基于有限元方法的齒輪真空鑄型技術(shù)研究

1、1 緒論 隨著微納科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，以本身形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微小機(jī)械在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)和軍事等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景，受到世界各個國家科學(xué)界和政府部門的高度重視，已成為二十一世紀(jì)科學(xué)研究前沿領(lǐng)域的熱點之一1。 在微機(jī)械的常用材料中，聚合物材料具有耐氧化、耐腐蝕、易成型、比強(qiáng)度高等優(yōu)點，此外，部分塑料具有透明性和生物相容性的特點，成為了某些微光學(xué)器件和生物分析芯片領(lǐng)域唯一的選擇。因此，對高分子材料進(jìn)行微加工制作的研究，對于推動微機(jī)械系統(tǒng)的實用化與普及化、擴(kuò)大聚合物材料的應(yīng)用領(lǐng)域以及提高精密微型模具的制造技術(shù)水平都具有十分重要的理論意義和實用價值。 微型

2、聚合物的加工成形通常采用微型模具進(jìn)行微注塑成形。而在微型產(chǎn)品開發(fā)階段，微型模具的制作顯得周期較長、成本較高，且對一些復(fù)雜三維形狀的微零部件加工要求較高。本章通過對國內(nèi)外微成形技術(shù)的綜述和加工工藝介紹，提出一種基于快速模具技術(shù)的真空鑄型微型件技術(shù)。1.1 微型機(jī)械的發(fā)展概況 隨著人類社會向信息化的邁進(jìn)，系統(tǒng)的全面微小型化成為了當(dāng)前科技發(fā)展的重要方向。諾貝爾獎獲得者Richard P.Feynman教授在1959年就曾預(yù)言未來制造技術(shù)將沿著Top-Down和Bottom-Up兩種途徑發(fā)展，并將由此引發(fā)科學(xué)技術(shù)、工程和應(yīng)用的巨大變革。目前國際上在微機(jī)械技術(shù)研究領(lǐng)域走在前列的是美國、日本和德國，這與他

3、們大量的投資研究費用也是相關(guān)的。美國在微機(jī)械方面的研究比較著名的有Sandia國家實驗室、明尼蘇達(dá)州大學(xué)、霍尼韋爾公司等。日本在一些MEMS研究方面處于國際領(lǐng)先地位。東京大學(xué)、東北大學(xué)等單位在微細(xì)工具與微細(xì)加工、微流量泵、微型傳感器、微型繼電器等方面都取得相當(dāng)快的進(jìn)展。德國自1988年起開始為期十年的微型機(jī)械制造技術(shù)的研究項目，研究各種刻蝕技術(shù)。目前德國對微機(jī)械的研制與美國、日本水平相當(dāng)，并有自己的特點，在微機(jī)械的加工制作方面取得了令人矚目的成就。我國開展MEMs的研究較晚，從上世紀(jì)80年代末才開始MEMS的研究，MEMS技術(shù)和世界先進(jìn)水平還有一定差距2?！笆晃濉币詠恚瑖铱萍疾俊易匀豢?/p>

4、學(xué)基金委、解放軍總裝備部等先后在該領(lǐng)域投入了數(shù)億元，扶持了一批MEMS項目，取得了一定的成績。目前，國內(nèi)開展MEMS研究的單位己達(dá)五十多家，已有很多有價值的成果。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)對壓電陶瓷進(jìn)行研究，研制成由壓電陶瓷驅(qū)動的三自由度微小型機(jī)器人I81。上海交通大學(xué)利用自行研制的2mm微型電磁馬達(dá)，設(shè)計制作了一個外形尺寸Smm X 6mm的微型機(jī)器人小車，小車可按要求前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)，利用圖像采集系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的位置反饋，基本滿足高精度定位要求。雖然我國對MEMS的研究取得了一定成績，但是由于主要屬于跟蹤型研究，且投入不大、資金分散、產(chǎn)業(yè)界未及時介入等原因，研究規(guī)模、技術(shù)水平與先進(jìn)國家相比有較大差距

5、。清華大學(xué)丁衡高院士指出:“微制造技術(shù)水平低是我國微系統(tǒng)研究落后國外的主要原因之一?！笨考夹g(shù)引進(jìn)不能從根本上縮短與先進(jìn)國家的差距，因此，我國必須開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微制造技術(shù)，才能在未來的高科技領(lǐng)域占有一席之地。1.2 微成形技術(shù)的研究 二十年來MEMS有了飛速的發(fā)展，而微成形技術(shù)是MEMS的靈魂，世界上各工業(yè)先進(jìn)國家對微機(jī)械的研究重點都放在了微成形技術(shù)的研發(fā)上。到目前為止，涌現(xiàn)出了多種成熟的微成形技術(shù)，如以美國為代表的硅基表面加工及體加工技術(shù)、以德國為代表LIGA技術(shù)和以日本為代表的超精密機(jī)械加工技術(shù)，此外還有高能束加工技術(shù)、微注塑成形技術(shù)、微粉末注射成形技術(shù)及微鑄造技術(shù)等一些方興未艾的微

6、成形技術(shù)。1.2.1 硅基微加工技術(shù)由美國的科學(xué)家率先提出的硅基微加工技術(shù)是微電子技術(shù)飛速發(fā)展的延伸。硅基微加工技術(shù)目前主要有表面微機(jī)械加工3.4微機(jī)械加工5.6面微機(jī)械加工工藝首先是在硅基表面上沉積薄膜，再用光刻技術(shù)在薄膜上顯影出微結(jié)構(gòu)，最后用各種腐蝕工藝(等離子腐蝕、化學(xué)腐蝕等)去除掉多余的部分，從而得到預(yù)先想要的微結(jié)構(gòu)。因加工過程中不對硅基片本身進(jìn)行加工，故表面微機(jī)械加工的厚度在幾到幾十微米。在表面微機(jī)械加工工藝中，可通過對多層犧牲層材料進(jìn)行有選擇的去除，得到準(zhǔn)三維的結(jié)構(gòu)，機(jī)械加工層越多可制造的微型機(jī)械越復(fù)雜，功能越強(qiáng)大，但是微型元件的布局問題、平面化問題和減小殘余應(yīng)力問題也更難解決。通

