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　　摘要 I 摘要 汽车零部件中需要大量的微注塑件，传统的微注塑机模具系统相对微注塑件尺寸较大、且成型时材料利用率低、填充不充分，本文设计一种利用直线超声电机进行合模驱动的超声微注塑机模具系统，并进行模具系统关键技术的研究。 首先，设计一种新型超声微注塑成型机模具系统。超声微注塑机由超声单元实现注塑件的熔融，注射压力较低，所需锁模力较小，利用直线超声电机驱动合模，根据该超声微注塑机的工作原理和特点，完成模具系统总体设计，确定浇注系统结构，对动模进行热-结构耦合分析，验证动模尺寸设计的合理性。 其次，进行模具系统关键部件设计与分析。合模机构采...

　　摘要 I 摘要 汽车零部件中需要大量的微注塑件，传统的微注塑机模具系统相对微注塑件尺寸较大、且成型时材料利用率低、填充不充分，本文设计一种利用直线超声电机进行合模驱动的超声微注塑机模具系统，并进行模具系统关键技术的研究。 首先，设计一种新型超声微注塑成型机模具系统。超声微注塑机由超声单元实现注塑件的熔融，注射压力较低，超声波清洗机价格所需锁模力较小，利用直线超声电机驱动合模，根据该超声微注塑机的工作原理和特点，完成模具系统总体设计，确定浇注系统结构，对动模进行热-结构耦合分析，验证动模尺寸设计的合理性。 其次，进行模具系统关键部件设计与分析。合模机构采用直线超声电机进行驱动，设计一种双驱动足纵弯复合型直线超声电机，对其进行模态分析和瞬态分析，通过对其纵弯频率进行简并，获得该直线超声电机的优化尺寸及该直线超声电机的理论速度和理论驱动力，为动模板的拓扑优化提供依据。利用伺服电机进行锁模，在开模的过程中实现注塑件的顶出。 后，完成动模板拓扑优化。由于该直线超声电机驱动力较小，动模板质量较大，为了实现有效合模，对动模板进行拓扑优化，并根据拓扑优化后的形状，对动模板进行优化设计，校核其强度。结果表明，优化后的动模板质量减轻了 64%，强度满足要求。 关键词：超声微注塑机；模具系统；合模机构；直线超声电机；拓扑优化 Abstract II Abstract There are need lots of micro injection molded parts in auto parts, relative to micro injection parts, the traditional micro injection molding machines mold system has a large size, low material utilization ratio, and insufficient filling. This paper design a linear ultrasonic motor that is used for driving ultrasonic micro injection molding machine mold system, and then discussing the key technique of mold system in detail. First of all, put forward a new type of ultrasonic micro injection molding machines mold system. By the ultrasonic unit to molten the plastic parts, the injection pressure is low, so the clamping force is small, Using ultrasonic motor driven clamping. According to the working principle and characteristics of ultrasonic micro injection molding machine, the mould system is designed, the structure of gating system is determined, anglicizing the heat-structure coupling of moving mould, validating the rationality of the moving mould size designing. Secondly, the key component of mould system is designed. The ultrasonic micro injection is driven by linear ultrasonic motor to realize clamping, according to the working principle of ultrasonic linear motor, designing a double driving feet longitudinal bending of linear ultrasonic motor, with the modal analysis and transient analysis. Through the longitudinal and bending frequency degeneration, to obtain the optimized dimensions of linear ultrasonic motor, the theory maximum speed and the theory maximum driving force. Provide a basis for the dynamic template topology optimization. Using the servo motor for clamping, in the process of open mould, the injection molded parts is push-out. Finally, complete the moving platen topology optimization. The driving force of the linear ultrasonic