（机械工程专业论文）精密薄壁光学零件注塑关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 塑料光学制件以质量轻、耐冲击性能好、成本低、能复制复杂的形状等特点， 在国内外发展很快，随着科学技术的日益发展，塑料光学零件不论在军事上还是 在民用上的应用越来越广泛，人们对塑料制件精度的要求也越来越高。注塑成型 是塑料成型的主要成型方法之一，它具有成型制品精度高，可加工聚合物的种类 多，并且成型机械化水平高，可以实现快速大批量生产。尤其是薄壁零件的微注 塑技术已成为目前国内外注塑方向的研究热点。 本文针对带有微结构的薄壁零件菲涅尔透镜进行注塑工艺的研究。主要 研究内容如下： 1 ) 设计菲涅尔透镜微结构，采用超精密车削技术，制作模芯镶件，设计并制 作了适于薄壁零件注塑的通用模具，为微注塑成型技术的研究提供了一个实验平 台； 2 ) 结合注塑c a e 仿真软件原理，对注塑过程进行理论建模，采用广义 h e l e s h a w 流动假设，建立非牛顿流体在薄壁型腔内的非等温、可压缩充填保压 过程的数学模型。采用线性黏弹性模型计算后充填过程中薄壁制品的应力变化， 进而建立制品翘曲变形的计算模型； 3 ) 采用注塑仿真软件m o l d f l o w 进行了菲涅尔透镜注塑成型的翘曲仿真正交 实验，以减小制品翘曲变形量作为质量目标来进行仿真研究，优化工艺参数，并 利用s n 法对仿真结果进行分析，获得了塑件翘曲最小的工艺参数组合。结合单 因素实验法，分析了模具温度、熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间、冷 却时间对制品翘曲变形的影响，并修正了最佳工艺参数组合； 4 ) 采用支持向量机算法，建立了菲涅尔透镜质量预测模型，并与人工神经网 络算法建立的预测模型进行预测精度比较。结果表明，采用支持向量机算法建立 的菲涅尔透镜质量预测模型可有效地预测菲涅尔透镜的质量，且预测的精度与稳 定性较高。并对成型较好的菲涅尔透镜与模芯型面进行复制度的比较。 主题词：注塑成型菲涅尔透镜翘曲支持向量机预测 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo fl i g h tw e i g h t ，i n e x p e n s i v ea n da b i l i t yt ob ef o r m e di n t oc o m p l e xa n d i n t r i c a t es h a p e s ，t h ea p p l i c a t i o no fp l a s t i co p t i c a lc o m p o n e n t sf i r eb e c o m i n gw i d e ra n d w i d e r a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ed e m a n d sf o rp l a s t i c o p t i c a lc o m p o n e n t sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i n g e n ti nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i l f i e l d s ，a n dt h ed e m a n df o rp r e c i s i o no fo p t i c si sb e c o m i n gm u c hh i g h e r 删e c t i o n m o l d i n gi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o d so fp o l y m e rp r o c e s s i n g ，a n di th a sm a n y s p e c i a l i t i e ss u c ha sh i g hp r e c i s i o no fp r o d u c t s ，l o t so fp o l y m e rs p e c i e si np r o c e s s i n g ， a n dh i g ha u t o m a t i z a