7、常，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形成要經(jīng)歷選擇摻雜和結(jié)晶濕化學(xué)腐蝕兩道工序。和微電子生產(chǎn)中的亞微米光刻工藝比較，這些工藝尺度相對大而粗糙，線度變化在幾微米到幾百微米之間。體微加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括濕法刻蝕和干法刻蝕兩種方法。濕法刻蝕主要是根據(jù)材料的性能在刻蝕溶液中進(jìn)行;干法刻蝕主要是采用物理法(濺射、離子銑)和化學(xué)等離子刻蝕，適用于各向同性及各向異性刻蝕。選擇合適的掩膜板可得到深寬比大、圖形準(zhǔn)確的三維結(jié)構(gòu)，目前在MEMS技術(shù)中最成熟體微機(jī)械加工的一個主要優(yōu)點是它可以相對容易地制造出大質(zhì)量的零部件，缺點是它很難制造精細(xì)靈敏的懸掛系統(tǒng)。另外，由于體微機(jī)械加工工藝無法做到零部件的平面化布局，因此它不能夠和微電子

8、線路直接兼容。7復(fù)合微機(jī)械加工技術(shù)是體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的綜合。它是在體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，具有體微機(jī)械加工技術(shù)和表面微機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)點，同時也避免了它們的缺點。1.2.2 微注射成形技術(shù) 微注射成形技術(shù)按照使用材料對象可分為兩類，一類是以塑料為注射材料的微注塑成形技術(shù)，一類是以金屬粉末為注射材料的粉末微注射成形技術(shù)。微注塑成形技術(shù)實際上就是傳統(tǒng)注塑技術(shù)的微型化，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用在手表和相機(jī)行業(yè)。德國注塑機(jī)制造巨頭Battenfeld公司制造了第一臺全電子驅(qū)動的注塑機(jī)Microsystem50，其適用于手表、微機(jī)電

9、系統(tǒng)和生物機(jī)械制造業(yè)，成形塑件質(zhì)量小于0.lg，注射柱塞直徑只有5mm。德國亞深理工大學(xué)的塑料加工學(xué)院(IKV)設(shè)計制造了一種新型微注塑成型概念機(jī)，注射量比Microsystem50更小，可小于0.01g。微注塑成形技術(shù)方面我國與國外的還有很大的差距。國外以美國、日本、德國為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)國家在微注塑成型技術(shù)方面取得了大量的研究成果，微型注塑機(jī)也早已進(jìn)入商品化階段。我國在微注塑成形技術(shù)的研究主要集中在臺灣地區(qū)的高校和研究院以及內(nèi)地的大連理工和中南大學(xué)等幾所高校。8主要代表為臺灣工研所微系統(tǒng)部和中山大學(xué)機(jī)電所，他們聯(lián)合制造出了300dip的微型噴孔片;臺灣中原大學(xué)也就高分子聚合物在微流道中的流變

10、特性、流經(jīng)毛細(xì)管口的壓降等做了大量深入的研究實驗，取得了大量的數(shù)據(jù)和成果。大連理工就微注塑成形微構(gòu)件進(jìn)行了大量實驗研究;中南大學(xué)就工藝參數(shù)對微結(jié)構(gòu)零件充填深度的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究。粉末微注射成形技術(shù)(micro powder injection molding，簡稱NPIM，將近年迅速發(fā)展起來的粉末注射成形技術(shù)，有機(jī)地運用到外形尺寸是微米級器件的制備上，完全滿足高性價比的要求，而且將可加工的材料范圍擴(kuò)大到各種純金屬、合金以及陶瓷。粉末微注射成形技術(shù)的工藝流程如圖1.1所示。該技術(shù)要求所用的材料為粉末狀，這就限制了其材料的種類，因為并不是所有的金屬都能獲得粉末，而且對金屬粉末的顆粒度也有要

11、求，要盡可能得到細(xì)的顆粒。此外，微型模具的制造是該技術(shù)的關(guān)鍵，而為了獲得好的填充效果，也需對鑄型抽真空和預(yù)熱，這些都關(guān)系到能否獲得低表面粗糙度、小壁厚、形狀復(fù)雜的微構(gòu)件。 圖1.1 粉末微注射成形技術(shù)的工藝流程 圖1.2 粉末微注射成形的雙聯(lián)齒輪德國在粉末微注射成形方面進(jìn)行了相關(guān)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究。圖1.2為研究所制備的雙聯(lián)齒輪。新加坡南洋理工大學(xué)的L.Liu等主要對316L不誘鋼開展系統(tǒng)研究，圖1.3為燒結(jié)的316L不銹鋼微結(jié)構(gòu)件。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的N.Koseski等研究了粉末粒度對粉末微注射成形產(chǎn)品的性能，尤其是表面粗糙度和結(jié)構(gòu)分辨度的影響。北京科技大學(xué)自行研制開發(fā)了具有自主知識

12、產(chǎn)權(quán)的適用于傳統(tǒng)注射成形機(jī)的粉末微注射成形用模具，同時以撥基鐵粉和鐵鎳合金粉為原料，在傳統(tǒng)注射成形機(jī)上成功實現(xiàn)了粉末微注射成形齒頂圓直徑小于1mm的微型齒輪的制備，圖1.4中的齒頂圓直徑為400um齒輪中心孔為60nm，齒輪高度為200nm。 圖13 16L不銹鋼微結(jié)構(gòu)件 圖1.4 粉末微注射成形齒輪1.2.3 微鑄造成形 在對金屬三維微構(gòu)件迫切需求的背景下，2000年德國卡爾斯魯厄研究中心的Baumeiste等人提出了一種微精密鑄造工藝，在世界范圍內(nèi)受到了高度關(guān)注，德國、日本、韓國和中國等學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，并取得了一定的進(jìn)展。微精密鑄造工藝依托于傳統(tǒng)鑄造工藝，可加工復(fù)雜三維形狀，有效的

13、彌補了現(xiàn)有微成形工藝的缺陷。此外，還有微擠壓成形、激光微沖擊成形等新型微成形技術(shù)。隨著微成形技術(shù)的發(fā)展，某些微型零部件因材質(zhì)的限制，在成形過程中往往需要幾種微成形技術(shù)9的綜合應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是今后微成形技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。1.3 真空鑄型技術(shù)及其應(yīng)用1.3.1 真空鑄型技術(shù) 快速模具技術(shù)(RT Rapid Tooling)是一種基于快速原型(RP-Rapid Prototyping )樣件，可以快速復(fù)制復(fù)雜形狀制造模具的新型技術(shù)。近年來，發(fā)達(dá)國家的許多公司和科研機(jī)構(gòu)都在致力于快速模具技術(shù)的研究，由此發(fā)展出多種技術(shù)先進(jìn)，成本低廉，設(shè)計制造周期短，精度適中的新技術(shù)。20世紀(jì)70年代，東德德累斯頓工業(yè)大學(xué)和

