铸型技术进行微型件成形的研究具有较大的研究意义和实用价值。 目前，国外仅有几篇文献报道利用真空铸型技术成形微型件的研究，研究表明，利用真空铸型技术成形微型件是可行的13方面的研究还未见报道。我国在MEMS方面的研究起步较晚，在微制造技术和种类方面跟国外相比还有较大的差距。因此，对真空铸型技术制作微型件的研究可对我国微制造技术的种类起到一定的补充作用。1.5 本文研究的主要内容真空铸型微型件技术涉及的研究涉及浇铸模具设计、制作及浇注工艺参数等多方面内容。本文选取齿轮作为研究对象，侧重于对齿轮真空铸型进行有限元模拟
18、和实验研究，同时对高聚物熔体在微尺度下成形的一些理论、齿轮硅橡胶模具结构的优化设计、工艺参数对齿轮成形件质量影响分析等问题进行研究，主要研究工作如下:(1)高聚物熔体在微尺度下成形的理论研究14空浇注微型件过程中熔体充模流动行为这一核心问题，从粘性流体力学的基本方程入手，借鉴传统注塑成型中熔体充模过程数学模型的建立方法，构建微尺度下熔体流动过程基本方程。着重研究微尺度下高聚物熔体温度、模具型腔表面粗糙度、表面张力、微观粘度、惯性力、重力及壁面滑移对熔体流动充填的影响，对熔体与微通道壁面间的对流换热进行一定的分析讨论。(2)真空铸型齿轮的有限元模拟分析。利用MOLDFLOW软件，分析齿轮模具中最
19、佳浇口位置的设置。在此基础上，采用PROCAST软件模拟不同工艺条件下熔体在齿轮型腔中的填充效果，分析各工艺参数对齿轮真空铸型过程的影响。(3)真空铸型齿轮的实验研究。利用MOLDFLOW模拟出的最佳浇口位置15齿轮模具的结构设计，并制作出齿轮硅胶模具实物，析齿轮真空铸型过程中的影响因素，并进行正交实验设计，齿轮成形件与原型一些关键部位尺寸(齿顶圆直径、齿宽、齿厚、全齿高等)进行测量比较，利用软件对各工艺参数进行模拟分析，确定一组最佳工艺参数。2 真空铸型的相关理论2.1 真空造模真空造模是一种物理造模法，它将真空技术与砂模铸造结合，靠塑料薄膜将砂模的模穴和背面密封起来，借助真空泵抽气产生负压
20、，造成砂模内、外压差使模砂紧固成型，经安放砂心、合模、浇注，等待铸件凝固后，解除负压或停止抽气，模砂便随之溃散而获得铸件。根据目前所应用的领域主要可分为真空密封造模法（V法）和实型真空铸造（FV法）。其优点为：（1） 适度的真空度，模穴紧实度高，铸件品质也高。（2） 真空铸造配合计算机的模流分析仿真，可以预测铸造缺陷的产生，对于造模方案的设计，能大幅节省时间，提高生产效率。2.2 真空浇注真空浇注可分为真空吸铸、真空低压铸造等2.2.1 真空吸铸 将铸模置于密闭的容器内，抽出铸模内空气，使铸模内造成一定的负压，导致熔体吸入模穴。当铸件的内浇道凝固后，去除负压，令竖浇道内未凝固的熔体流回熔池。其
21、优点是提高了合金夜的充型能力，吸铸铸件的最小壁厚可达0.2mm，同时减少气孔、夹渣等缺陷。2.2.2 真空低压铸造 真空低压铸造法是在加压充型的过程中对铸模抽真空，充型完后保压使铸件在恒定压力下结晶凝固，铸件得到充分补缩，因而铸件组织致密，力学性能提高。3 齿轮真空铸型的数值模拟 对浇注成形的制件而言，浇口位置的设置将直接影响制件的质量。若浇口位置设置得不合理，不但成形件的质量受到影响，而且预先制作的模具也会因此报废，造成财力、物力和人力的浪费。在模具制作前，利用CAE软件16出制件的最佳浇口位置，可缩短模具设计制造周期，提高了产品质量，降低了制造成本。影响流体在模具微型腔中填充的因素较多，除