t i o n e s p e c i a l l yf o rt h em i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g ，i th a sb e c o m ea f o c u so fp o l y m e rp r o c e s s i n g i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ep r i m a r ya i mi ss t u d yh o wt oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r i ni n j e c t i o nm o l d i n go ft h et h i n - w a l lw i t hm i c r o s t r u c t u r e s ( f r e s n e ll e n s ) t h em a i n c o n t e n t sa r ee x p r e s s e da sf o l l o w ： 1 ) f r e s n e ll e n sw a sd e s i g n e d ，a n da na l u m i n i u mm o l di n s e r tw a sm a d e t h e e x p e r i m e n t a lm o l dw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h em o l dp r o v i d e da ne x p e r i m e n t p l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho nm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g ； 2 ) t h et h e o r e t i cm o d e lw a sf o u n d e db a s i n go nc o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g s o f t w a r ef o rt h ep l a s t i ci 玛e c f i o np r o c e s s b yu s i n gg e n e r a l i z e dh e l e s h a w ( g h s ) f l u i d a s s u m p t i o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt e r m so fg h sf l o wf o rn o n n e w t o n i a n ， n o n - i s o t h e r m a l ，c o m p r e s s i b l ef l u i dd u r i n gf i l l i n ga n dp a c k i n gs t a g ew a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gf o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，u s i n gt h el i n e a rv i s c o e l a s t i c i t y m o d e lc o m p u t e dt h et h i n w a l lp r o d u c ts t r e s sv a r i a t i o n ，t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h em a x i m a l w a r p a g eo ff r e s n e ll e n sw a se s t a b l i s h e d ； 3 ) i no r d e rt om i n i m u mw a r p a g eo fp l a s t i cp a r t s ，t a g u c h io r t h o g o n a la r r a ya n d