motor is small, then the moving platen quality is larger, in order to clamping, the moving platen is designed by the topology optimization, according to the shape of the moving platen after topology optimization, the moving platen is redesigned again, checking its strength. The results show that the optimized dynamic template quality reduced 64%, strength meet the requirements. Abstract III Keywords: Ultrasonic micro injection molding machine; Mould system; Clamping mechanism; Ultrasonic linear motor; Topology optimization 目录 I 目 录 摘要..................................................... I Abstract................................................ II 1 绪论 ................................................... 1 1.1 课题来源 ....................................................1 1.2 MEMS 在汽车上的应用研究 .....................................1 1.3 MEMS 传感器制造技术 .........................................2 1.4 微注塑机模具系统国内外研究现状 ..............................4 1.4.1 微注塑成型机研究现状....................................................................................... 4 1.4.2 注塑机合模-锁模机构的研究进展..................................................................... 5 1.4.3 注塑机顶出机构的研究现状............................................................................... 6 1.5 超声技术在模具系统上的应用 ..................................7 1.6 课题研究内容及技术路线 ......................................9 2 超声微注塑机模具系统设计 .............................. 10 2.1 超声微注塑机组成及工作过程 .................................10 2.1.1 超声微注塑机组成 ............................................................................................ 10 2.1.2 超声微注塑机工作过程......................................................................................11 2.2 模具系统设计 ...............................................12 2.2.1 模具系统设计 .................................................................................................... 12 2.2.1 浇注系统的设计 ................................................................................................ 14 2.2.2 动模设计及热-结构耦合分析........................................................................... 16 2.3 本章小结 ...................................................20 3 超声微注塑机模具系统关键部件设计与分析 ................ 21 3.1 合模机构设计 ...............................................21 3.2 合模驱动用直线超声电机设计 .................................22 3.2.1 复合梁纵振分析 ................................................................................................ 25 3.2.2 变幅杆设计 ........................................................................................................ 28 目录 II 3.2.3 双驱动足直线超声电机尺寸的确定................................................................. 