22、模具的设计因素外，还有工艺参数的影响。运用CAE有限元分析技术，根据聚合物流变学和传热学等基本理论，先建立聚合物熔体在模具型腔中的流动和传热的物理数学模型，再进行数值求解，利用计算机图形学技术直观地显示计算结果，可分析工艺参数对填充过程的影响。本章主要对最佳浇口位置和工艺参数对填充过程的影响进行了较为详细的探讨。3.1 模拟软件选用及介绍3.1.1 MOLDFLOW软件介绍 Moldflow公司为一家专业从事塑料计算机辅助工程分析(CAE)的跨国性软件和咨询公司17。自从1978年美国Moldflow公司发行了世界上第一套流动分析软件，几十年来以不断的技术改革和创新一直主导着CAE软件市场。M
23、oldflow的产品适用于优化制件和模具设计的整个过程，为制件设计、模具设计、注塑生产等整个过程提供了非常有价值的信息和建议。 在本研究中，应用Moldflow Plastic Insight ( MPI)软件模拟分析齿轮模具中最佳浇口位置。MPI软件能够模拟最广泛的热塑性塑料和热固性塑料注射成型中的制造工艺。可以模拟热塑性塑料注射成型工程中的充填、保压以及冷却阶段，还能预测出制品成型后的缺陷，如制品翘曲变形等。MPI还可以模拟其他各种热塑性塑料成型工艺，如气体辅助注射成型、共注和注压成型以及反应成型过程，包括热固性注射成型、反应注射成型和半导体芯片封装。MPI主要提供以下功能模块:前处理模块
24、，分析模块。 3.1.2 PROCAST软件介绍 PROCAST软件是法国ESI集团的铸造模拟软件，采用基于有限元(FEM)的值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。 PROCAST已经过世界400多用户的可靠性验证，尤其在航空航天、国防等精度需求高的领域，典型用户如通用电气，惠普，劳斯莱斯，通用等。PROCAST可以用来模拟任何合金，以及非传统合金和聚合体18。除软件自身的材料库外，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。 PROCAST共有8个分析模块，包括传热分析模块(基本模块)、流体分析模块、网格生成模块、反向求解模块、应力分析模块
25、、辐射分析模块、晶粒结构分析模块、微观组织分析模块，用户可以根据不同的需求比较灵活地选择这些模块19。本研究中主要应用其中三个模块。网格生成模块MeshCAST，传热分析模块(基本模块)，流体分析模块。3.2 齿轮真空浇注的数值模拟3.2.1 模拟分析流程在本研究中使用MOLDFLOW和PROCAST两种软件来分析齿轮真空浇注中的最佳浇口位置以及充填过程。首先利用MOLDFLOW模拟分析出齿轮的最佳浇口位置，根据齿轮的最佳浇口位置设计出模具模型，再利用PROCAST进行齿轮的真空浇注模拟分析。两种软件的分析流程如图3.1和图3.2所示。输入CAD模型网格划分输入CAD三维模型分析流程、浇口位置
26、选择浇口数和初选浇口位置选择注塑机和注塑条件分析计算获得最佳浇口位置分析流程流动在VIEWAST中显示结果导入precast设定仿真的各项参数导入MESHCAST生成网格导入procast分析浇口位置设在最佳浇口处设定分析参数分析计算方案一、方案二方案比较获得最佳方案图3.1 MOLDFLOW分析流程图 图3.2 PROCAST分析流程图3.2.2 最佳浇口位置的确定1.齿轮模型的建立 由于MOLDFLOW软件的主要功能是注塑过程的模拟分析，其造型能力很弱，对复杂曲面和几何形状的处理往往无能为力，因此，一般采用三维CAD造型软件(如UG, Pro/E等)先建立CAD模型，然后通过CAD系统输出