f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em o l d f l o ww e r eu s e d ms i g n a l t o - n o i s e ( s n ) a r eu s e dt of i n d ab e t t e rl e v e l sa n dt oi n d i c a t et h ei m p a c to ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nw a r p a g e n 圮 i n f l u e n c eo fm o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o ns p e e d ，h o l d i n gp r e s s u r e ， h o l d i n gt i m ea n dc o o l i n gt i m eo nw a r p a g eo ff r e s n e ll e n sw a s o b t a i n e di ns i g n a lf a c t o r e x p e r i m e n t ，a n dt h ea s s e m b l eo ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a sc o r r e c t e d ； 4 ) i no r d e rt op r e d i c tt h ew e i g h to ff r e s n e ll e n si ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，t h e m o d e lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ew e i g h to ff r e s n e l l e n si se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a n dc o m p a r ei t 丽t h t h em o d e le s t a b l i s h e db ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ep r e c i s i o no fs v m b a s e dm o d e lw a sm o r et h a nt h ea n n - b a s e dm o d e l ，a n dt h e p r e d i c t i o ne r r o ro ft h em o d e li sv e r ys t e a d i l y a n ds o m er e s e a r c hw a sd o n eo nt h e r e p l i c a t i o nd e g r e eo ff r e s n e ll e n s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1p m m a 性能参数3 9 表4 2 菲涅尔透镜注射成型工艺参数及参数水平4 0 表4 3l 1 8 正交正交矩阵。4 0 表4 4 正交试验仿真结果4 2 表4 5s n 的因素影响表4 2 表4 6 单因素实验工艺4 4 表5 1a e l 2 0 0 型天平参数5 0 表5 2 菲涅尔透镜注射成型工艺参数及参数水平51 第1 l l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 一模四腔注塑成型微结构芯片2 图1 2 塑料透镜的应用2 图1 3 直径为l m m 的齿轮3 图1 4 太阳能汇集装置3 图l 。