30 3.3 直线超声电机速度及驱动力的计算 .........................31 3.3.1 有限元模型的建立 ............................................................................................ 31 3.3.2 模态分析 ............................................................................................................ 33 3.3.3 瞬态分析及优化 ................................................................................................ 36 3.4 导向机构设计 ...............................................40 3.5 锁模机构的设计 .............................................42 3.6 顶出机构的设计 .............................................43 3.7 本章小结 ...................................................44 4 动模板拓扑优化设计及分析 .............................. 46 4.1 拓扑优化的理论基础 .........................................46 4.2 动模板拓扑优化原因分析 .....................................47 4.3 动模板的拓扑优化过程 .......................................48 4.4 拓扑优化前后对比分析 .......................................50 4.4.1 拓扑优化前的静力学及变形分析..................................................................... 50 4.4.2 拓扑优化后静力学及变形分析......................................................................... 51 4.4.3 拓扑优化前后对比分析..................................................................................... 53 4.5 本章小结 ...................................................53 5 结论与展望 ............................................ 55 5.1 结论 .......................................................55 5.2 展望 .......................................................55 参考文献................................................ 56 致 谢.................................................. 59 个人简历、在校期间发表的学术论文及研究成果.............. 60 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题来源 本文所研究的课题来源于国家自然科学基金项目（“1rpm 以下转速压电谐波电机的研究”项目编号：51107121）。 1.2 MEMS 在汽车上的应用研究 MEMS 制造的传感器，由于其在单位面积的芯片，可以集成更多的元器件，具有集成度高、体积小、工作稳定等优点，且易于实现大批量的生产，目前已经得到了广泛的应用 [1] ，在汽车微器件制造领域，MEMS 技术制造的传感器，被利用在车身 ESP、ABS、胎压监测、车辆倾角计算等。MEMS 的广泛应用，使汽车更加智能化，提高了汽车的舒适性和操控性。目前，汽车 MEMS 传感器主要由德国的博世以及日本的Panasonic生产 [2] ，其生产的MEMS传感器，主要应用于发动机的控制，车身稳定系统的控制以及主动安全控制系统等。目前清华大学，吉林大学，中科院等都进行了汽车 MEMS 传感器的研发并取得的重大的成果，为我国缩小与世界先进水平的差距做出了巨大的贡献。 汽车 MEMS 传感器包含物理、生物及化学传感器，其中物理传感器广泛应用于汽车电子控制系统中，例如，汽车发动机 MEMS 传感器可以对发动机排放的废气及发动机的工作状态进行检测，在汽车发动机缸内直喷技术上，通过MEMS 传感器可实现对喷油量的控制，马自达的创驰蓝天发动机上，由于MEMS 传感器的应用，其压缩比更是达到了惊人的 14:1，极大的提高了其动力性及燃油经济性。在车身 ESP 系统上，通过 MEMS 传感器对车身侧倾角及车轮的转速进行检测，及时调整车身状态，极大提高了汽车的安全性及操控性。MEMS传感器还用于检测驾驶员的生命特征，通过对生物密度，生命状态及激素分泌量的识别，可以有效防止驾驶员疲劳驾驶。MEMS 制造的化学传感器，及时对汽车内润滑系统、燃油供给系统进行检测，保证了汽车的正常工作。 汽车 MEMS 传感器相对于传统的 COMS 传感器，在制造成本及可靠性方面仍存在差距，因此通过本文的研究，希望可以降低汽车 MEMS 传感器的制造成本，优化其制造的工艺，增强其工作的可靠性。 1 绪论 2 1.3 MEMS 传感器制造技术 微机电系统传感器的加工方法有粉末微注射成型、光刻加工、LIGA 微型器件加工、热压印成型技术以及微注射成型技术等 [3] 。 1、粉末微注射成型技术 粉末微注射成型如图 1.1 所示，将固态粉末及粘接剂混合，然后进行加热，使其高温熔融，经过螺杆挤出机进行注射，经过脱粘、烧结等后处理得到所需的微器件 [4] 。 