27、CAE系统可以接受的几何模型(如STL, IGES, STEP等)。这种方法是MOLDFLOW获取三维几何模型的主要途径。本研究中利用UG软件建立齿轮模型，齿轮齿数为22，模数为0.4，压力角为20，齿宽为1.5mm。模型以STL格式导入MOLDFLOW，采用FUSION网格模型划分网格，如图3.3所示。图3.3 齿轮模型2主要模拟条件设定 齿轮的浇注为流动充填成形，这与MOLDFLOW中热塑性材料的注射充填有一定的相似之处，因此模拟中选用热塑性注射成形工艺。在MOLDFLOW的分析顺序中有多种模块组合可供选择，本模拟只是为了研究齿轮的最佳浇口位置，故只需选择最佳浇口位置模块即可。对于几何形状
28、已经定形的产品而言，其最佳浇口位置应当是一定的，注塑材料的差异对之影响较小，本文采用两种方案进行最佳浇口位置的模拟进行说明。方案一:选取牌号为620-31的热塑性弹性体作为填充材料20，采用MOLDFLOW默认的注塑机，模具温度为45，熔体温度为90方案二:选取牌号为Comalloy E-16564-6的聚丙烯，注塑机选用Welltec MachineryLimited公司60F ( 25mm)型，模具温度为30，熔体温度为230。两种方案中，注射压力和锁模力的大小都选择为软件自动设置。3模拟结果分析MOLDFLOW中两种方案求解运算后的模拟结果如图3.4所示。(a)方案一 (b)方案二图3.
29、4 齿轮最佳浇口位置由图3.4 ( a )、(b)可以明显看出，两种实验方案中，齿轮的最佳浇口位置都处于齿轮上下两端面的中间区域，因此，在齿轮模具的设计制作中将浇口设置在齿轮的圆周中心。3.2.3 齿轮充填和凝固过程的数值模拟1. 建立模型 根据MOLDFLOW模拟分析出的最佳浇口位置，可进行齿轮模具的结构设计，详见第四章。PROCAST软件自身不带建模功能，其模拟分析的模型均需通过造型软件(如UG, Pro/E等)建立，并以其可接收的模型格式导入，常见的有STL,IGES,STEP,PRASOLIDS等。由于齿轮模具设计成一模四腔，为完全对称结构，因此在建立模拟模型时采用简化模型以减少PRO
30、CAST的模拟计算时间。在UG中建立齿轮模具四分之一的三维装配模型，包括齿轮型腔、分流道、嵌块，如图3.5所示。简化模型以PRASOLIDS的格式导入MESHCAST模块中进行划分四面体网格，为保证模拟的准确性，网格单元设置较小，生成的体网格如图3.6所显示。图3.5 齿轮模具简化模型 图3.6 齿轮模具的划分网格2. 边界条件设定 在齿轮的真空铸型过程中，熔体在模具型腔中的填充流动行为，除与熔体材料自身的材料属性有关以外，还受到分流道尺寸、模具温度、型腔真空度和熔体与模具壁面的对流换热系数等因素的影响。因此在模拟过程中，除需要设定熔体的流动类型约束外，还需对分流道尺寸、模具温度、熔体温度、型
31、腔真空度和对流换热系数加以约束分析。 型腔真空度的表示常有不同方法，有的真空仪表以负压表示真空度，以大气压作为零参照点，型腔中抽出空气后的气体压强要比大气压小，负的越多，型腔中的气体越少，真空度越大;有的把大气压强与型腔内的绝对压强作差表示真空度，差值越大，型腔中的气体越少，真空度越大;有的以型腔内的绝对压强来表示真空度，这个数值越小，真空度越大。本研究中选用第三种表示方法，以型腔内的绝对压强来表示真空度。由第二章中对流换热系数的分析可知，本实验中的对流换热系数应小于1200 W/(m2K)，但其具体数值仍不确定，因此在模拟过程中选取不同的值加以分析.为研究各影响因素对齿轮填充过程中的影响，对