14、考特布斯工業(yè)大學(xué)采用真空技術(shù)并借助于硅橡膠模研制開發(fā)了真空鑄型技術(shù)。真空鑄型技術(shù)因在型腔澆注之前抽真空，其成形件在質(zhì)量和精度上遠(yuǎn)高于普通的硅膠模成形10空鑄型技術(shù)成本低，工藝簡單，制造周期短，能夠制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件。80年代初日本在汽車制造領(lǐng)域運用了該項專利技術(shù)，大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)速度，并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，引起業(yè)內(nèi)的極大關(guān)注。1.3.2 真空鑄型技術(shù)的應(yīng)用德國MCP-HEK公司1987年就開始發(fā)展真空鑄型技術(shù)，是目前硅膠模應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。其客戶群體包括Ford，GM，VW， BMW，Bosch，Daimler，Chrysler, Si

15、emens，Adidas，Nike，3D Systems等眾多世界著名企業(yè)。由于真空鑄型技術(shù)成本低，成形精度高及制作周期短，主要應(yīng)用在對產(chǎn)品的外形精度要求較高和制作周期較短的諸多領(lǐng)域。包括在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，在電子行業(yè)中的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，在藝術(shù)品制作領(lǐng)域的應(yīng)用等。1.4 真空鑄型微型件的研究意義在現(xiàn)代的制造模式下，每個新產(chǎn)品的開發(fā)過程中都會先通過試制部分樣品，以便更直觀有效地對產(chǎn)品進(jìn)行修改，最終確定設(shè)計無誤后再制造模具進(jìn)行批量生產(chǎn)。因此，在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中利用快速模具技術(shù)試制樣板得到了廣泛的應(yīng)用。真空鑄型技術(shù)能夠成形各種形狀復(fù)雜、精度要求較高的零部件，在新產(chǎn)品的開發(fā)研究中具有低成本

16、、高效率的優(yōu)勢，是一種生命力強(qiáng)，值得推廣的快速模具技術(shù)11符合我國模具工業(yè)十一五規(guī)劃中對快速經(jīng)濟(jì)模具制造新技術(shù)要進(jìn)一步開發(fā)、提高和應(yīng)用的要求。隨著越來越多的產(chǎn)品逐漸微型化，市場競爭的不斷加劇和多品種、小批量、改型快等現(xiàn)代制造模式的進(jìn)一步發(fā)展，企業(yè)對微型新產(chǎn)品的開發(fā)速度和成本將提出更高的要求。然而，現(xiàn)有的大部分微成形技術(shù)，有的制造周期較長，有的成本過高，有的不能制作真正的三維產(chǎn)品，或多或少存在一些缺點。利用真空鑄型技術(shù)，結(jié)合其它微成形技術(shù)，進(jìn)行微型零部件產(chǎn)品的開發(fā)，則避免了這些缺陷，它不但制造周期短、成本低，而且能成形具有真正意義3D的零部件，尤其是在三維塑料微型件的開發(fā)中更具有優(yōu)勢12，利用真

17、空鑄型技術(shù)可加快新型微型件的產(chǎn)品開發(fā)速度，推動微器件市場的快速發(fā)展?？梢?，對利用真空鑄型技術(shù)進(jìn)行微型件成形的研究具有較大的研究意義和實用價值。 目前，國外僅有幾篇文獻(xiàn)報道利用真空鑄型技術(shù)成形微型件的研究，研究表明，利用真空鑄型技術(shù)成形微型件是可行的13方面的研究還未見報道。我國在MEMS方面的研究起步較晚，在微制造技術(shù)和種類方面跟國外相比還有較大的差距。因此，對真空鑄型技術(shù)制作微型件的研究可對我國微制造技術(shù)的種類起到一定的補充作用。1.5 本文研究的主要內(nèi)容真空鑄型微型件技術(shù)涉及的研究涉及澆鑄模具設(shè)計、制作及澆注工藝參數(shù)等多方面內(nèi)容。本文選取齒輪作為研究對象，側(cè)重于對齒輪真空鑄型進(jìn)行有限元模擬

18、和實驗研究，同時對高聚物熔體在微尺度下成形的一些理論、齒輪硅橡膠模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、工藝參數(shù)對齒輪成形件質(zhì)量影響分析等問題進(jìn)行研究，主要研究工作如下:(1)高聚物熔體在微尺度下成形的理論研究14空澆注微型件過程中熔體充模流動行為這一核心問題，從粘性流體力學(xué)的基本方程入手，借鑒傳統(tǒng)注塑成型中熔體充模過程數(shù)學(xué)模型的建立方法，構(gòu)建微尺度下熔體流動過程基本方程。著重研究微尺度下高聚物熔體溫度、模具型腔表面粗糙度、表面張力、微觀粘度、慣性力、重力及壁面滑移對熔體流動充填的影響，對熔體與微通道壁面間的對流換熱進(jìn)行一定的分析討論。(2)真空鑄型齒輪的有限元模擬分析。利用MOLDFLOW軟件，分析齒輪模具中最

19、佳澆口位置的設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，采用PROCAST軟件模擬不同工藝條件下熔體在齒輪型腔中的填充效果，分析各工藝參數(shù)對齒輪真空鑄型過程的影響。(3)真空鑄型齒輪的實驗研究。利用MOLDFLOW模擬出的最佳澆口位置15齒輪模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并制作出齒輪硅膠模具實物，析齒輪真空鑄型過程中的影響因素，并進(jìn)行正交實驗設(shè)計，齒輪成形件與原型一些關(guān)鍵部位尺寸(齒頂圓直徑、齒寬、齒厚、全齒高等)進(jìn)行測量比較，利用軟件對各工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，確定一組最佳工藝參數(shù)。2 真空鑄型的相關(guān)理論2.1 真空造模真空造模是一種物理造模法，它將真空技術(shù)與砂模鑄造結(jié)合，靠塑料薄膜將砂模的模穴和背面密封起來，借助真空泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓

20、，造成砂模內(nèi)、外壓差使模砂緊固成型，經(jīng)安放砂心、合模、澆注，等待鑄件凝固后，解除負(fù)壓或停止抽氣，模砂便隨之潰散而獲得鑄件。根據(jù)目前所應(yīng)用的領(lǐng)域主要可分為真空密封造模法（V法）和實型真空鑄造（FV法）。其優(yōu)點為：（1） 適度的真空度，模穴緊實度高，鑄件品質(zhì)也高。（2） 真空鑄造配合計算機(jī)的模流分析仿真，可以預(yù)測鑄造缺陷的產(chǎn)生，對于造模方案的設(shè)計，能大幅節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率。2.2 真空澆注真空澆注可分為真空吸鑄、真空低壓鑄造等2.2.1 真空吸鑄 將鑄模置于密閉的容器內(nèi)，抽出鑄模內(nèi)空氣，使鑄模內(nèi)造成一定的負(fù)壓，導(dǎo)致熔體吸入模穴。當(dāng)鑄件的內(nèi)澆道凝固后，去除負(fù)壓，令豎澆道內(nèi)未凝固的熔體流回熔池。其

