外文翻译 --注射模部件的小型化尺度问题(译文）

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1、PDF外文：http:/  第  1 页  共  6 页  中文 4460 字  出处： Journal of manufacturing science and engineering, 2004, 126(4): 733-739 外文翻译：  注射模 部 件的小型化尺 度 问题  摘要：  注射模 部 件的小型化尺 度 问题 引起了相关设计和 及其 过程参数的改变，结果产生了相关尺 度 效应，尺 度 效应 可以是 一阶的 或 二阶的。一阶可以用标准 模型 来 描述 ，而二阶则不可。本文只针对注射模小型

2、化所产生的一阶尺 度 效应进行分析，通过注射模热传递和流动过程的尺 度 分析，尺 度 效应 对 模具性能参数 改变 的分析 ，提出了在超薄壁 零件 和微 型构件 中消除 或减少 相关尺 度 模 难题 的方法。特别地提出了一种 比例 充填方法 ，并经实验得到证实。  关键词：  小型化    注射模    尺 度 分析    尺 度 效应  1、  概述  注射模 部 件在尺寸和重量方面的小型化已经 成为一种 不可阻挡 的趋势，例如 电子 器件 的 注射模 设计 ，经历了从标准模到薄壁模

3、设计的转变，对一些特殊的器 件， 应该用超薄壁模设计，电 子部件 的 小型化需要 在增加 L/T 比时降低零件厚度。对这些模具进行设计时 L/T 比在 10 到 100 之间或稍大。  塑料制品 由于其自身 的优点使得 在 光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等应用领域 扮演着重要角色。 为了能够生产具有实用价值的微细组件，许多新兴制造技术随之产生，包括光刻，电铸及脱模技术 (LIGA)、紫外光蚀刻技术 (UV)、放电加工 (EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。 微注射成型技术以容易实现低成本大规模生产具有精密微细结构零件的优点成为世界制造技术的研究热点之一。 世

4、界上目前有几个大学和研究机构在进行研究，并且许多 微细结构零件 应用微注射成型 已获得成功。 最近 在深度 X 射线和微电子器件成型 方面 的 研究进展 使得 制造 0.5 100 m 尺度和 L/T在 5 10之间的微型部件 成为可能。然 而高 L/T注 射模的设计仍然是一技术难题。       系统尺度 减小时 ，常常引起主要相互作用力的 改变 ，导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别。 许多现有的、成熟的注射成型技术和理论 可能行不通， 必须在理论和  第  2 页  共  6 页  实践上对微注射成型工艺

5、的技术特点进行系统和彻底的研究与探 讨。 注射模中需要解决的尺度相关问题是如何把标准 件 模成型设计的过程 经过合适尺度化用于小型化部件。标准件注射模充填时间从 十分 之一秒 到 十分之几秒 ，注射压力从几 兆帕 到大约 200 兆帕 ，周期从几秒到几十秒。 这些注射成型条件由于采用的是标准件 ， 型腔中塑料熔体均匀流动 使得产品可以达到 预想结果。通过 分析模具工艺所存在的尺度限制、研究进展和方法 ，可以 得出 高 L/T 超薄壁注射模设计当前所存在的 困难 的解决方法 。  小型化引起的尺度效应可以是一阶的，也可以是二阶的，一阶尺度效应可以用 连续介质 力学理论进行预测，而二阶则

6、不可。注射模一阶尺度效应的一个表现是部件厚度减少时浇口热导增加。尺度效应可以 使得微塑性成型的某些特性与传统成型相比发生很大变化，对材料的塑性变形行为，流动变形规律和 磨擦 行为 等均有较大的影响。  关于二阶尺度效应的讨论很多，本文主要关于一阶尺度效应， 由于 它可以用经典的连续 介质力学 模型来研究。 微成型件尺寸的不断减少，成型件表面积与体积的比值大幅增加。单个晶粒 对坯料的机械性能和变形行为的影响开始成为主导。然而，尺度所引起的质量问题很难预测。尺度减小时，部件应该完全填充并很好的满足设计者的初衷。 成型性 ，是需要关注的一个重要 问题。由于 成型 直接 受到 型腔聚合物的流