32、各因素取不同值进行模拟对比实验。各影响因素的取值如表3-1所示。为了便于比较，当考察其中某个参数的变化时，其它参数的值取为同一值。共计进行5组模拟实验。表3-1模拟参数表影响因素 数值分流道尺寸0.512真空度0.00010.0010.01模具温度406080熔体温度254055热交换系数50080011003.3 模拟结果分析在PROCAST后处理模块VIEWCAST中，可用等值云图显示流体在型腔填充过程中一些温度场和流动场的变化情况21。本文采用熔体填充体积百分比(FVOL)和填充时间(FILL TIME)的等值云图对熔体在齿轮型腔中的填充进行比较分析。3.3.1 分流道尺寸对填充的影响在
33、模具温度为60，熔体温度为40，型腔真空度为0.0001har，换热系数为800W/(m2K)的条件下，分别选取分流道尺寸为0.5mm，1mm，2mm进行模拟分析，观察分流道尺寸对齿轮填充的影响。模拟结果如图所示。图中左侧三幅图为熔体填充体积百分比，右侧三幅图为填充时间。 (1) 分流道尺寸为0.5mm (2) 分流道尺寸为1mm (3) 分流道尺寸为2mm(a) 熔体填充体积百分比等值云图 (b) 型腔填充时间等值云图图3.7不同分流道尺寸下齿轮型腔填充效果图 图3.7 (a)为熔体在型腔中的填充体积百分比等值云图，为便于比较，可将其定义为齿轮填充率。图中红色部分表示该区域内熔体填充率为10
34、0%，紫色部分表示该区域没有熔体填充。从图中可以看出，虽然三种情况下齿轮型腔显示为全部填满，但在分流道处三者还是不同。相比之下，分流道直径为1mm和2mm的情况下填充效果较好。由于分流道与齿轮型腔连接在一起作为熔体填充空间，分流道与齿轮型腔的体积比则显得比较重要。三种情况下，分流道直径是成倍数增加，而分流道体积却是成平方数增加。三种情况的模拟条件中，浇口处的速率值都设为同一值，因此在相同的计算步下，总体积相对较大的型腔填充率显得要低一些。 图3.7(b)可以看出，齿轮型腔的填充时间随着分流道直径的增大而减小。这是由于在一定的速率条件下，分流道截面积较大者在单位时间内所通过的熔体质量较大，因此在
35、同样的齿轮型腔区域内，熔体的填充时间随着分流道直径的增大而减小。从本组实验中可知，分流道直径的大小对齿轮型腔的填充效果影响不大。在实际制造过程中，分流道直径过大对齿轮成形后期的处理不利，因此，为与实际制作中一致，在接下来的模拟过程中分流道直径都选用2mm。3.3.2 模具温度对填充的影响在模具温度为60，熔体温度为40，换热系数为800W/(m2K)的条件下，分别选取型腔真空度为0.0001bar、0.001bar、0.01bar进行模拟分析，观察型腔真空度对齿轮填充的影响，模拟结果如图所示： (1) 型腔真空度为0.0001bar (2) 型腔真空度为0.001bar (3) 型腔真空度为0
36、.01bar(a) 熔体填充体积百分比等值云图 (b) 型腔填充时间等值云图图3.8不同真空度下齿轮型腔填充效果图由图3.8 (a)可以看出，齿轮型腔的填充率随模具温度的升高有个曲线的变化过程。70时的填充率比50增大一点，而90时的填充率则比70降低不少。在其它条件一致的情况下，齿轮型腔填充率的下降表明熔体的流动性受到影响。从第二章中的分析可知，高聚物熔体的填充流动性能与其粘度密切相关。热固性聚合物在流动填充过程中，随着温度的变化，其粘度往往是一个曲线变化的过程。当成形温度在某一极值之前，聚合物的粘度主要取决于材料的物理变化，即随着温度的升高而减小;而成形温度一旦超过温度极值，聚合物的粘度因
37、交联固化反应占优势而快速升高。因此，虽然熔体初始温度和换热系数设置为等值，在熔体与模具型腔壁面之间的热交换对流作用下，随着模具温度的增加，熔体在填充过程中的粘度也发生了曲线变化。从而模具温度值为70时，熔体填充时的粘度小于50时的值，体现为填充率在三种情况下最大;而模具温度为90时，熔体填充时的粘度为三种情况下最大值，具体体现为齿轮型腔填充率显著下降。从图3.8 (b)可以比较不同模具温度下熔体在齿轮型腔中的填充时间。从图中比较可以看出，同样位置区域的填充时间在模具温度70的情况下最小。100和90两种情况下，从云图的最大时间来看，100清况下的填充时间值比90清况下稍大一点。而云图中显示最大
