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微構(gòu)件的熱注射近凈成型控制

2014-03-26 07:33韋麗君尹曉鵬張鐵鑫
關(guān)鍵詞:粘結(jié)劑因數(shù)成型

韋麗君, 尹曉鵬, 張鐵鑫

(長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林長春 130012)

0 引 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)和3C行業(yè)的迅速發(fā)展,微器件的需求迅速增加,微型化、薄型化的要求也越來越高,其應(yīng)用涉及國防、醫(yī)療、交通、電子封裝等各個領(lǐng)域。微構(gòu)件需求增加的同時,各種微細(xì)加工技術(shù)也在不斷發(fā)展,現(xiàn)有的微細(xì)加工技術(shù)可以分為硅基和非硅基加工[1]。微構(gòu)件復(fù)雜程度和加工材料適用性都存在局限性。粉末微注射成型(Micro Power Injection Molding,MPIM)技術(shù)是一種新技術(shù),由于其成本低,可大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜微構(gòu)件和材料的適用性高(陶瓷、金屬等粉末)[2],使其迅速成為現(xiàn)今的微制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)。因此以微/納米技術(shù)和流體力學(xué)理論為基礎(chǔ),采用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段研究熱注射微成型機(jī)理和方法,對于陶瓷的微構(gòu)件和微系統(tǒng)的實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化和改善微構(gòu)件成型水平的意義十分重要。

1 注射成型的方法

微構(gòu)件成型的方法多種多樣,注射成型技術(shù)是其中之一,它的優(yōu)點(diǎn)是能夠制造出外形復(fù)雜、精度較高的微構(gòu)件,因其機(jī)械化部分所占比例較大,深受人們的青睞。但隨著技術(shù)的不斷更新進(jìn)步,人們對于產(chǎn)品精度、性能和其它方面都有更高的追求,所以在常規(guī)注射成型技術(shù)上催生出一大批新的注射成型技術(shù),如氣體輔助注射成型、水輔助注射成型、模具滑合成型、層狀注射成型、熱壓注成型技術(shù)等[3]。下面簡單介紹這幾種注射成型的方法:

1)氣體輔助成型技術(shù)是在中空制件與大型平板制件的制件過程中,為了消除構(gòu)件表面的縮痕,減少使用材料,常常在制件內(nèi)部注塑高壓氣體,以產(chǎn)生中空截面,氣體積壓減少殘余的內(nèi)應(yīng)力[4],從而使構(gòu)件表面的縮痕消除。這個過程必須先要注射熔體之后再進(jìn)行氣體注射,最后達(dá)到氣體保壓階段。

2)水輔助注射成型技術(shù)在熱塑性塑料和內(nèi)表面光滑的導(dǎo)管的生產(chǎn)過程中,將氣體輔助注射成型技術(shù)中的氮?dú)庥盟〈?],使之在輔助體內(nèi)部流動,最后進(jìn)行空氣壓縮,將其內(nèi)部的水全部壓出。

3)模具滑合成型使產(chǎn)品的尺寸精度提高,改善產(chǎn)品表面精度。它是將中空的制品分為兩半,分別注射成為半成品,再將其兩部分與模具對合,進(jìn)行二次合模,最后在制品兩部分的結(jié)合縫中注入熔體得到完整的中空制品[6]。

4)層狀注射成型技術(shù)使產(chǎn)品在阻擋氣體滲透、透明性等方面有較為突出的優(yōu)點(diǎn),它是兩種類型的樹脂進(jìn)行注射,使其通過多級共擠模頭各股熔體在共擠模頭中逐級分層[7-8],之后進(jìn)入注塑模腔疊加。

5)熱壓注成型技術(shù)是基于石蠟加熱熔融,熱的石蠟液和無塑性陶瓷粉料均勻地混合成漿,并在一定的壓力下,使其注入模具。再根據(jù)石蠟遇冷凝固的特點(diǎn),待蠟漿冷卻凝固后取出成型的胚體。經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚?,脫蠟燒結(jié)以形成最終制品。

在眾多注射成型的技術(shù)中,熱壓注成型技術(shù)更適合本次實(shí)驗(yàn)的研究,因?yàn)榈玫降闹破肪雀?,制造過程效率高、自動化程度高,因此,我們改進(jìn)了熱壓注成型技術(shù),得到一種適用于微構(gòu)件成型的技術(shù),將其稱之為微構(gòu)件的熱注射近凈成型技術(shù)。