21、優(yōu)點是提高了合金夜的充型能力，吸鑄鑄件的最小壁厚可達(dá)0.2mm，同時減少氣孔、夾渣等缺陷。2.2.2 真空低壓鑄造 真空低壓鑄造法是在加壓充型的過程中對鑄模抽真空，充型完后保壓使鑄件在恒定壓力下結(jié)晶凝固，鑄件得到充分補縮，因而鑄件組織致密，力學(xué)性能提高。3 齒輪真空鑄型的數(shù)值模擬 對澆注成形的制件而言，澆口位置的設(shè)置將直接影響制件的質(zhì)量。若澆口位置設(shè)置得不合理，不但成形件的質(zhì)量受到影響，而且預(yù)先制作的模具也會因此報廢，造成財力、物力和人力的浪費。在模具制作前，利用CAE軟件16出制件的最佳澆口位置，可縮短模具設(shè)計制造周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了制造成本。影響流體在模具微型腔中填充的因素較多，除

22、模具的設(shè)計因素外，還有工藝參數(shù)的影響。運用CAE有限元分析技術(shù)，根據(jù)聚合物流變學(xué)和傳熱學(xué)等基本理論，先建立聚合物熔體在模具型腔中的流動和傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行數(shù)值求解，利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)直觀地顯示計算結(jié)果，可分析工藝參數(shù)對填充過程的影響。本章主要對最佳澆口位置和工藝參數(shù)對填充過程的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討。3.1 模擬軟件選用及介紹3.1.1 MOLDFLOW軟件介紹 Moldflow公司為一家專業(yè)從事塑料計算機(jī)輔助工程分析(CAE)的跨國性軟件和咨詢公司17。自從1978年美國Moldflow公司發(fā)行了世界上第一套流動分析軟件，幾十年來以不斷的技術(shù)改革和創(chuàng)新一直主導(dǎo)著CAE軟件市場。M

23、oldflow的產(chǎn)品適用于優(yōu)化制件和模具設(shè)計的整個過程，為制件設(shè)計、模具設(shè)計、注塑生產(chǎn)等整個過程提供了非常有價值的信息和建議。 在本研究中，應(yīng)用Moldflow Plastic Insight ( MPI)軟件模擬分析齒輪模具中最佳澆口位置。MPI軟件能夠模擬最廣泛的熱塑性塑料和熱固性塑料注射成型中的制造工藝?？梢阅M熱塑性塑料注射成型工程中的充填、保壓以及冷卻階段，還能預(yù)測出制品成型后的缺陷，如制品翹曲變形等。MPI還可以模擬其他各種熱塑性塑料成型工藝，如氣體輔助注射成型、共注和注壓成型以及反應(yīng)成型過程，包括熱固性注射成型、反應(yīng)注射成型和半導(dǎo)體芯片封裝。MPI主要提供以下功能模塊:前處理模塊

24、，分析模塊。 3.1.2 PROCAST軟件介紹 PROCAST軟件是法國ESI集團(tuán)的鑄造模擬軟件，采用基于有限元(FEM)的值計算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場、電磁場進(jìn)行模擬分析。 PROCAST已經(jīng)過世界400多用戶的可靠性驗證，尤其在航空航天、國防等精度需求高的領(lǐng)域，典型用戶如通用電氣，惠普，勞斯萊斯，通用等。PROCAST可以用來模擬任何合金，以及非傳統(tǒng)合金和聚合體18。除軟件自身的材料庫外，用戶本身也可以自行更新和擴(kuò)展材料數(shù)據(jù)。 PROCAST共有8個分析模塊，包括傳熱分析模塊(基本模塊)、流體分析模塊、網(wǎng)格生成模塊、反向求解模塊、應(yīng)力分析模塊

25、、輻射分析模塊、晶粒結(jié)構(gòu)分析模塊、微觀組織分析模塊，用戶可以根據(jù)不同的需求比較靈活地選擇這些模塊19。本研究中主要應(yīng)用其中三個模塊。網(wǎng)格生成模塊MeshCAST，傳熱分析模塊(基本模塊)，流體分析模塊。3.2 齒輪真空澆注的數(shù)值模擬3.2.1 模擬分析流程在本研究中使用MOLDFLOW和PROCAST兩種軟件來分析齒輪真空澆注中的最佳澆口位置以及充填過程。首先利用MOLDFLOW模擬分析出齒輪的最佳澆口位置，根據(jù)齒輪的最佳澆口位置設(shè)計出模具模型，再利用PROCAST進(jìn)行齒輪的真空澆注模擬分析。兩種軟件的分析流程如圖3.1和圖3.2所示。輸入CAD模型網(wǎng)格劃分輸入CAD三維模型分析流程、澆口位置

26、選擇澆口數(shù)和初選澆口位置選擇注塑機(jī)和注塑條件分析計算獲得最佳澆口位置分析流程流動在VIEWAST中顯示結(jié)果導(dǎo)入precast設(shè)定仿真的各項參數(shù)導(dǎo)入MESHCAST生成網(wǎng)格導(dǎo)入procast分析澆口位置設(shè)在最佳澆口處設(shè)定分析參數(shù)分析計算方案一、方案二方案比較獲得最佳方案圖3.1 MOLDFLOW分析流程圖 圖3.2 PROCAST分析流程圖3.2.2 最佳澆口位置的確定1.齒輪模型的建立 由于MOLDFLOW軟件的主要功能是注塑過程的模擬分析，其造型能力很弱，對復(fù)雜曲面和幾何形狀的處理往往無能為力，因此，一般采用三維CAD造型軟件(如UG, Pro/E等)先建立CAD模型，然后通過CAD系統(tǒng)輸出