38、时间的区域实际上并没有填充，因此并不能作为参考依据。从区域位置观察，填充初始时刻，50和90两种情况下填充相同区域的时间几乎相等，但随着填充过程的进行，90条件下的填充劣势逐渐体现，后期的填充区域在相近时间内明显要低于50时的值。这是由于在熔体的填充过程中，由于与模具型腔壁面的热交换作用，填充熔体的粘度是逐渐变大的，从而最终影响了熔体的填充性能。 由此可见，热固性树脂在齿轮型腔的填充过程中，模具温度需要设定为一大小合适值，过大过小均不利于熔体的填充。在本组模拟中，模具温度为70时，齿轮型腔的填充效果最好。3.3.3 熔体温度对填充的影响在型腔真空度为0.0001bar，熔体温度为40，换热系数
39、为800W/(m2K)的条件下，分别选取模具温度为40、60、80进行模拟分析，观察模具温度对齿轮填充的影响，模拟结果如图所示： (1) 模具温度为40 (2) 模具温度为60 (3) 模具温度为80(a)熔体填充体积百分比等值云图 (b)型腔填充时间等值云图图3.9不同模具温度下齿轮型腔填充效果图 从图3.9 (a)可看出不同熔体温度对充填率的影响变化不是很显著。熔体温度为30和40时，齿轮型腔均可填充完全且两者的填充率相差无几。当熔体温度为50时，齿轮型腔的填充率较前两者明显下降。这表明熔体温度为500C时，在相同的换热系数作用下，熔体粘度明显大于熔体温度为30和40时的值，从而表现为齿轮
40、型腔的填充率较另两者显著下降。 图3.9 (b)为不同熔体温度条件下齿轮型腔填充时间的等值云图。虽然熔体温度在30和40时齿轮型腔的填充率相差无几，但是从图3.10 (b)中可以看出两者在相同区域内的填充时间略有不同。在相同的齿轮型腔区域内，熔体温度为30时的填充时间要略低于40时的值。这是由于在同样的模具温度条件下，30和40的熔体与模具型腔壁面之间热交换的能量不同导致熔体粘度的变化也不同，发生热交换后30熔体的粘度低于40时的值，从而体现为熔体30 C时的填充时间小于40时的值。当熔体温度与模具温度都设置为50时，熔体与齿轮模具型腔壁面之间没发生热传递，熔体的粘度在填充过程中齿轮的填充过程
41、可视为熔体没有热传递的流动过程，由上面填充率的分析可知熔体为50时的粘度较大，因此相比之下50时的填充时间最大。 熔体在型腔中的流动性能很大程度上由熔体的粘度决定，而熔体的粘度一般随着温度的变化而变化，因此熔体温度的大小是影响熔体在齿轮型腔中填充效果的重要因素。本组模拟中熔体温度对熔体在齿轮型腔中的填充效果影响变化不是很显著，但这并不能说明熔体温度对填充的影响程度不大，这与模拟中熔体材料的粘度在此温度差区间内变化较小有一定的关系。3.3.4 真空度对填充的影响 在分流道尺寸为200um，熔体温度为30，模具温度为500，换热系数为1000 W/(m2K)的条件下，分别选取型腔真空度为0.000
42、5bar,0.005bar,0.05bar进行模拟分析，考察型腔真空度对齿轮填充的影响，模拟结果如图3.11所示。 （1）型腔真空度为0.0005bar (2) 型腔真空度为0.005bar (3)型腔真空度为0.05bar(a)熔体填充体积百分比等值云图 (b)型腔填充时间等值云图图3.10 不同真空度下齿轮型腔填充效果图 从图3.10可看出不同的真空度对齿轮型腔的填充有着明显的影响。图3.11 (a)中，齿轮型腔的填充率随着齿轮模具型腔真空度的降低而减小。齿轮型腔真空度为0.0005bar时填充率达到最大值，与型腔真空度为0.005bar时的填充率相差较大，而型腔真空度为0.005bar和