5p m m a 电泳芯片3 图1 6 导光板仿真注塑5 图1 7 透镜中心厚度的预测值( a ) 和实验值( b ) 6 图1 8 注塑螺杆、料筒和单型腔模具的横截面图9 图1 9 注塑过程图9 图1 1 0 薄壁零件与普通零件注塑成型的区别1 1 图1 1 l 注塑过程各阶段时间分配图1 1 图1 1 2 常见的注塑缺陷1 1 图1 1 3 论文结构框架图1 2 图2 1 菲涅尔透镜在灯塔的应用1 3 图2 2 菲涅尔透镜与普通透镜的等效示意副1 9 1 1 4 图2 3 菲涅尔透镜消除球差对比图【2 0 】1 4 图2 4 菲涅尔透镜参数图1 4 图2 5 菲涅尔透镜设计原理图1 5 图2 6 菲涅尔透镜结构图15 图2 7 模具结构图1 6 图2 8 模具工作简图捌1 6 图2 9 动、定模板温控系统布置1 7 图2 1 0 主流道尺寸l8 图2 1 2 浇口结构图2 0 图2 1 3 菲涅尔透镜注塑成型浇注系统2 1 图2 1 4a 板、b 板两侧及模芯图2 1 图2 1 5 模芯结构。2 1 图2 1 6 模芯面型测量图2 2 图2 1 7 模芯粗糙度图2 2 图2 1 8 菲涅尔透镜注射成型实验模具2 2 图3 1 不均匀冷却导致的翘曲变形示意图2 5 图3 2 不同位置收缩导致的翘曲变形示意图2 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 3 分子取向性差异引起的翘曲2 5 图3 4 取向效应示意刚2 引2 6 图3 5 热塑性聚合物的成型特征时间3 2 图3 6 壳单元在局部坐标系内变形的分解1 3 0 】3 4 图4 1 仿真实验步骤3 8 图4 2 透明树脂特征比较3 9 图4 3p v t 关系图：3 9 图4 4 流变属性图3 9 图4 5 网格图4l 图4 6 菲涅尔透镜翘曲图4 1 图4 7 工艺参数对翘曲删值的影响4 3 图4 8 各注塑工艺参数对透镜翘曲变形的影响图4 4 图5 1b p 神经网络结构图4 7 图5 2 间隔示意图4 8 图5 3 最大间隔的数学实现图4 8 图5 4 神经网络训练误差曲线5 l 图5 5 两种模型预测值与实际值的比较5 2 图5 62 0 0 倍率下菲涅尔透镜观察图。5 3 图5 75 0 0 倍显微镜下菲涅尔透镜三维拼接图及测量。5 3 图5 1 1 模芯与塑件对比5 4 图5 1 2 消除翘曲后模芯与塑件对比。5 4 图5 1 3 模芯与塑件中心对比5 5 图5 1 4 塑件中心误差图5 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：揎蜜夔壁当堂茎鲑洼望羞毽篮盔叠塞 学位论文作者签名：一二高叁址日期：哆 年 ，j 月7 歹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：叠互垒盟 作者指导教师签名： 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 课题来源、选题依据 课题来源于省部级研究项目。针对精密光学零件，了解精密注塑的特性，掌 握精密光学零件模具的设计方法，分析薄壁零件注塑及微注塑的成型特点及各工 艺参数对注塑零件的影响规律，研究注塑成型工艺参数优化的方法，以注塑出高 品质的光学零件。 1 1 2 选题依据 光学塑料的发展是随着塑料的发展形成的，光学塑料已经成为三大光学基本 材料之一。近年来，塑料光学制件以质量轻、耐冲击性能好、成本低、可实现大 批量生产、能复制复杂的形状等特点，在国内外发展很快，随着塑料光学制件精 度的提高，其应用迅速扩展到许多曾经是玻璃光学件占统治地位的领域，并将进 一步扩展到信息产业、汽车行业、电子行业等。如其可作为成像镜头可代替传统 光学系统如投影系统、照相系统、夜视系统和平视显示器中的光学元件；也可用 作激光二极管和发光二极管用的具有不同视角的准直镜；还可用作安全系统中的 镜头，如探测热辐射体红外特征的多带菲涅耳镜头；同样在军事领域，在激光制 导炸弹和火箭导航光学系统的应用，则大大降低了系统的质量与成本。 随着科学技术的日益发展，人们对塑件精度的要求越来越高，传统的成型工 艺已很难满足目前高标准的要求，这为精密注塑成型技术的发展注入了强大的活 力，全世界先进的精密注塑技术不断涌现。近年来，随着光学、生物医学及微电 子通讯产品用量急速增长，精密注塑成型开始向高速、超精密及微型化方向发展， 计算机模拟仿真以及计算机辅助设计技术越来越多地应用到产品与模具的设计加 工过程中，新型的材料不断涌现，并且通过对原有材料进行改性使制品精密度得 到较大提高。 目前世界上先进的精密注塑技术主要集中在德国、日本、美国以及其他一些 西欧国家，东南亚一些国家和地区，如韩国、新加坡，我国的香港和台湾地区发 展也较迅速。而我国大陆的精密注塑技术起步晚、底子薄，与些发达国家还有 很大的差距，因此需要尽快开展精密注塑技术方面的研究，以满足日益增长的对 光学塑料件的需求。 