图 1.1 粉末微注射示意图 粉末微注射成型技术虽然在技术上有了重大进展，但仍存在着模具型腔寿命短、充模和脱模困难、制品表面质量差、烧结过程中产品收缩率大以及生产效益低等问题。另外在超细粉末的制备及注射用粘结剂的设计上仍存在较大的困难。 2、光刻加工技术 光刻加工技术目前主要用于半导体集成电路的生产，其原理是利用紫外线照射硅片上的光刻胶，使其发生复杂的物理及化学变化，去除溶解的光刻胶即可得到所需的图形。目前传统的光刻加工技术存在着分辨率较低、采用较高的分辨率时工艺性能不能达到技术要求以及增大光刻厚度时成本升高，生产效益低等问题 [5] 。 3、LIGA 微型器件加工技术 1 绪论 3 LIGA 技术工艺图如图 1.2 所示，是一种利用 X 射线进行微机电系统加工的技术，包含光刻、电铸和注塑三个步骤。由于 X 射线具有极强的辐射强度及平行度，可制造高宽比的结构，且制造精度高。在加工的过程中，可重复利用，有利于大批量生产，降低制造成本，可应用于金属、玻璃、聚合物基陶瓷等多种材料的加工。 图 1.2 LIGA 成型工艺流程 4、热压印成型技术 热压印技术包括压模制备、压印及图形转移三个过程。首先制造一个坚固的压模，随后在基片上涂抹一层聚合物薄膜，在高温高压下作用下，使压模压在聚合物薄膜上，然后降温，使压模在聚合物薄膜凝固点处相互脱离，去除凹坑处残余的聚合物，后利用图形转移技术即可得到所需的图案 [7] 。 相较于传统的微机电系统加工技术，热压印技术成本低，方法灵活，可以得到高深宽比的结构且具有较高的分辨率。但其工作过程需要高温高压，对于复杂的图案，容易导致聚合物不完全位移，腔体填充不完全。 5、微注射成型技术 微注射成型技术用于制造精度高，尺寸小或具有特殊形状的微器件，在传感器、通信技术、传动装置上应用广泛。传统的微注塑成型机，为了保证充模，需要较大的注射压力，熔融温度高，需要对模具温度进行控制。相对于其他微器件成型技术，微注射成型具有成本低，易于添加改变熔融物性质的填充物，可实现大批量生产，目前已成为微器件制造应用广泛的技术。 1 绪论 4 1.4 微注塑机模具系统国内外研究现状 1.4.1 微注塑成型机研究现状 1980 年之后，随着自动化技术的发展，微型元器件加工技术得到快速的发展，微细加工技术的发展推动了微型注塑机的研发，1985年德国制造的Micromelt微型注塑机是世界上专用于微型塑件制造的设备 [9] ，其他国家根据自身的需要，开发了各种不同类型的微注塑机。按照驱动方式的不同，目前的微注塑机有液压驱动、全电动驱动、复合式驱动等驱动方式，按注射机构的不同，可以分为单阶，双阶及三阶型 [10] 。 德国 Dr. BOY 是著名的微注塑生产家，图 1.3 所示为其生产的 BOY12A/M (129-11)型注塑机，其是一种单阶型全液压驱动微注塑机，螺杆直径为 12mm，L/D 为 18:1, 合模力 129kN，注射量 4.5cm 3 ，注射压力 245MPa [11] 。中国亿利达和德国 Ettlinger 共同研发的 DIM-10 型注射机，通过一个同轴螺杆/柱塞复合运动，实现塑件的熔融及注塑，具有一个复合注射单元，其合模力为100kN，注射速度为 840mm/s，注塑件质量范围是 0.06-25g [11] 。日本沙迪克(Sodick)株式会社生产的 TROSEH2，是螺杆-柱塞式双阶型注塑机 [12] ，采用油电复合驱动方式，合模力为 50kN，注射柱塞直径 12mm，理论注射容量 4.5cm 3 ，理论注射速度为 300mm/s，在加热的过程中，对料筒进行多段加温，使料筒各加热 段 可 以 同 时 达 到 需 要 的 温 度 。 德 国 巴 顿 菲 尔 (Battenfeld) 公 司 生 产Microsystem50，是一种三阶型全电子驱动微注塑成型机 [14] ，如图 1.4 所示。其注射容积为 0.025-l.lcm 3 ，可对 0.1g 以下的微注塑件进行加工。 图 1.3 BOY12A/M (129-11)型注塑机 图 1.4 Microsystem50 型注塑机 我国的微型注塑机近年来也取得的快速的发展，香港理工大学研制的双阶微注塑机，可在真空的条件下进行注射，注塑机的分辨率可达 0.05mg，注射 1 绪论 5 速度为 1000mm/s，注射量为 0.5cm 3 ，注射柱塞直径 5mm，合模力 20KN [9] 。其柱塞工作时，向上注射，方便了气体的排出，注射过程中简化了对阀门的控制，避免了排气不畅，提高了注塑机的质量，合模系统的合模压力由伺服器进行控制，伺服器安装在合模系统的四个角上，有利于节省空间，有效的减少了合模时模具的变形。采用两组伺服电机进行驱动，便于快速的注射，塑件的质量误差在毫克级以下。新普塑()机械有限专注于全电动注塑机的制造，其生产的 XM-E 系列 [15] ，采用伺服电机进行驱动，控制单元采用 PLC 及变频进行控制，XM-E05 标准型注塑机采用螺杆-柱塞混合式结构进行塑化和注射，注射柱塞直径 10mm，理论注射容量 8cm 3 ，合模力为 50kN，注射速度150mm/s [16] 。 1.4.2 注塑机合模-锁模机构的研究进展 合模是注塑机进行注射时的一个至关重要的环节，合模机构的优劣，关系到注塑机保压及注射的过程，影响到注塑件的成型质量，合模机构主要有曲肘式、全液压式、全电动式 [17] 。比较典型的曲肘式和单缸液压式诞生于 20 世纪 70 年代，80 年代出现了五点双曲肘式合模机构，该机构可以实现自锁，是合模机构的重要发展之一，90 年代以后，以德国为代表，欧洲陆续出现了全液压式合模机构。图 1.5 是加拿大 Engel 研制的无拉杆式合模机构 [18] ，该合模机构的出现，是对传统的四拉杆合模机构的一次重大创新。 图 1.5 Engel 的无拉杆式合模机构 国内对于注塑机合模机构的研究也取得了一定的进展，丁永红、徐敬一 [19]采用回归分析法和有限元方法，对模板就行了简化处理，提出了计算动模板及 1 绪论 6 定模板的实际模型， 该模型的缺陷在于对大型注塑机的计算结果不够准确，实际模板厚度要大于计算的结果。丁玉梅 [20] 通过对模板进行数值分析，对于模板筋板的布置进行了分析，结果表明当筋板采用米字形和交叉状布置时，具有的强度和经济效益，对模板进行的有限元分析结果和实际的实验数据对比表明了结构布置的合理性。