43、0.05bar时的填充率两者相差幅度却不是很大。虽然真空度同样相差10倍，但是填充率相差幅度却大不相同。这表明熔体的填充效果在齿轮型腔真空度为0.0005bar时与另外两组不同真空度时有着质的区别。 图3.10 (b)中显示，齿轮型腔中已填充部分的相同区域内填充时间随着真空度的降低而增大。这可解释为由于真空度的降低，齿轮型腔中对熔体填充过程中的阻力增大，熔体在型腔中的流动缓慢，从而在相同的计算步内显出充填时间较长。3.3.5 换热系数对填充的影响在模具温度为60，熔体温度为40，型腔真空度为0.0001bar的条件下，分别选取换热系数为500W/(m2K)、800W/(m2K)、1100W/
44、(m2K)进行模拟分析，观察换热系数对齿轮填充的影响，模拟结果如图所示： (1)换热系数为1100W/ (m2K) (2) 换热系数为800W/(m2K) (3)换热系数为500W/(m2K)(a)熔体填充体积百分比等值云图 (b)型腔填充时间等值云图图3.11 不同换热系数下齿轮型腔填充效果图 图3.11 (a)中可看出，齿轮型腔的填充率随着熔体与模具型腔壁面间换热系数的降低而降低。换热系数的降低，意味着熔体在填充过程中单位时间内与齿轮模具型腔壁面之间的热交换能量减少，熔体温度较低，粘度较大，从而流动性能相对较弱，齿轮型腔的填充率降低。从另一个角度看，降低换热系数相当于在等值的换热系数下降低
45、模具温度，与不同模具温度下模拟分析一样，模具温度较低时齿轮型腔的填充率也相应较低。 图3.11 (b)中显示，齿轮型腔中已填充部分的相同区域内填充时间随着换热系数的降低而增大。同样，降低换热系数也就是界面上热阻增大，单位时间内熔体从齿轮模具型腔壁面所获得的能量减少，流动性较差，从而体现为熔体在齿轮型腔中的填充时间随着换热系数的降低而增大。综合上面的模拟结果分析可知，齿轮模具中的分流道尺寸对齿轮的填充效果影响不显著，比较后取分流道直径为2mm进行后续的模拟,模具温度为70时，齿轮型腔的填充效果最好;熔体温度为30和40时，齿轮型腔的填充效果较好，且两者之间的差异较小;模具型腔真空度为0.0005
46、bar时，齿轮型腔的填充程度较高;熔体与模具型腔壁面间的换热系数对熔体的填充影响较大，在给定的模拟条件中，换热系数为1100W/ (m2K)，齿轮型腔的填充效果最好。3.4 本章小结本章基于MOLDFLOW和PROCAST两种软件对熔体在齿轮型腔中的填充过程进行数值模拟分析。基于MOLDFLOW软件，分析了齿轮型腔最佳浇口位置的设置，并在此基础上利用UG软件建立齿轮模具的三维数字模型22。在PROCAST中将三维模型转换成的有限元模型，并模拟不同工艺条件下熔体在齿轮型腔中的填充效果。经模拟结果的比较分析可知，齿轮模具中的分流道直径对填充效果影响不显著，模具温度、熔体温度、模具型腔真空度及熔体与模具型腔壁面间的换热系数对熔体的填充均有一定的影响。4 总结与展望4.1 总结 随着微制造技术的快速发展，MEMS、生物医学和航天科技等领域对微型件的需求日益增大，而常规微成形技术在微型件的批量制作开发过程当中显得成本较高，周期较长。真空铸型技术是基于快速成型和快速模具的基础上发展而来的一种新型快速制造技术，非常适合于产品开发和中小批量试制过程中的使用23。本文以齿轮为研究对象，对真空铸型微型件的相关问题进行了初步的探索，研究所取得的主要进展和成果如下: (1) 在分析现有微成形技术工艺的基础上，探讨了采用真空铸型技术进行