27、CAE系統(tǒng)可以接受的幾何模型(如STL, IGES, STEP等)。這種方法是MOLDFLOW獲取三維幾何模型的主要途徑。本研究中利用UG軟件建立齒輪模型，齒輪齒數(shù)為22，模數(shù)為0.4，壓力角為20，齒寬為1.5mm。模型以STL格式導(dǎo)入MOLDFLOW，采用FUSION網(wǎng)格模型劃分網(wǎng)格，如圖3.3所示。圖3.3 齒輪模型2主要模擬條件設(shè)定 齒輪的澆注為流動充填成形，這與MOLDFLOW中熱塑性材料的注射充填有一定的相似之處，因此模擬中選用熱塑性注射成形工藝。在MOLDFLOW的分析順序中有多種模塊組合可供選擇，本模擬只是為了研究齒輪的最佳澆口位置，故只需選擇最佳澆口位置模塊即可。對于幾何形狀

28、已經(jīng)定形的產(chǎn)品而言，其最佳澆口位置應(yīng)當(dāng)是一定的，注塑材料的差異對之影響較小，本文采用兩種方案進(jìn)行最佳澆口位置的模擬進(jìn)行說明。方案一:選取牌號為620-31的熱塑性彈性體作為填充材料20，采用MOLDFLOW默認(rèn)的注塑機(jī)，模具溫度為45，熔體溫度為90方案二:選取牌號為Comalloy E-16564-6的聚丙烯，注塑機(jī)選用Welltec MachineryLimited公司60F ( 25mm)型，模具溫度為30，熔體溫度為230。兩種方案中，注射壓力和鎖模力的大小都選擇為軟件自動設(shè)置。3模擬結(jié)果分析MOLDFLOW中兩種方案求解運算后的模擬結(jié)果如圖3.4所示。(a)方案一 (b)方案二圖3.

29、4 齒輪最佳澆口位置由圖3.4 ( a )、(b)可以明顯看出，兩種實驗方案中，齒輪的最佳澆口位置都處于齒輪上下兩端面的中間區(qū)域，因此，在齒輪模具的設(shè)計制作中將澆口設(shè)置在齒輪的圓周中心。3.2.3 齒輪充填和凝固過程的數(shù)值模擬1. 建立模型 根據(jù)MOLDFLOW模擬分析出的最佳澆口位置，可進(jìn)行齒輪模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，詳見第四章。PROCAST軟件自身不帶建模功能，其模擬分析的模型均需通過造型軟件(如UG, Pro/E等)建立，并以其可接收的模型格式導(dǎo)入，常見的有STL,IGES,STEP,PRASOLIDS等。由于齒輪模具設(shè)計成一模四腔，為完全對稱結(jié)構(gòu)，因此在建立模擬模型時采用簡化模型以減少PRO

30、CAST的模擬計算時間。在UG中建立齒輪模具四分之一的三維裝配模型，包括齒輪型腔、分流道、嵌塊，如圖3.5所示。簡化模型以PRASOLIDS的格式導(dǎo)入MESHCAST模塊中進(jìn)行劃分四面體網(wǎng)格，為保證模擬的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格單元設(shè)置較小，生成的體網(wǎng)格如圖3.6所顯示。圖3.5 齒輪模具簡化模型 圖3.6 齒輪模具的劃分網(wǎng)格2. 邊界條件設(shè)定 在齒輪的真空鑄型過程中，熔體在模具型腔中的填充流動行為，除與熔體材料自身的材料屬性有關(guān)以外，還受到分流道尺寸、模具溫度、型腔真空度和熔體與模具壁面的對流換熱系數(shù)等因素的影響。因此在模擬過程中，除需要設(shè)定熔體的流動類型約束外，還需對分流道尺寸、模具溫度、熔體溫度、型

31、腔真空度和對流換熱系數(shù)加以約束分析。 型腔真空度的表示常有不同方法，有的真空儀表以負(fù)壓表示真空度，以大氣壓作為零參照點，型腔中抽出空氣后的氣體壓強(qiáng)要比大氣壓小，負(fù)的越多，型腔中的氣體越少，真空度越大;有的把大氣壓強(qiáng)與型腔內(nèi)的絕對壓強(qiáng)作差表示真空度，差值越大，型腔中的氣體越少，真空度越大;有的以型腔內(nèi)的絕對壓強(qiáng)來表示真空度，這個數(shù)值越小，真空度越大。本研究中選用第三種表示方法，以型腔內(nèi)的絕對壓強(qiáng)來表示真空度。由第二章中對流換熱系數(shù)的分析可知，本實驗中的對流換熱系數(shù)應(yīng)小于1200 W/(m2K)，但其具體數(shù)值仍不確定，因此在模擬過程中選取不同的值加以分析.為研究各影響因素對齒輪填充過程中的影響，對

32、各因素取不同值進(jìn)行模擬對比實驗。各影響因素的取值如表3-1所示。為了便于比較，當(dāng)考察其中某個參數(shù)的變化時，其它參數(shù)的值取為同一值。共計進(jìn)行5組模擬實驗。表3-1模擬參數(shù)表影響因素 數(shù)值分流道尺寸0.512真空度0.00010.0010.01模具溫度406080熔體溫度254055熱交換系數(shù)50080011003.3 模擬結(jié)果分析在PROCAST后處理模塊VIEWCAST中，可用等值云圖顯示流體在型腔填充過程中一些溫度場和流動場的變化情況21。本文采用熔體填充體積百分比(FVOL)和填充時間(FILL TIME)的等值云圖對熔體在齒輪型腔中的填充進(jìn)行比較分析。3.3.1 分流道尺寸對填充的影響在

33、模具溫度為60，熔體溫度為40，型腔真空度為0.0001har，換熱系數(shù)為800W/(m2K)的條件下，分別選取分流道尺寸為0.5mm，1mm，2mm進(jìn)行模擬分析，觀察分流道尺寸對齒輪填充的影響。模擬結(jié)果如圖所示。圖中左側(cè)三幅圖為熔體填充體積百分比，右側(cè)三幅圖為填充時間。 (1) 分流道尺寸為0.5mm (2) 分流道尺寸為1mm (3) 分流道尺寸為2mm(a) 熔體填充體積百分比等值云圖 (b) 型腔填充時間等值云圖圖3.7不同分流道尺寸下齒輪型腔填充效果圖 圖3.7 (a)為熔體在型腔中的填充體積百分比等值云圖，為便于比較，可將其定義為齒輪填充率。圖中紅色部分表示該區(qū)域內(nèi)熔體填充率為10