樊冰峰 [21] 通过自行编程，完成了注塑机模板设计，对于不同的模板类型，通过有限元分析了应力及应变，在模板的优化设计中，以模板的质量为约束条件，分别对等厚模板、箱式模板及带筋模板的强度和刚度进行了研究，结果表明等厚模板和带筋模板的强度和刚度较小，箱式模板的强度和刚度较大。李明辉 [22] 通过数值分析的方法，分析了注塑件模板的危险截面，其在分析过程中忽略整体机构对于模具的影响，如拉杆和模具，模具和模板之间的接触应力及螺纹的影响，在减少重量的前提下，进行了模板的拓扑优化设计，改变了其内部的结构，使应力分布更加合理。 1.4.3 注塑机顶出机构的研究现状 注塑件具有各种各样的形状，脱模过程中，顶出机构的设计，也称为脱模机构的设计也是注塑机设计的关键环节。 根据驱动方式的不同，注塑机的脱模机构分为以下几种： （1）手动脱模机构。手动脱模机构一般应用于单件小批量生产中，在注塑机模具系统开模后，利用人工的方式将注塑机顶出，这种脱模机构较为简单，可靠性高，但是效率较低。 （2）机动脱模机构。机动脱模机构是一种被动的脱模方式 [23] ，顶杆固定在一个位置不动，开模过程中，动模在向后移动，到达一定的位置时，注塑件和顶出机构接触，使其不能随着动模继续移动而被顶出，这种脱模机构对于顶出机构的安装精度要求较高，目前应用并不广泛。 （3）液压脱模机构。液压脱模机构是由一个专门的液压油缸驱动顶出机构，开模过程中，当动模移动到一定的距离后，液压油缸工作，驱动顶出机构，将注塑件顶出。这种脱模机构是一种主动的脱模机构，应用较为广泛。 （4）气动脱模机构。气动脱模机构是利用高压气体，在型腔或型芯中制造微小的气孔，开模完成后，气阀打开，高压空气将注塑件吹出，该顶出机构适用于微小的注塑件，应用范围较窄。 按照脱模机构模具的不同，目前有简单脱模机构、二级脱模机构、双脱模 1 绪论 7 机构、带螺纹塑件的脱模机构和浇注凝料的自动切断及脱模机构等。 1.5 超声技术在模具系统上的应用 德国亚什大学 IKV 研究所 W.Michaeli [24] 等人研制的超声熔融塑化系统，通过超声作用实现聚合物的融化，其结构如图 1.6 所示。工作时，通过超声换能器产生超声振动，经过变幅杆对振动进行放大，由工具头将超声振动作用于聚合物上，经过聚合物的相互摩擦等一系列复杂的物理及化学变化，实现聚合物的熔融。研究表明，在超声作用下，熔融的聚合物流动性、粘度都要优于传统的熔融方式，有利于微注塑件的成型。 图 1.6 超声塑化装置示意图 日本山形大学 Atsushi Sato [25] 等人将超声振动应用于微注塑件辅助成型，如图1.7 所示，注射成型的过程中，通过在型腔及主流道施加超声振动，使熔融物的物理性质发生变化，提高了熔融聚合物的流动性。研究结果表明，高频振动可以显著提高注塑件的质量，成型件收缩率降低，表面质量提高明显，透镜残余应力明显低于传统注塑件。 1 绪论 8 图 1.7 超声辅助微注射系统 国内学者近几年也对超声作用对注塑件质量的影响进行了研究，天津大学仇中军 [26] 等人研究了纵向超声振动对于注塑件成型质量的影响，试验装置如图 1.8所示，在模具型腔下方设置超声发生器，在充模阶段对熔融件施加超声振动，研究结果表明，同等的条件下，由于纵向超声作用，熔融物的粘度下降，流动性提高，极大的提高了成型质量。同时可以降低模具温度及充模压力，减小工作功率，降低制造成本。 图 1.8 纵向超声辅助注射系统 郭少云等人 [27] 将水介质超声振动施加于模具型腔上，研究结果表明，在模具型腔施加超声振动后，熔接痕强度提高。充模结束后在模具型腔施加超声振动可使注塑件的强度得到大幅提高，强度可增加 30%。 1 绪论 9 模具系统设计 模具设计 浇注系统设计 动 模热 结构 耦合 分析 模具系统关键部件设计与分析 动模板拓扑优化设计与分析 顶出机构设计 锁模机构设计 合模机构设计 导向机构 直线超声电机设计与分析 超声微注塑机模具系统关键技术研究 1.6 课题研究内容及技术路线 本文在传统微注塑机的基础上，研究一种全新的超声微注塑机，对该超声微注塑机模具系统的关键部件进行设计，设计一种纵弯复合型直线超声电机进行合模驱动。根据该直线超声电机的驱动力，利用 ANSYS 软件对合模系统中质量较大的动模板进行拓扑优化，主要研究内容如下： （1）对超声微注塑机模具系统进行设计，完成模具设计、浇注系统设计，设计的超声微注塑机模具尺寸较小且为非标准模具，对动模进行热-结构耦合分析，验证了动模尺寸设计的合理性。 （2）对模具系统关键部件进行设计与分析，完成顶出机构、锁模机构、合模机构及导向机构的设计。设计合模驱动用双驱动足纵弯复合直线超声电机，利用 ANSYS 软件进行模态分析，得到可利用的振型，通过对纵弯模态频率进行简并，完成直线超声电机尺寸的优化，瞬态分析仿真出驱动足的运动轨迹。在ANSYS 后处理中提取出该直线超声电机的周向位移，对位移求导计算出其理论速度，并计算出其理论驱动力。 （3）为了实现合模，对动模板进行拓扑优化，根据拓扑优化后的形状，对动模板进行优化设计，并校核其强度与变形。 本文的技术路线 技术路线 超声微注塑机模具系统设计 10 2 超声微注塑机模具系统设计 2.1 超声微注塑机组成及工作过程 2.1.1 超声微注塑机组成 本文设计的超声微注塑机，由超声塑化系统、注射系统、送料系统、开模-合模系统、锁模系统、顶出机构等组成。超声塑化系统由超声单元实现，通过超声换能器产生超声振动，实现聚合物颗粒的熔融。注射系统由超声单元伺服电机通过滚珠丝杆驱动柱塞运动，将熔融聚合物注入模具型腔。送料系统通过精密的计算，将定量的聚合物颗粒送入料筒中，开模-合模系统由直线超声电机驱动动模上下运动，实现合模及开模。锁模系统由锁模电机驱动动模实现锁模，顶出机构采用自动顶出的方式，将顶出机构固定板安装在机架上，在开模的过程中，顶出机构固定板推动顶针相对动模产生向前的运动，将注塑件顶出。各单元安装位置如图 2-1 所示，其三维模型如图 2-2 所示。 1 送料系统 2 超声塑化系统 3 注射系统 4 顶出机构 5 合模-开模系统 6 锁模系统 图 2-1 超声微注塑机结构图 2 超声微注塑机模具系统设计 11 1 机架 2 导轨 3 超声单元支座 4 超声单元伺服电机 5 超声单元滚珠丝杆装置 6 超声单元7 送料单元 8模具 9 动模板 10 顶出机构 11顶出机构固定板 12 直线 直线超声电机固定支座 图 2-2 超声微注塑机三维图 该注塑机整体结构较小，长A为800mm，宽度B为250mm，高度C为210mm。