7、动和热传递过程的影响 ， 因而 分析 聚合物的流动和热传递过程 注射模的尺度效应时是有用的。在这篇文章中， 首先用 无 因次分析 来研究尺度效应 对 注射模流动和热传递工艺的影响，成功地进行了模成型仿真。 关于 无 因次分析 在材料成型中的应用可以在有关书中找到（ modeling in materials processing by Tucker and Dantzig ）。相关论述中提出 无 因次分析 在尺度行为方面的研究。特别是提出了一种 尺度 充填方法，并经实验得到证实。  2 无因次分析  薄壁腔和窄流道的聚合物熔体流动 普遍 采用 广义 Hele-Shaw 流动

8、模型，通常近似假设流体在一恒定时间内达到稳态流动，忽略其惰性效应，近似认为为牛顿流体， 以 一维流 动分析为例 ，根据能量守恒定律， Hele-Shaw 流动模型可以写为：     式（ 1） z 和 x分别为厚度和流动方向， x是液层流动 速率 ， P 是压力， 为黏度，牛顿流 动 模型的有效性可以用 魏森贝格数 （ Weissenberg） 证实。高的熔化温度时，由于 Weissenberg数 较小，松弛时间较短，流体可以认为是纯粘性的。下面的讨论中，用于标准注射模成型中，型腔边界假定无流动。  2 1 等温聚合物流动    第  

9、;3 页  共  6 页  假定不考虑热交换，方程（ 1）可以写成与厚度无关的形式，见式（ 2） ， H 为制件厚度， x是标准化厚度后的流速。 黏度与剪切速率和压力相关。方程（ 2）表明相同的压力作用于不同壁厚的模具型 腔浇口时，具有相同的剪切速率和切向压力，从而有相同的粘性。进而可推出等温聚合物流体压力相同时， L/T 与制件壁厚无关。这只是当雷诺数与几何尺寸匹配时，同等流量的一个特例。流动中处理尺寸问题时用相同的标准化平均速度是有用的。式（ 3）中 是流体密度，可以看到，雷诺数与制件厚度的平方成正比。 Weissenberg 数 也可以用下面式子表示，见式（

10、 4） ， 其中 L 为 标准化厚度后的流体长度 ， 为黏弹性流体挤压 后 产生弹应力的松弛时间 。可以看到流速 u 相同时具有相同的 Ws数。因此， Hele-Shaw 流动模型对于小型化的型腔仍然适用。 图 1：表面张力相对腔长度的变化 对于同构几何尺寸因子可以用于研究无因子群尺度效应，见式（ 5），其中 H0 是初始厚度， H1 为 小型化的 厚度， 比例 定律对于雷诺数有式（ 6），  对于 Weissenberg 数 有式（ 7），可以看到 Weissenberg 数 是与尺寸无关的。  2 2 表面张力效应     型腔变薄时，熔体前沿表面张

11、力将增加。对于细长型腔，由于表面张力熔化界面的对应压力可由式（ 8）计算； s是 N/m单位上液体表面张力， 是腔壁与 液体的接触角。另一方面，与粘应力有关的聚合物入口压强可由下式表示：式（ 9） 。 上面关于表面张力 Sur的定义是近似的，因为表面张力效应接触角近似为非常小， cos 0. 对于一聚合物熔体有式（ 11）的关系 .将式（ 11）带入式（ 10）可得式（ 12）。假如考虑 =1000 Pa-s， =100/s， s=0.05N/m.表面张力作为 L的函数列于图 1。可以看出型腔长度大于 10 m时表面张力不到 1%. 2.3 非等温聚合物  向量 -张力形式能量方程以

12、下 面 形式 给出 ： 式 （ 13） ，其中 Cp为定压比热容， k为传热系数， 是张量 ， T为温度， t为时间  贝克来 数 （ Peclet）： 代表对流 强度和 扩 散 强度 的 相对大小 。 Pe数定义为式（ 14），其中 为 传热 系数，对于聚合物， 10-7m2/s,取流速 u  =100/s, 一般尺寸的注射模有 L=20cm,H=2mm,可以得到  Pe=4 105. 格雷茨数（ Graetz） :是一个方向热对流和另一方向对流的比值，这个无因次量用于 主要对流方向和热导方向不同且具有不同的特征长度。在注射模细长腔中主要对流方向为流体流动方向 ，而对流方向为 壁厚方向 。 Gz数可由下式表示 ：（ 16），对于标准注