34、0%，紫色部分表示該區(qū)域沒有熔體填充。從圖中可以看出，雖然三種情況下齒輪型腔顯示為全部填滿，但在分流道處三者還是不同。相比之下，分流道直徑為1mm和2mm的情況下填充效果較好。由于分流道與齒輪型腔連接在一起作為熔體填充空間，分流道與齒輪型腔的體積比則顯得比較重要。三種情況下，分流道直徑是成倍數(shù)增加，而分流道體積卻是成平方數(shù)增加。三種情況的模擬條件中，澆口處的速率值都設(shè)為同一值，因此在相同的計算步下，總體積相對較大的型腔填充率顯得要低一些。 圖3.7(b)可以看出，齒輪型腔的填充時間隨著分流道直徑的增大而減小。這是由于在一定的速率條件下，分流道截面積較大者在單位時間內(nèi)所通過的熔體質(zhì)量較大，因此在

35、同樣的齒輪型腔區(qū)域內(nèi)，熔體的填充時間隨著分流道直徑的增大而減小。從本組實驗中可知，分流道直徑的大小對齒輪型腔的填充效果影響不大。在實際制造過程中，分流道直徑過大對齒輪成形后期的處理不利，因此，為與實際制作中一致，在接下來的模擬過程中分流道直徑都選用2mm。3.3.2 模具溫度對填充的影響在模具溫度為60，熔體溫度為40，換熱系數(shù)為800W/(m2K)的條件下，分別選取型腔真空度為0.0001bar、0.001bar、0.01bar進(jìn)行模擬分析，觀察型腔真空度對齒輪填充的影響，模擬結(jié)果如圖所示： (1) 型腔真空度為0.0001bar (2) 型腔真空度為0.001bar (3) 型腔真空度為0

36、.01bar(a) 熔體填充體積百分比等值云圖 (b) 型腔填充時間等值云圖圖3.8不同真空度下齒輪型腔填充效果圖由圖3.8 (a)可以看出，齒輪型腔的填充率隨模具溫度的升高有個曲線的變化過程。70時的填充率比50增大一點，而90時的填充率則比70降低不少。在其它條件一致的情況下，齒輪型腔填充率的下降表明熔體的流動性受到影響。從第二章中的分析可知，高聚物熔體的填充流動性能與其粘度密切相關(guān)。熱固性聚合物在流動填充過程中，隨著溫度的變化，其粘度往往是一個曲線變化的過程。當(dāng)成形溫度在某一極值之前，聚合物的粘度主要取決于材料的物理變化，即隨著溫度的升高而減小;而成形溫度一旦超過溫度極值，聚合物的粘度因

37、交聯(lián)固化反應(yīng)占優(yōu)勢而快速升高。因此，雖然熔體初始溫度和換熱系數(shù)設(shè)置為等值，在熔體與模具型腔壁面之間的熱交換對流作用下，隨著模具溫度的增加，熔體在填充過程中的粘度也發(fā)生了曲線變化。從而模具溫度值為70時，熔體填充時的粘度小于50時的值，體現(xiàn)為填充率在三種情況下最大;而模具溫度為90時，熔體填充時的粘度為三種情況下最大值，具體體現(xiàn)為齒輪型腔填充率顯著下降。從圖3.8 (b)可以比較不同模具溫度下熔體在齒輪型腔中的填充時間。從圖中比較可以看出，同樣位置區(qū)域的填充時間在模具溫度70的情況下最小。100和90兩種情況下，從云圖的最大時間來看，100清況下的填充時間值比90清況下稍大一點。而云圖中顯示最大

38、時間的區(qū)域?qū)嶋H上并沒有填充，因此并不能作為參考依據(jù)。從區(qū)域位置觀察，填充初始時刻，50和90兩種情況下填充相同區(qū)域的時間幾乎相等，但隨著填充過程的進(jìn)行，90條件下的填充劣勢逐漸體現(xiàn)，后期的填充區(qū)域在相近時間內(nèi)明顯要低于50時的值。這是由于在熔體的填充過程中，由于與模具型腔壁面的熱交換作用，填充熔體的粘度是逐漸變大的，從而最終影響了熔體的填充性能。 由此可見，熱固性樹脂在齒輪型腔的填充過程中，模具溫度需要設(shè)定為一大小合適值，過大過小均不利于熔體的填充。在本組模擬中，模具溫度為70時，齒輪型腔的填充效果最好。3.3.3 熔體溫度對填充的影響在型腔真空度為0.0001bar，熔體溫度為40，換熱系數(shù)

39、為800W/(m2K)的條件下，分別選取模具溫度為40、60、80進(jìn)行模擬分析，觀察模具溫度對齒輪填充的影響，模擬結(jié)果如圖所示： (1) 模具溫度為40 (2) 模具溫度為60 (3) 模具溫度為80(a)熔體填充體積百分比等值云圖 (b)型腔填充時間等值云圖圖3.9不同模具溫度下齒輪型腔填充效果圖 從圖3.9 (a)可看出不同熔體溫度對充填率的影響變化不是很顯著。熔體溫度為30和40時，齒輪型腔均可填充完全且兩者的填充率相差無幾。當(dāng)熔體溫度為50時，齒輪型腔的填充率較前兩者明顯下降。這表明熔體溫度為500C時，在相同的換熱系數(shù)作用下，熔體粘度明顯大于熔體溫度為30和40時的值，從而表現(xiàn)為齒輪

40、型腔的填充率較另兩者顯著下降。 圖3.9 (b)為不同熔體溫度條件下齒輪型腔填充時間的等值云圖。雖然熔體溫度在30和40時齒輪型腔的填充率相差無幾，但是從圖3.10 (b)中可以看出兩者在相同區(qū)域內(nèi)的填充時間略有不同。在相同的齒輪型腔區(qū)域內(nèi)，熔體溫度為30時的填充時間要略低于40時的值。這是由于在同樣的模具溫度條件下，30和40的熔體與模具型腔壁面之間熱交換的能量不同導(dǎo)致熔體粘度的變化也不同，發(fā)生熱交換后30熔體的粘度低于40時的值，從而體現(xiàn)為熔體30 C時的填充時間小于40時的值。當(dāng)熔體溫度與模具溫度都設(shè)置為50時，熔體與齒輪模具型腔壁面之間沒發(fā)生熱傳遞，熔體的粘度在填充過程中齒輪的填充過程

41、可視為熔體沒有熱傳遞的流動過程，由上面填充率的分析可知熔體為50時的粘度較大，因此相比之下50時的填充時間最大。 熔體在型腔中的流動性能很大程度上由熔體的粘度決定，而熔體的粘度一般隨著溫度的變化而變化，因此熔體溫度的大小是影響熔體在齒輪型腔中填充效果的重要因素。本組模擬中熔體溫度對熔體在齒輪型腔中的填充效果影響變化不是很顯著，但這并不能說明熔體溫度對填充的影響程度不大，這與模擬中熔體材料的粘度在此溫度差區(qū)間內(nèi)變化較小有一定的關(guān)系。3.3.4 真空度對填充的影響 在分流道尺寸為200um，熔體溫度為30，模具溫度為500，換熱系數(shù)為1000 W/(m2K)的條件下，分別選取型腔真空度為0.000