第1 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 2 1 注塑成型技术的应用 圈 囝回一 _ e 暑 置置 第2 页 匡 国鹤瞪 盏二茎壹出匠血k 兰， | 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 尽管塑料元件比玻璃元件有许多优点，但是塑料光学元件也有不足之处，塑 料光学元件在温度波动比较大的环境下性能差。然而，大多数的光学系统的工作 温度不会超过塑料材料的温度限制，这样用塑料制成的光学系统就有着明显的优 势。总而言之，当需求大批量特征丰富的零件时，塑料材料是替代玻璃的最佳选 择。在采用多特征、轻量化，有连接结构的光学元件的情况下表现突出的塑料光 学元件可满足面向用户产品化的需求。新型塑料光学元件在不久的讲来将占据市 场的主导地位。 1 2 2 精密注塑成型技术的国内外研究现状 精密注射成型是指成型零件的精度( 包括尺寸精度、形状精度和相互位置精 度) 和表面质量( 如表面粗糙度、应力状态及表观的气泡、银纹等状况) 均要求 很高的工艺。我们知道，影响注塑制品质量的工艺条件有很多，包括注射压力、 注射量、注射速度、料筒温度、保压压力及时间、多级控制、冷却时间、制件的 检查等。目前在精密注塑成型工艺的研究中，人们越来越多地使用了计算机模拟 与仿真技术，通过对实际工况进行模拟，找出影响制品质量及尺寸精度的因素， 并提出改进的方法。 b a u e r 1 j 在光纤座( f i b e rm o u n t ) 的注塑研究中发现，较高的注塑体温度和模具 温度对精密注塑非常重要，但需要较长的周期时间。另外，在注射前，把模具型 腔内抽成真空，可以有效的防止注塑体气泡的产生，同样也会增加周期时间。同 时指出，注塑机需有较好的可控性和较小的料筒直径，来减少塑料在料筒的时间。 韩国y e u n g n a m 大学的d u h w a nc h u r l 2 】使用模拟技术对注塑成型过程中产生 的缺陷进行了测定和观察，得到的结果生动地显示了聚合物在注入型腔时的流动 形式，突出地显示了熔合线和气泡的形成过程，并且对如何改善缺陷、提高注塑 精度提出了许多有益的见解。 韩国的s c l e e 3 l 等人研究了在注射成型的充模阶段，熔体的压缩对流动场和 纤维取向的影响。他们在研究时发明了一个考虑了压缩的f e m f d m 混合图表来 计算流动场，得到的结果和实验数据吻合得很好。该研究对实际注射过程中充模 阶段的流动场进行了精确的分析，并且分别对压缩流体和不可压缩流体的纤维取 向做出了定性和定量的分析，这对提高制品复制的精度有很大的帮助。 新加坡南洋科技大学的x u e h o n gl u l 4 1 等人通过实验研究了在塑料光学透镜的 精密注射成型中加工条件对成型透镜质量的影响。所研究的加工参数包括注射速 度、保压压力和模具温度等，通过研究，他们成功地建立了轮廓误差和模具的收 缩以及成型透镜的残余应力之间的关系。研究表明，除了模具的收缩，应力对透 镜表面轮廓的影响也很大。 第4 页 瞄防科学技术人学研究生院顾十学位论文 台湾c h u n gy u a n 大学的c h e ns c 。l i a w l 口等人研究了相关参数的影响，包括 在不同的合模压力下注射速度、熔化温度、模具温度、填充保压转换和保压 压力对模板分离的影响，用来作为精密注塑控制的一部分。他们研究发现：随着 合模压力的增加，分模次数减少；随着熔体温度和模具温度的增加，分模次数增 加，这将导致零件质量和厚度的增加。类似的，髓着注射速度和保压压力的增加， 分模次数增加，从填充阶段到保压阶段转换较早可以减少分模次数和零件的质量 与厚度。在研究的所有参数中，保压压力对分模次数及零件质量和厚度的影响最 大，并且成型零件的壁越薄，影响就越大。 日本n i p p o n 科技学院和n i h o n 大学的t e t s u os a s a k i l 6 】等人在研究中发现一般 在注塑成型时当模具表面租糙度降低时，喷出力要减小，然而当表面粗糙度在 纳米级时，情况恰好相反，而且随着喷出力的增加，制品的缺陷将增加。并对注 射成型中的喷出力进行了实验研究。定量地得出了当模具粗糙度在纳米级的情况 下，注射成型中喷出力的变化规律；并且发现在模具型芯上涂上几种p v d 薄膜可 以有效地减小喷出力，如w c c 碳涂层、t i n 珊c d ) 涂层等，对注射成型一些精度 较高的产品有很好的指导作用，如透镜和c d 等。 