竖直放置，其中，聚合物的塑化机理是聚合物颗粒之间的摩擦热效应、聚合物之间的粘弹性效应及超声空化作用。通过超声单元产生超声振动，工具头将超声振动作用于聚合物颗粒，通过聚合物颗粒表面的相互摩擦，使聚合物表面的温度迅速上升，聚合物颗粒表面此时处于熔融状态。通过超声空化效应，使熔融聚合物中的微小气泡在超声振荡的作用下不断成长变大并终破裂，破裂的过程中产生较大的能量，进一步加速聚合物的熔融 [21] ，其塑化过程不需要加热，同时在聚合物熔融的过程中，由于超声振动的存在，聚合物本身的物理化学性质也发生改变，有利于保持熔融物的流动性，可使注射更加充分，提高注塑件的成型精度。利用超声振动，可以显著的降低注射压力，合模力也大大降低，有利于注塑机整体尺寸的降低。该注塑机与传统的注塑机相比，省去了塑化螺杆以及注射柱塞，不需要加热装置，仅需要少量的能量用于熔融物的保温，有利于整体系统的简化。 2.1.2 超声微注塑机工作过程 超声微注塑机工作时，首先对模具系统进行加热，使其达到预定的温度，然后直线超声电机驱动动模板向上运动，到达合模预定位置后，直线 超声微注塑机模具系统设计 12 止，此时锁模电机开始工作，锁模电机通过螺纹增力机构，带动直线超声电机固定支座继续向上运动完成锁模。锁模完成后，送料单元开始工作，通过精密的计算，将一定数量特别制作的聚合物颗粒送入模具塑化腔之中，送料完成后，注射单元开始工作，注射单元的伺服电机通过滚珠丝杆带动超声单元支座向下运动，超声单元固定于支座上，当超声单元工具头和聚合物颗粒相接触并产生预定的压力后，超声单元开始工作，超声单元产生超声振动，使聚合物颗粒之间相互摩擦，通过聚合物之间的剧烈摩擦及超声空化效应和聚合物之间的粘弹性效应等，使聚合物颗粒迅速的熔融。待聚合物颗粒完全熔融后，伺服电机继续驱动超声单元支座向下运动以实现注射，当达到一定的压力后，喷嘴的针阀开启，熔融的聚合物通过主流道进入动模型腔中。当注射完成后，超声单元停止工作，使型腔中的聚合物冷却成型，随后直线超声电机推动合模机构实现开模，在开模的过程中，顶出机构固定板推动顶出机构运动，完成注塑件的顶出，从而完成整个注塑过程。 2.2 模具系统设计 2.2.1 模具系统设计 本文设计的注塑件的形状如图 2-3 所示，该注塑件是一个微型的汽车用长方形电路板，其横向尺寸为 4cm。 图 2-3 注塑件的形状 针对该注塑件，本文设计的模具如图 2-4 所示，该模具系统由塑化装置、注射装置、浇注系统、顶出机构、保温装置等组成。塑化装置由塑化料筒、超声工具头组成。注射装置由喷嘴进行控制。浇注系统由动模、定模及型腔组成。 2 超声微注塑机模具系统设计 13 顶出机构由推杆及拉料杆组成。保温装置由陶瓷加热片及传感器组成，可对模具温度进行控制。塑化料筒、动模及定模通过螺栓固定于动模板上，聚合物通过超声工具头产生的频率大于 20KHz 的超声振动 [28] ，聚合物颗粒熔融之后，超声工具头在超声支座的作用下，继续运动，使塑化腔的压力继续增加，当压力达到一定的程度时，喷嘴针阀打开，聚合物通过主流道进入型腔，该模具设计过程中，首先要考虑模具的温度，因此在定模中加入厚度为 5mm 的陶瓷加热片，保证模具的温度，拉料杆固定于动模上，在开模的过程中，推杆顶着成型件移动，将成型件顶出。 图 2-4 模具系统 进行模具系统动模、定模尺寸设计时，要对模具安全距离 Sa 和 Sb 进行估算，模具安全距离示意图如图 2-5 所示，安全距离是注塑件成型时，抵抗注射压力作用于模具侧壁的侧向力，防止出现飞边等质量缺陷，对于安全距离的测算，如表 2-1 所示，安全距离并非定数，可以根据产品尺寸结构及制造的难易程度及注塑件的压力进行调整。由于超声微注塑机的注射压力要远小于普通的微注塑件，因此取安全距离为 2cm，模具长度为注塑件的长度加上安全距离，计算可得 2 超声微注塑机模具系统设计 14 模具长度为8cm。模具厚度，理论上动模不得小于25mm，定模不得小于30mm [29] ，因此，定模厚度定为 30mm，动模板定为 25mm，在定模上开有浇口和流道。 图 2-5 模具安全距离示意图 表 2-1 模具安全距离 产品制件尺寸（mm） 安全距离（mm） ＜20 25 20-60 30 60-80 35 80-300 40 300-600 45 2.2.2 浇注系统的设计 浇注系统关系到熔融的材料能否顺利进入型腔中，关系到注塑件的成型质量。由于超声微注塑机利用超声振动进行聚合物的塑化，超声作用对于熔融注塑件的状态具有重要的影响，因此该浇注系统主流道的长度远低于普通的微注塑机，这有利于降低定模的厚度。 2.2.2.1 浇注系统主流道的设计 浇注系统主流道设计在定模的中心处，与喷嘴紧密相连，主流道设计成圆锥形，有利于注塑件成型后，进行脱模。主流道的主要尺寸设计如下所示: （1）主流道尺寸 mm 1 - 5 . 0 ） （   d D 。其中，d 为喷嘴的直径，单位为 mm。 （2）主流道锥角  =1-2，主流道球面半径 ) 1 5 . 0 (1 2   R R ,单位：mm。 2 超声微注塑机模具系统设计 15 （3）对于模具系统来说，一般主流道取 50mm 为合适，但是由于该注塑件的特殊性，在塑化的过程中，利用超声作用进行熔融，且该模具厚度较小，因此取主流道为 20mm。 2.2.2.2 分流道的设计 为了提高工作的效率，该注塑件设计为一模两腔，需要设计分流道。分流道的设计，需要综合考虑模具的尺寸和型腔的布置方式 [30] ，既要使分流道的尺寸尽量大，减小注塑过程中熔融液体的流动阻力，又要保证在注塑的过程中，热量的损失较小，防止熔融液体在流动的过程中凝固。对于普通微注塑机，分流道尺寸的设计可利用公式 2-1 来计算 LS  （2-1） 式中，  -熔融物的流动效率 S-分流道的横截面积，单位为 mm 2 L-分流道的横截面周长，单位 mm 超声微注塑机可以借鉴普通微注塑的经验公式，对分流道的尺寸进行设计。分流道的横截面积有圆形、U 形和梯形等形状 [31] 。横截面形状对熔融物流动性及注塑件的成型质量影响都较大，其中圆形的分流道横截面效率，流动阻力小，但加工成本较高，尤其是微注塑机模具尺寸本来就较小，加工圆形分流道，需要提高加工精度，不容易实现。