2 微構(gòu)件的熱注射近凈成型的基本原理

微注射成型工藝是對傳統(tǒng)注射工藝的改進(jìn),這個過程是將處理好的陶瓷粉料或金屬粉料與粘結(jié)劑混合充分[9],然后通過推桿的推動,以一定的壓力將混合在一起的陶瓷粉末和粘結(jié)劑同時注入能夠控制溫度的料筒中,之后通過對料筒中溫度的控制對陶瓷粉末和粘結(jié)劑的混合料進(jìn)行加熱,粘結(jié)劑充當(dāng)載體與陶瓷粉末一起注射到型腔內(nèi)形成毛坯,最后在特定的氣氛下脫膠,燒結(jié)成為微構(gòu)件,如圖1所示。

圖1 注射成型工藝流程

微注射成型具有工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低、零件精度和強(qiáng)度高的特點(diǎn),所以近年來微注射加工方法和微注射模具設(shè)計得到了很大發(fā)展。微陶瓷熱注射可制備μm~mm范圍內(nèi)的微陶瓷零件[10]。陶瓷熱注射微模具成型可以精密成型各種三維形狀復(fù)雜的陶瓷和金屬微型零件,特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)的微器件。

微構(gòu)件熱注射成型工藝所用的粉末尺寸一般在0.5~20μm,因?yàn)轭w粒數(shù)多,表面積就大,更有利于成型、燒結(jié)。粘結(jié)劑的作用是使混合料在料筒中具有流變性和潤滑性,可以說是帶動粉末流動的一種載體,所以粘結(jié)劑通常使用與粉末不起任何化學(xué)反應(yīng)、流變性好以及容易清除的[11]。將特殊加工的粉末與選取好的粘結(jié)劑混煉之后,使流變性達(dá)到適用于注射成型的狀態(tài),將混合料喂入加熱裝置中熔化,使用一個具有往復(fù)運(yùn)動的推桿以一定的壓力來聚集和加壓混合料,將其注入模具中。在充模之前,熔體從噴嘴流經(jīng)流道和澆口。充填完畢后,喂料過程中的熱量通過模具散發(fā)出去,最后打開模具,取出成型毛坯[12]。成型的毛坯要將其中的粘結(jié)劑去除,這個過程就是脫脂,最后進(jìn)行燒結(jié),得到成型的微構(gòu)件,如圖2所示。

圖2 注射成型原理圖

注射成型過程中主要研究的工藝參數(shù)有注射速率、混合料流動中受到的阻力、水頭損失系數(shù)、注射壓力、料筒直徑、微構(gòu)件材料等,它們會影響產(chǎn)品的質(zhì)量,所以建立合適的數(shù)學(xué)模型,選取適當(dāng)參數(shù)對于制造效率高、質(zhì)量好的微構(gòu)件十分重要。

3 建立微構(gòu)件熱注射近凈成型的數(shù)學(xué)模型

諾維-斯托克斯方程(Navier-Stokes)是一種對不可流動且具有粘性的流體動量守恒進(jìn)行描述的運(yùn)動方程,我們稱之為N-S方程。首先要建立方程,然后確定粘性流動的流場,確定流動的邊界條件初和始條件來控制流體流動。對于特定的流動問題,為了簡化方程,使N-S方程中的若干項(xiàng)等于零,得到一個常微分方程。其中圓管流動是典型的例子,通過此方法可得到其精確解。這里要研究的是如何保障加熱裝置中的微構(gòu)件和粘結(jié)劑的混合料均勻地進(jìn)行流動,選取適當(dāng)?shù)膮?shù)。

對于圓管內(nèi)不可壓縮流體的穩(wěn)定層流流動,最簡單的辦法是使用柱坐標(biāo)方程。流體具有不可壓縮性,Dr/Dt=0,流動平穩(wěn),r/t=0,圓管內(nèi)的流動屬于一維流動,vr=vq=0,且流動軸向?qū)ΨQ,r/q=0。將上述條件代入不可壓縮流體柱坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程和N-S方程中化簡得:

可將上式中最后一個表達(dá)式的偏微分寫成常微分,即:

經(jīng)過簡化,非線性的N-S方程轉(zhuǎn)化成了常微分方程。根據(jù)數(shù)理方程的基本知識,只有等式兩側(cè)同時等于一個常數(shù)時該式才成立,即:

設(shè)管長L內(nèi)廣義壓力降為DG=G1-G2,則:

對式(3)進(jìn)行兩次積分可得通解為:

邊界條件:r=R(圓管半徑)時,v=0;r=0時,v為有限值。

將邊界條件代入式(4)得積分常數(shù)為:

所以,不可壓縮流體在圓管內(nèi)穩(wěn)定層流時的速度分布方程:

可知,速度分布為拋物線。當(dāng)r=0時,v有最大值:

由式(5)和式(6)可得v與vmax的關(guān)系式:

平均流速:

通過推導(dǎo)出的流速分布,可以計算出范寧摩擦因數(shù):

式中:τw——壁應(yīng)力。

由牛頓粘性定律可知,圓管內(nèi)層流時:

式(9)和式(10)化簡得:

式中:d——管的直徑;

μ——動力粘度;

ρ——密度。

在圓管內(nèi)流動問題中,這時的水頭損失系數(shù)λ表示阻力系數(shù),λ=4f,因此:

式(12)和式(13)適用范圍為Re=dur/m≤2 300。

根據(jù)N-S方程的推導(dǎo),求解出了速度分布、平均流速和阻力系數(shù)等關(guān)系式,利用了廣義壓力的概念,所以不論是傾斜管道還是水平管道,這些結(jié)果都適用。這樣便可以確定適合微陶瓷熱注射成型的流變方程及邊界條件,從而建立微陶瓷熱注射成型的研究模型。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)選取適當(dāng)參數(shù),混合料的動力粘度近似于石蠟油的動力粘度,取μ=1.499Pa·s,密度近似于石蠟油的密度為0.83~0.89g/cm3,加熱裝置內(nèi)部直徑d取150~250mm,注射速度范圍在0.3~0.7m/s。

范寧摩擦因數(shù)與速度關(guān)系如圖3所示。

圖3 范寧摩擦因數(shù)與速度關(guān)系

從圖中可以看出,在速度為0.3~0.7m/s范圍內(nèi),直徑大小不同,范寧摩擦因數(shù)大小也不同,直徑越大,范寧摩擦因數(shù)就越小,導(dǎo)致較小的壓差。

雷諾系數(shù)與速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 雷諾系數(shù)與速度關(guān)系

從圖中可以看出,在速度為0.3~0.7m/s范圍內(nèi),雷諾系數(shù)隨直徑的增大而增大,雷諾系數(shù)的增大影響流動的穩(wěn)定性,從而會產(chǎn)生噪音。

水頭損失系數(shù)與速度關(guān)系如圖5所示。

從圖中可以看出,在速度為0.3~0.7m/s的范圍內(nèi),水頭損失系數(shù)隨直徑的增大而減小,導(dǎo)致沿程損失增大,沿程阻力水頭損失主要用于流體的粘性造成的流體內(nèi)部層流間存在的內(nèi)摩擦阻力,它造成一部分機(jī)械能不可逆的轉(zhuǎn)化為熱能。

實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)該選取范寧摩擦因數(shù)較大、雷諾系數(shù)較小、水頭損失系數(shù)較小的參數(shù),由圖3、圖4、圖5比較來看,速度范圍為0.3~0.7m/s時,推桿的直徑應(yīng)選取中間值,從而能夠兼顧摩擦因數(shù)和雷諾系數(shù),則取d=200mm,對應(yīng)的范寧摩擦因數(shù)范圍為0.019 3~0.045,雷諾系數(shù)范圍為355.477~829。通過上述數(shù)學(xué)模型的分析和實(shí)驗(yàn),能夠良好地實(shí)現(xiàn)對微構(gòu)件的熱注射近凈成型的控制。

5 結(jié) 語

微構(gòu)件的熱注射近凈成型技術(shù)在發(fā)展過程中展現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的特性,引起了社會的廣泛關(guān)注。通過查閱眾多注射方法的資料,我們選取了熱注射成型技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),微構(gòu)件的熱注射成型的原理是粘結(jié)劑和陶瓷粉末的混合料通過推桿的推動,在加熱裝置中以流體的形式通過噴嘴的噴射注入到型腔中形成毛坯,最后在特定的氣氛下經(jīng)過脫脂、燒結(jié)形成微構(gòu)件。由于在實(shí)驗(yàn)過程中,有許多因素影響著流體的流動,所以需要建立數(shù)學(xué)模型控制其影響因素。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析,當(dāng)范寧摩擦因數(shù)較大(0.019 3~0.045)、雷諾系數(shù)較?。?55.477~829)、水頭損失系數(shù)較小時(0.019 3~0.045),能夠良好地實(shí)現(xiàn)對微構(gòu)件的熱注射近凈成型的控制,起到讓熱注射成型技術(shù)效率高、機(jī)械能損失小的作用。

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