超精密零件成型时的熔体温度控制依赖于非线性的热传递和控制加工过程中 的流体动力学行为，这样的体系在标准的控制方法中很难表征，尤其是在加工过 程中材料经常改变和设定点的外形经常修正的时候。德国n e wb r u n s w i c k 大学的 h c a l ya n l l a 和n u b a yr i c k y p 等人把计算流体动力学( c f d ) 和主动的过程控制结 台起来使控制器的性能最优化，井且成功地把该方法应用予注射成形中熔体温度 的控制模拟中。 s h t a n g 、yj t a n 8 1 等人把正交实验法用于注塑工艺参数的优化中，用来减少 塑件的翘曲变形，并得到在翘曲最小情况下的工艺参数组合。而且用凌方法分析 出各工艺参数对塑件翘曲的影响程度，得到熔融温度对塑件翘曲影响最大的结论。 艇删旆，l i 圉i6 导光板仿真注塑 台湾学者m i n g - h t m g1 瓤i 成功地利用仿真注塑软件m o l d f l o w 完成了对导光 第s 页 等1一一j 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 板注塑过程的研究( 图1 6 ) 。注塑仿真使得不需生产实验就可以近似地得到注塑 结果，如塑料的变形、缺陷等，同时，大大降低了实验的成本。 日本研究人员t s k w a k 、t s u z u k i 1 0 1 等人采用人工神经网络结合注塑仿真实 验的方法，通过注塑仿真实验获取模型训练样本和检验样本，建立产品品质预测 模型，用于预测透镜中心厚度的减少和体积变形率，经检验样本测试，人工神经 网络算法建立的模型能够准确的预测产品品质，图1 7 所示的是透镜中心厚度的预 测值与实际值比较。 彻i n i e c 的nc o e , a m o n 图1 7 透镜中心厚度的预测值( a ) 和实验值( b ) 中南大学的蒋炳炎、申瑞霞l 等人研究了不同工艺参数对微结构零件复制度 的影响，将成型质量作为微结构零件复制度的初步量化衡量指标，研究了不同工 艺参数下微结构零件的成型质量，采用单因素实验方法实验研究了注射成型工艺 参数对微结构零件成型质量的影响规律。实验结果表明，成型工艺参数对微结构 零件成型质量的影响顺序为：保压压力 熔体温度 模具温度 保压时间 注射时间。 影像测量观测结果表明，成型质量大的制品，微结构的填充要好于质量轻的制品， 微结构零件复制度与成型质量存在对应关系。对于具有广泛应用前景的精细微结 构零件微透镜陈列而言，制品质量可初步评价微结构零件的复制度；研究各 工艺参数对制品质量的影响规律对提高微结构零件的复制度有重要意义。 广东工业大学材料系的李江平【1 2 j 通过分析研究一些主要因素对精密塑件精度 的影响，提出了精密注塑模具设计和提高塑件精度的方法，并推导出精密注塑模 的型腔尺寸设计计算公式，对精密塑件的生产有很好的指导作用。 1 2 3 注塑成型技术的发展趋势 近年来，注塑成型技术的不断发展，塑料制品正广泛应用于光学、生物医学、 电子通信等诸多行业。随着科学技术的日益发展，人们对塑料制品精度的要求越 来越高，传统的成型工艺已很难满足目前高标准的要求，这就为精密注塑成型技 术的发展提供了强大的推动力。目前，精密注塑成型开始向高速、超精密及微型 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 化方向发展。其中，薄壁零件注塑成型和微注塑成型将成为注塑成型技术的发展 方向。薄壁零件通常是指名义厚度在l m m 或以下且表面积在5 0 c m 2 以上的注塑件 1 4 , i s l 。而微注塑成型零件具有以下特征：微零件，即整体结构尺寸微小，通常其 单件质量仅为几毫克；微特征，即塑件总体尺寸仍为普通尺寸，但其局部细微结 构的尺度为微米量级；微精度，是指塑件尺寸为任意的，但应有微米量级的尺寸p j 。 此外，计算机模拟仿真以及计算机辅助设计技术越来越多地应用到产品与模 具的设计加工过程中去，人工神经网络、遗传算法等方法越来越多的应用到注塑 成型过程中。新型的材料不断涌现，同样也使得制品精密度得到较大提高。 1 3 注塑机的发展 当前，注塑成型机主要分为液压注塑机和电动注塑机两类。