U 形和梯形截面形状分流道，超声波清洗机价格其效率不及圆形分流道，但其加工精度低，易于脱模，因此在生产中，广泛利用 U 形及梯形代替圆形分流道。本模具设计中，为了易于加工，采用梯形截面分流道，梯形截面的分流道有利于脱模，设计其斜度为5-10。宽度为5mm，高度为3mm，底部为 2mm。 2.2.2.3 排气系统的设计 微注塑机的排气对于注塑件的质量影响尤为重要，注塑机常见的排气系统有排气槽排气、分型面排气、配合间隙排气 [38] 。排气槽排气适用于大型注塑机，其排气量较大。分型面排气适用于微小型注塑机，通过控制分型面的粗糙度对排气量进行控制，制造时，要注意研磨方向，且分型面设计在熔融物流动的边缘。配合间隙排气是利用注塑机模具与其辅助零件之间的配合公差进行辅助排 2 超声微注塑机模具系统设计 16 气。由于本文设计的模块尺寸较小，选用分型面排气。在长期工作的过程中，由于时间的积累，杂物可能将专门设计的细纹堵塞，影响到排气的过程，因此本文选用分型面排气和间隙配合排气复合的排气法，在顶针的设计过程中，增加配合的间隙，进行辅助排气。在模具使用过程中，要对模具进行定期清理，防止堵塞排气细纹 [32] 。 2.2.3 动模设计及热-结构耦合分析 根据以上的分析，型腔设计在动模上，动模具体尺寸如图 2-6 所示，动模宽度 a 为 80mm，厚度 b 为 25mm。由于其尺寸较小，且工作在较高温度下，工作过程中，瞬时压力较大，因此，注塑过程中，很有可能高温高压的共同作用下动模可能发生变形，模具的变形将严重影响注塑件的成型质量。因此需要对动模进行热-结构耦合分析，验证设计的合理性。 图 2-6 动模主视图及左视图 （1）热分析理论研究 由物理学定律可得，非线性热平衡矩阵方程为 [33] ;         ) ( ) ( ) ( T Q T T K T T C   （2-2） 式中： T-时间；   C -比热矩阵（比热容）；   K -热传导矩阵；   T -温度矩阵；   Q -热流率载荷向量。 对于稳态热分析，如果系统的热流量为 0，即 Q 流入 +Q 生成 -Q 流出 =0，系统处于 2 超声微注塑机模具系统设计 17 热平衡状态，稳态热平衡的能量方程为 [23] ：       Q T K  （2-3） 式中：   K -热传导矩阵；   T -节点温度向量；   Q -节点热流率向量； 本文利用 ANSYSworkbench15.0 对动模进行稳态热分析及热-结构耦合，在动模稳态热分析时，对动模温度场模型做了以下假设： 1）动模稳态热分析时，忽略动模的瞬态效应。 2）   K 为常量或者动模温度的函数； 3）   Q 为常量或者是动模温度的函数，在对动模施加对流边界条件时，可以输入动模对流传热膜系数。 4）ANSYS 利用施加的边界条件，材料热性能参数及模型的几何特征参数，生成   K 、   T 及   Q 。 动模稳态热平衡的能量方程的基础是傅里叶定律，mechanical 模块中，热分析求解是基于热传导方程进行的，计算过程中，   K 的基础是固体内部的热流，  Q 中边界条件是热流率、热通量、热流通、以及对流。 对该动模板，施加了三种形式的边界条件： 1）给定温度 temperature，给定的温度参数，可以施加到几何模型的点线）对流 convection，对流只能施加到表面上。实际上对流将“环境温度”与“表面温度”通过 ) - (ambient surfaceT T hA q  联系起来。式中，热通量 q 与膜系数 h、表面积 A、表面温度差 T surface 以及环境温度 T ambient 均有关。H 和 T ambient是用户自定义的数值，膜系数 h 是温度的函数或者是自定义的常量。 3）辐射 radiation，辐射施加到表面时，满足: ) - (4ambient4surfaceT T FA Q R   （2-4） 式中：  =斯蒂芬-玻尔兹曼常数、  =热辐射率（黑度）、A=辐射面面积、F=辐射面的形状系数（默认假定为 1）。 （2）热-结构耦合分析过程 在 UG 中建立动模的三维尺寸模型，将其导入 ANSYS Workbench，划分网格，建立的有限元模型如图 2-7 所示。 2 超声微注塑机模具系统设计 18 图 2-7 动模有限元模型 注塑件材料选用 PMMA，其材料参数如表 2-2 所示， 表 2-2 PMMC 材料参数 密度（g/cm 3 ） 连续耐温（℃） 熔点（℃） 热膨胀系数（m/k） 弯曲拉伸应力（MPa） 1.2 70 100 70×10 -6 125 由于超声作用的存在，使 PMMC 材料的更容易塑化，因此，注塑件熔融时，动模板型腔内的熔融件温度设为 100℃。 利用 ANSYSworkbench 对动模进行热分析时，对动模的实际情况简化，型腔加载温度为 100℃，在动模与空气直接接触的表面上，选择膜层散热系数 Film coefficient 为 stagnant Air-simplified case。动模与动模板连接处，选定 Film coefficient 为 30W/mm 2 ℃，设定环境温度为 22℃，分析得到动模的稳态温度分布如图 2-8 所示。 图 2-8 动模的稳态温度分布 2 超声微注塑机模具系统设计 19 根据图 2-8 可以看出，在注塑的过程中，型腔温度较高，离型腔较远的区域，其温度逐渐降低，因此在型腔附近，热变形较大，会产生一定的热应力。 超声微注塑机工作的过程中，内部的注射压强为 30MPa，对动模进行热-结构耦合分析时，在动模与动模板连接的 4 个圆孔上，施加 Fixed-support 约束，对动模型腔施加 30MPa 的压强。分析结果如图 2-9 和 2-10 所示。 图 2-9 热-结构耦合应变 由图 2-9 可知，进行热-结构耦合分析后，应变发生在浇口处，但其应变为 0.918  m，这个应变量相对于注塑件的尺寸来说，是相当小的，可以忽略不计。 图 2-10 热-结构耦合应力 2 超声微注塑机模具系统设计 20 由图 2-10 可知，热-结构耦合应力为 183.61MPa，模具钢的材料屈服极限为 320MPa，取安全系数为 1.5，可得该材料的许用应力为 233MPa，因此热-结构耦合后材料的的应力小于材料的许用应力。 由以上分析可得，本文设计的模具，虽然其尺寸较小，但在工作的过程中，模板厚度和宽也是合理的，可以满足使用的要求。 