42、5bar,0.005bar,0.05bar進(jìn)行模擬分析，考察型腔真空度對齒輪填充的影響，模擬結(jié)果如圖3.11所示。 （1）型腔真空度為0.0005bar (2) 型腔真空度為0.005bar (3)型腔真空度為0.05bar(a)熔體填充體積百分比等值云圖 (b)型腔填充時間等值云圖圖3.10 不同真空度下齒輪型腔填充效果圖 從圖3.10可看出不同的真空度對齒輪型腔的填充有著明顯的影響。圖3.11 (a)中，齒輪型腔的填充率隨著齒輪模具型腔真空度的降低而減小。齒輪型腔真空度為0.0005bar時填充率達(dá)到最大值，與型腔真空度為0.005bar時的填充率相差較大，而型腔真空度為0.005bar和

43、0.05bar時的填充率兩者相差幅度卻不是很大。雖然真空度同樣相差10倍，但是填充率相差幅度卻大不相同。這表明熔體的填充效果在齒輪型腔真空度為0.0005bar時與另外兩組不同真空度時有著質(zhì)的區(qū)別。 圖3.10 (b)中顯示，齒輪型腔中已填充部分的相同區(qū)域內(nèi)填充時間隨著真空度的降低而增大。這可解釋為由于真空度的降低，齒輪型腔中對熔體填充過程中的阻力增大，熔體在型腔中的流動緩慢，從而在相同的計算步內(nèi)顯出充填時間較長。3.3.5 換熱系數(shù)對填充的影響在模具溫度為60，熔體溫度為40，型腔真空度為0.0001bar的條件下，分別選取換熱系數(shù)為500W/(m2K)、800W/(m2K)、1100W/

44、(m2K)進(jìn)行模擬分析，觀察換熱系數(shù)對齒輪填充的影響，模擬結(jié)果如圖所示： (1)換熱系數(shù)為1100W/ (m2K) (2) 換熱系數(shù)為800W/(m2K) (3)換熱系數(shù)為500W/(m2K)(a)熔體填充體積百分比等值云圖 (b)型腔填充時間等值云圖圖3.11 不同換熱系數(shù)下齒輪型腔填充效果圖 圖3.11 (a)中可看出，齒輪型腔的填充率隨著熔體與模具型腔壁面間換熱系數(shù)的降低而降低。換熱系數(shù)的降低，意味著熔體在填充過程中單位時間內(nèi)與齒輪模具型腔壁面之間的熱交換能量減少，熔體溫度較低，粘度較大，從而流動性能相對較弱，齒輪型腔的填充率降低。從另一個角度看，降低換熱系數(shù)相當(dāng)于在等值的換熱系數(shù)下降低

45、模具溫度，與不同模具溫度下模擬分析一樣，模具溫度較低時齒輪型腔的填充率也相應(yīng)較低。 圖3.11 (b)中顯示，齒輪型腔中已填充部分的相同區(qū)域內(nèi)填充時間隨著換熱系數(shù)的降低而增大。同樣，降低換熱系數(shù)也就是界面上熱阻增大，單位時間內(nèi)熔體從齒輪模具型腔壁面所獲得的能量減少，流動性較差，從而體現(xiàn)為熔體在齒輪型腔中的填充時間隨著換熱系數(shù)的降低而增大。綜合上面的模擬結(jié)果分析可知，齒輪模具中的分流道尺寸對齒輪的填充效果影響不顯著，比較后取分流道直徑為2mm進(jìn)行后續(xù)的模擬,模具溫度為70時，齒輪型腔的填充效果最好;熔體溫度為30和40時，齒輪型腔的填充效果較好，且兩者之間的差異較小;模具型腔真空度為0.0005

46、bar時，齒輪型腔的填充程度較高;熔體與模具型腔壁面間的換熱系數(shù)對熔體的填充影響較大，在給定的模擬條件中，換熱系數(shù)為1100W/ (m2K)，齒輪型腔的填充效果最好。3.4 本章小結(jié)本章基于MOLDFLOW和PROCAST兩種軟件對熔體在齒輪型腔中的填充過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；贛OLDFLOW軟件，分析了齒輪型腔最佳澆口位置的設(shè)置，并在此基礎(chǔ)上利用UG軟件建立齒輪模具的三維數(shù)字模型22。在PROCAST中將三維模型轉(zhuǎn)換成的有限元模型，并模擬不同工藝條件下熔體在齒輪型腔中的填充效果。經(jīng)模擬結(jié)果的比較分析可知，齒輪模具中的分流道直徑對填充效果影響不顯著，模具溫度、熔體溫度、模具型腔真空度及熔體與

47、模具型腔壁面間的換熱系數(shù)對熔體的填充均有一定的影響。4 總結(jié)與展望4.1 總結(jié) 隨著微制造技術(shù)的快速發(fā)展，MEMS、生物醫(yī)學(xué)和航天科技等領(lǐng)域?qū)ξ⑿图男枨笕找嬖龃螅Ｒ?guī)微成形技術(shù)在微型件的批量制作開發(fā)過程當(dāng)中顯得成本較高，周期較長。真空鑄型技術(shù)是基于快速成型和快速模具的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型快速制造技術(shù)，非常適合于產(chǎn)品開發(fā)和中小批量試制過程中的使用23。本文以齒輪為研究對象，對真空鑄型微型件的相關(guān)問題進(jìn)行了初步的探索，研究所取得的主要進(jìn)展和成果如下: (1) 在分析現(xiàn)有微成形技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，探討了采用真空鑄型技術(shù)進(jìn)行快速批量制作微型件的方法，分析了其技術(shù)特點及工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響。本

48、方程，借鑒傳統(tǒng)注塑成型中熔體充模過程數(shù)學(xué)模型的建立方法，構(gòu)建了微尺度下熔體流動過程基本方程。著重分析了微尺度下高聚物熔體溫度、表面張力、模具型腔表面粗糙度、微觀粘度、慣性力及重力對熔體流動充填的影響24，對熔體與微通道壁面間的對流換熱進(jìn)行了一定的分析討論。 (2) 對齒輪真空鑄型的成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。利用MOLDFLOW軟件對齒輪模具型腔最佳澆口位置進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上利用PROCAST軟件模擬熔體在齒輪型腔中的填充過程，通過設(shè)定不同的工藝條件，分析其對齒輪真空鑄型的影響，獲得了各工藝條件對齒輪成形的影響趨勢，為后續(xù)進(jìn)行的實驗提供一定的參考。 (3) 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對齒輪真空鑄型工