长期以来，液压 注塑机一直占据着注塑机市场的主导地位，然而随着电动注塑机技术的不断发展， 日本凭借其先进的电子技术，f a n u c 公司已成功研制电动注塑机专用伺服电机， 解决了电动注塑机的关键技术。现在，液压注塑机正受到越来越大的挑战。 1 3 1 液压注塑机与电动注塑机的技术特点对比 液压注塑机与电动注塑机都由各自的特点，相比于电动注塑机，液压注 塑机有以下几个优点： 1 ) 锁模力大。目前，液压注塑机中最大规格的锁模力已达到8 0 0 0 0 k n ， 而电动注塑机的最大规格的锁模力为f a n u c 生产的，达到1 0 0 0 0 k n 。因此， 液压注塑机可以使用更高的注射压力。 2 ) 锁模机构多样化。电动注塑机为了使伺服电机产生更大的锁模力，一 般锁模机构采用扩力比大、行程比小的肘杆机构，而液压注塑机的合模机构 形式较多，以适应于塑件的不同成型要求。 3 ) 动力传递机构较稳定。电动注塑机是用滚珠丝杠传递动力，而滚珠丝 杠的磨损会影响到机器的性能；液压注塑机是通过液压油缸传递动力的，不 存在磨损和润滑的问题。 4 ) 成型范围广。合模机构的形式在一定程度上决定了注塑机的成型形式。 如：电动注塑机不适用于复杂的如带抽芯装置的模具，不适合于需长时间锁 模及保压的场合，因为这样会使得伺服电机过热而受损，而液压注塑机则不 会出现这种情况。 相比于液压注塑机，电动注塑机也有自身的一些优点l l 6 】： 1 ) 注射性能稳定。液压注塑机的各项动态技术参数受液压、油温变化的 影响而容易发生波动；而电动注塑机则不受这些外界因素的干扰。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 ) 节能。节能是电动注塑机的最大优势，电动注塑机的节能是在高速响 应的注射工况下的节能，不影响生产效率，能量利用率达到9 5 以上，比液 压注塑机节能2 5 巧o 。 3 ) 效率高。伺服电机的应用提高了系统的响应时间，以日本住友电机公 司的s e 系列电动注塑机为例，成型周期仅为液压注塑机的1 3 。由于各个执 行机构都有独立的伺服电机驱动，所以电动注塑机可进行复合动作。而液压 注塑机要实现复合动作，势必要增加液压系统的复杂性。 4 ) 优化工作环境。电动注塑机不适用液压油，工作环境更易保持清洁， 且噪音大大低于液压注塑机。 1 3 2 注塑机的发展趋势 不管是液压注塑机还是电动注塑机，其技术发展趋势是高效、高速、精密、 多品种、模块化、专业化、低能耗、环保型。 液压注塑机具有很大的设计空间，可以进行多品种开发。例如，开发成功的 配置节能、高速、商效、全液压合模机构的中、小型液压注塑机，不但成型精度 高，而且合模机构技术参数改动容易，能快速地满足用户的使用要求，这是电动 注塑机难以实现的；无拉杆液压注塑机因其容模容积大、机械手运转空间大，排 除了有拉杆合模机构拉杆移动副可能带来的污染，特别适合于成型清洁度要求高 的医用塑料制品，该种注塑机合模机构的动力系统只能是液压驱动。 而电动注塑机则立足于电子电气、高清洁度医用制品等高附加值、高技术含 量制品的精密注射成型。高性能的执行系统、驱动系统及控制系统的完美结合才 能真正体现出电动注塑机的技术优势。 总之，液压注塑机与电动注塑机各有特点，两者没有截然的区分界线，各有 自己的发展空间，只有把两者的各自特点结合起来，优势互补，才能相互促进。 1 4 注塑成型过程概述 注塑成型过程可以分为四个阶段，即：计量、注射、保压和冷却阶段。实验 室注塑机为全电动注塑机，其基本原理如图1 8 所示，注塑过程如图1 9 所示。 1 ) 计量阶段 树脂材料颗粒通常为圆柱状，装入料斗后，自动进入料筒。料筒中包含了一 个与料筒内壁配合紧密的一个推动螺杆。这个螺杆的外径在传输阶段是固定的， 而螺杆的沟槽深度从塑炼区开始逐渐递减，然后在熔融传输区沟槽深度保持一个 较小值。在螺杆项部有一锥形顶尖，顶尖处有一细长孔，螺杆顶端的止逆阀，用 来阻止熔融状态聚合体的回流。在计量阶段，螺杆以一定的速度转动，使得聚合 第8 页 园防科学技术大学研究生院硕士学位论文 体颗粒向顶尖方向移动。当颗粒进入塑炼区后，螺杆沟槽深度的变化使塑料相对 于料简内径产生压缩，造成剪切热，提供熔化塑料约7 0 的热量。而其余融化所需 的热量则由料筒外的加热片提供，并维持塑料的熔融状态。 图1 8 注塑螺杆、科筒和单型腔模具的横截面图 图i9 注塑过程图 当塑料到达熔融传输区时，螺杆继续转动，以推动熔融塑料通过顶部的止逆 阀，经顶尖的细长孔，流入注射区。