2.3 本章小结 本章对超声微注塑机的整体结构进行了设计，对其工作原理进行了描述，完成了模具系统的设计，根据模具的设计理论得到模具的尺寸，完成了模具的设计，对设计的动模进行热-结构耦合分析验证了设计的合理性。 3 超声微注塑机模具系统关键机构设计及分析 21 3 超声微注塑机模具系统关键部件设计与分析 根据以上分析，本章对模具系统的中的关键机构，合模-锁模-顶出及导向机构进行设计与分析，该合模机构采用直线超声电机驱动，计算出直线超声电机的速度和驱动力大小，并根据直线超声的驱动特点，设计合模驱动装置和导向机构，利用锁模电机完成锁模的过程，在开模的过程中，实现注塑件的顶出。 3.1 合模机构设计 目前常见的合模机构有液压式、液压机械复合式和电动式 [19] 。其中液压式合模机构的移模、合模、锁模都由液压油缸驱动，结构简单，合模速度及锁模力都由液压油缸控制，液压油缸可以提供较大的锁模力，但是液压式合模驱动机构容易漏油，液压阀门、管道较多。由于漏油的存在，使锁模力不稳定，因此，全液压合模机构一般可用于较大的注塑机。 液压机械复合式广泛应用于各型注塑机上，由液压系统和肘杆系统组成，如图 3-1 所示，液压系统的液压油缸作为驱动源，肘杆系统实现合模及锁模，肘杆具有增力作用，可以减小液压油缸的尺寸，同时肘杆机构在锁模时可以实现自锁，有利于节约能源，但是液压机械复合式仍存在液压式存在的一系列问题，对于安装精度具有更高的要求，占用空间大，长使用后精度降低，需要进行再次调模。 图 3-1 液压机械复合式合模驱动装置 电动式合模机构以电动机代替液压油缸作为驱动源，全电动曲肘连杆式工作原理与液压机械式合模机构相似，其驱动源采用伺服电机，由伺服电机驱动 3 超声微注塑机模具系统关键机构设计及分析 22 肘杆进行运动 [19] 。该机构由于伺服电机特性，可以使肘杆在任意位置停止，噪声低，避免了液压式驱动存在的漏油及锁模不稳定等现象，但伺服电机的成本较高，目前广泛应用于小型注塑机。全电动直接驱动合模机构采用滚珠丝杆带动动模运动，伺服电机驱动滚珠丝杆，减速器等，带动动模实现合模及锁模，而且滚珠丝杆及齿轮减速器可实现自锁，但该机构滚珠丝杆在运动过程中，磨损严重，制造和装配精度都较高，成本较高，而且在锁模的过程中，滚珠丝杆承受较大的锁模力，更加剧了磨损。 本文设计的超声微注塑机尺寸较小，若采用经典的肘杆式合模机构，在连杆的制造及空间布置上，都存在较大的困难。因此采用无拉杆式合模机构。对合模驱动单元及导向机构要进行重新设计。 3.2 合模驱动用直线超声电机设计 根据本文设计的超声微注塑机的特点，其锁模力远低于传统的微注塑机，且合模及开模行程较短，因此本文选用的合模机构驱动装置为纵弯复合型直线超声电机，该直线超声电机可以通过加载电压相位的改变，实现双向往复运动，同时该直线超声电机可以实现断电锁止。动模固定板通过销子与直线超声电机相连，直线超声电机固定于直线超声电机固定支座上，在合模及开模的过程中，直线超声电机固定支座通过锁模机构固定不动，直线超声电机驱动动模板沿着直线导轨进行上下运动,实现快速的合模和开模。 合模机构各部件质量如表 3-1 所示。 表 3-1 合模机构各部件质量 动模质量（Kg） 滑块总质量（Kg） 顶出机构总质量（Kg） 动模板质量（Kg） 0.51 1.01 0.62 5.02 合模机构主要受其各部件重力和直线超声电机驱动力作用，其受力图如图3-2 所示。 3 超声微注塑机模具系统关键机构设计及分析 23 1 一动模；2 一滑块；3 一顶出机构；4 一动模板 图 3-2 合模机构受力图 图 3-2 中,1G 一动模重力；2G 一滑块重力；3G 一顶出机构重力；4G 一动模板重力；0F 一直线超声电机驱动力。 则直线超声电机所需驱动力： F 0 =4 3 2 1G G G G    （3-1） 将 表 3-1 中 数 据 带 入 式 （ 3-1 ）， 合 模 机 构 各 零 部 件 重 力 和N 97 . 694 3 2 1    G G G G 。 合模行程为 20mm，要在 1s 内完成合模及开模，因此该直线超声电机的速度不应小于 20mm/s。 本文设计的双驱动足直线超声电机,利用二阶纵振和四阶弯振复合的方式进行驱动，直线 所示，压电陶瓷片的布置方式，如图 3-4 所示。 1-变幅杆， 2-端盖， 3-纵振压电陶瓷，4-弯振压电陶瓷，5-驱动足， 6-法兰螺栓（带夹持锥孔） 图 3-3 直线 超声微注塑机模具系统关键机构设计及分析 24 图 3-4 压电陶瓷极化布置 将变幅杆和端盖做成一体件旋入中间的双头法兰螺栓上，法兰螺栓上开有夹持锥孔，通过夹持锥孔对直线超声电机施加预紧力，改变预紧力大小，可以改变直线超声电机的运动速度和驱动力，在端盖和法兰螺栓之间，分别安装纵弯陶瓷，其中圆形的 L 陶瓷片为纵振陶瓷片，半圆形的 B 陶瓷片为弯振陶瓷片，按照图 3-4 的极化方向布置陶瓷片，纵振陶瓷片每相邻两片极化方向相反，共有4 片，8 片弯振陶瓷片对称切为半圆形，两片相邻的半圆形弯振压电片极化方向相反，相对的两个弯振压电片极化方向相反 [48] 。在陶瓷片之间布置青铜箔电极，由青铜箔电极提供电压。该直线超声电机振动频率较高，驱动足磨损较为严重，为了提高驱动足的使用寿命，在变幅杆上粘贴三氧化二铝陶瓷片作为摩擦片，该摩擦片具有较好的耐磨性及摩擦系数 [46] 。该双足直线超声电机的制作方式是首先将圆柱形的预制件旋入双头法兰螺栓中，然后对该预制件进行切削，制备成图 3-3 所示形状。 根据哈尔滨工业大学的研究，当驱动足位于变幅杆波峰和波谷时，可以实现稳定的输出，同时驱动力 [48] ，该直线超声电机的运动原理如图 3-5 所示，图 3-5 显示了在相位差为/4，该直线超声电机的在一个周期内的运动原理，当改变该直线超声电机输入的相位差，可以实现反向运动。 图 3-5 纵弯复合直线超声电机一个周期内振动形态 3 超声微注塑机模具系统关键机构设计及分析 25 在施加一个周期的电压时，该驱动足的运动轨迹是一个椭圆，t = 0 ~ 1/2 时，即图中所示 12，右侧驱动足在惯性作用下，悬浮于导轨之上，左侧驱动足在弯振和纵振的作用下，合成一个椭圆运动，超声波清洗机价格同时对导轨施加向下的压力和向右的驱动力，推动导轨向右...
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