49、藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。根據(jù)MOLDFLOW模擬出的最佳澆口位置。通過模擬分析，研究齒輪真空鑄型過程中各工藝參數(shù)對齒輪成形件關(guān)鍵尺寸的影響作用。利用MINITAB軟件對齒輪關(guān)鍵尺寸測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析25，分析結(jié)果表明，工藝參數(shù)對齒輪真空鑄型的影響主次順序為:AB混合攪拌時間、模具溫度、熔體溫度、固化溫度，優(yōu)化的工藝參數(shù)為模具溫度為90，樹脂溫度為40 , AB混合攪拌時間為60s，固化溫度為40。4.2 展望本文雖然在真空鑄型齒輪的有限元模擬及其實驗方面取得了一定的成果，但由于時間和其它客觀條件的限制，對影響真空鑄型微型件有限元模擬和實驗方面的一些因素未能進(jìn)行深入的研究。若要讓該技術(shù)進(jìn)入工程

50、應(yīng)用，尚需在以下幾個方面作進(jìn)一步的研究: (1) 提高有限元法精確模擬微構(gòu)件真空鑄型結(jié)果的能力。本文對齒輪真空鑄型的過程進(jìn)行了一定的模擬，模擬的內(nèi)容為高聚物熔體在齒輪型腔中的填充過程，有必要對真空鑄型微型件最終凝固成形的質(zhì)量進(jìn)行模擬分析。 (2) 對不同工藝條件下真空鑄型微構(gòu)件的硬度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行研究。 (3) 增加工藝參數(shù)水平進(jìn)行大量實驗研究，建立微構(gòu)件成形件與原型之間的收縮關(guān)系，從而為原型制作過程中進(jìn)行尺度補償提供依據(jù)。結(jié) 論本文基于MOLDFLOW和PROCAST兩種軟件對熔體在齒輪型腔中的填充過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；贛OLDFLOW軟件，分析了齒輪型腔最佳澆口位置的設(shè)置，并在此基礎(chǔ)

51、上利用UG軟件建立齒輪模具的三維數(shù)字模型。在PROCAST中將三維模型轉(zhuǎn)換成的有限元模型，并模擬不同工藝條件下熔體在齒輪型腔中的填充效果。經(jīng)模擬結(jié)果的比較分析可知，齒輪模具中的分流道直徑對填充效果影響不顯著，模具溫度、熔體溫度、模具型腔真空度及熔體與模具型腔壁面間的換熱系數(shù)對熔體的填充均有一定的影響。在分析現(xiàn)有微成形技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，探討了采用真空鑄型技術(shù)進(jìn)行快速批量制作微型件的方法，分析了其技術(shù)特點及工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響。本文，借鑒傳統(tǒng)注塑成型中熔體充模過程數(shù)學(xué)模型的建立方法，構(gòu)建了微尺度下熔體流動過程基本方程。著重分析了微尺度下高聚物熔體溫度、表面張力、模具型腔表面粗糙度、微觀粘度、慣

52、性力及重力對熔體流動充填的影響，對熔體與微通道壁面間的對流換熱進(jìn)行了一定的分析討論。 對齒輪真空鑄型的成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。利用MOLDFLOW軟件對齒輪模具型腔最佳澆口位置進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上利用PROCAST軟件模擬熔體在齒輪型腔中的填充過程，通過設(shè)定不同的工藝條件，分析其對齒輪真空鑄型的影響，獲得了各工藝條件對齒輪成形的影響趨勢，為后續(xù)進(jìn)行的實驗提供一定的參考。 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對齒輪真空鑄型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。根據(jù)MOLDFLOW模擬出的最佳澆口位置，模擬分析齒輪真空鑄型過程中各工藝參數(shù)對齒輪成形件關(guān)鍵尺寸的影響作用。齒輪模具中的分流道直徑對填充效果影響不顯著，模具溫度、

53、熔體溫度、模具型腔真空度及熔體與模具型腔壁面間的換熱系數(shù)對熔體的填充均有一定的影響。致 謝本文的研究工作是在尊敬的蔣素琴老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。從論文的選題，到具體問題的研究，到論文的撰寫與修改，無一不傾注了蔣老師的大量心血。蔣老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)和平易近人的長者風(fēng)范給我留下了深刻的印象，為我在生活和工作中樹立榜樣，并將在以后的生涯中繼續(xù)督促我不斷努力向前。在此我首先向老師表示最衷心的感謝和最崇高的敬意。感謝母校給予我們提供了開展課題研究的條件，并在實驗和模擬中給予我諸多的指導(dǎo)和幫助。同時要感謝我的室友對我的指導(dǎo)和幫助。 最后感謝我的父母親對我的關(guān)心

54、和照顧，父母給予我的理解和支持是我的學(xué)業(yè)得以完成的最大動力，他們?yōu)槲腋冻隽穗y以言盡的艱辛。在此，謹(jǐn)以本文獻(xiàn)給我的父母，感謝父母偉大的養(yǎng)育之恩。參 考 文 獻(xiàn)1. 趙醇生，陳啟東. 微型機(jī)械的特點、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用.振動、測試與診斷.1998, 18(1): 61-70.2. Ramesham.Fabrication.of.diamond.microstructuresf.or.microelectromechanical.systems (MEMS) by a surface micromachining process. Thin Solid Films. 1999, 340(16): 16.

55、3. J.T.Butler, V M. Bright, J.H. Comtois. Multichip module packaging of microele ctrome chanical systems. Sensors and Actuators. 1998, 23(70): 15-22.4. R. Zergerle, H. sandmaier. Microfluidics. 7th International Symposium on Micro machine and Human Science. Nagoya, Japan. 1996,23(2): 45-56.5. hy, J.

56、J. Sniegowski. Chemical-mechanical polishing: Enhancing the rnanufacturability of MEMS, Precision Engineering. 1997, 28(79): 104-115.6. E. W. Becker, W. Ehreld, P. Hagmann et al. Fabrication of microstructures with high aspect rations and great structural heights by synchrotron radiation lithograp galvano forming, and plastic moulding (LIGA process). Microelectronic Engineering. 1986, 4(1):35-56.7. 張永華，丁桂甫，彭軍等. LIGA相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用.傳感器應(yīng)用.2003, 22(3): 60-64.8. 李又民. 微注塑成型充模流動理論建模與模擬分析.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005, 5(1): 56-58.9. 蔣炳炎