熔融态塑料进入注射区的同时，螺杆旋转着 向后移，以保证熔融状态塑料在注射区压力在允许的范围内。当熔融状态塑料达 到了所设定值时，螺杆停止转动，计量阶段完成。 2 ) 注射阶段 当料筒前端的注射区中汇集了定量的熔融态塑料时，就进入了注射阶段。动 模在合模用伺服电机的推动下，与定模紧紧贴在一起。在电机的驱动下，接触面 的压力必要远大于注射压力，即锁模力大于注射压力。在料简上同样用射座移动 用电机驱动料筒底座，用来防止定模与料筒的脱离。在注射过程中，螺杆停止转 动，螺杆通过射出用伺服电机驱动，向前推动压缩注射区，产生的压力驱使螺杆 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 顶端的止逆阀关闭，并推动熔融状的塑料沿注入口进入模具型腔。 3 ) 保压阶段 当注射区的塑料完全注入模具型腔后，螺杆通常会继续维持对塑料的压力， 这道工序叫做保压。由于塑料具有较高的热膨胀系数，故非常有必要进行这道工 序。如果不继续保持压力，那么当熔融状的塑料进入温度较低的模具中时，塑料 将在型腔的表面先凝固，在塑料外层形成一个“壁 ，冷却后收缩，则形成的塑 料“壁”不能与型腔壁贴在一起。如果用这种方法冷却的话，注塑件的尺寸与模具型 腔尺寸差别会很大，从而使得注塑件的精度很难提高。相反，保持压力时，虽然 “墙壁 冷却收缩，但在外界压力的作用下，会使得注塑件再次与型腔壁紧贴在 一起，从而达到减少注射制品变形的目的。 4 ) 冷却阶段 保压阶段结束后，注塑件在模具中冷却。模具中有一套温度控制系统，冷却 管路是模具本体的通道，冷媒( 一般是水、蒸汽或油) 经由冷却管路循环以调节 模壁温度，也可没有冷媒，让其自然冷却。冷却的目的是吸收模具中的热量，使 得注塑件的温度降到凝固温度以下。此时，注塑件为玻璃状，从模具中取出，就 不易损坏。 这样，就完成了一个注塑过程的循环。循环的周期根据制品的重量、肉厚、 塑料性质、及其设定参数而改变。典型的周期时间可能从几秒到几十秒不等。 1 5 论文主要研究内容 根据注塑成型技术发展趋势，文章主要进行薄壁零件的微注塑工艺的研究。 薄壁零件注塑成型与常规注塑成型有很大的不同，如图1 1 0 所示。在熔融的塑胶进 入模腔后，通常在接近模腔壁表面厚度为0 2 5 m m 的塑胶首先凝固，且凝固厚度与 零件厚度无关i l 引。这就意味着薄壁零件注塑成型时，塑胶流动通道非常狭窄，这 就造成了流动阻力非常大。为解决这一问题需增加熔融塑胶温度或模具温度( 减 少熔体黏度) 、增大注射压力或注射速度。然而熔体温度过高会造成塑件剥离分 层、冷却时间的增加，这些在注塑过程中都是不允许出现的。因此，对于薄壁零 件的注塑成型需要较高的注射速度和较高的注射压力【l7 1 。因零件厚度较薄，故冷 却时间将大大缩短，这就大大减少了注塑成型时间，注塑过程时间分配如图1 1 l 所示。通常薄壁零件的一个注塑周期时间为6 - - 2 0 s ，而普通零件的注塑周期为4 0 - 6 0 s | 1 3 】。由于零件厚度较薄，收缩也比较小。 然而在注塑成型过程中，塑件通常会出现翘曲、烧焦、飞边、收缩、短射、 分层、银纹、缺料、气泡、流痕、结合线、熔接线等缺陷，图1 1 2 所示的是注塑过 程中几种常见的注塑缺陷。其中翘曲变形，更易出现在薄壁零件的注塑过程中。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕_ = 学位论文 * * 抖* n # ( 3 曲1 固塞卜罔矗1 女十o o5 一 【自 lc 25 一i l 哮霉誓一凶圈臣。：i 箍陶b o2 蛐 * 画屉n 一 8 博剐 j o j 一 _ 。_ 流琅 镕音蛙的形成 * 接缱盼彤戚 熔接线和结合线 刚1 1 2 常见的注塑缺陷 鉴于薄壁零件的诸多汁塑难点，本文以带有微结构的薄壁零件茸涅尔透镜为 熊型零件进行研究，采用计算机虚拟仿真与淀塑成魁实验捌结合，支持向量机预 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 测模型与注塑成型实验相结合的方式，研究薄壁零件菲涅尔透镜的注塑成型工艺。 具体内容如下： 1 ) 了解注塑成型机理，分析产生塑件翘曲的原因。并依据注塑c a e 软件注 塑仿真软件建模原理，对注塑成型过程进行理论建模，根据所建立的注塑成型模 型，建立产品翘曲的数值计算模型； 2 ) 根据光学系统要求设计菲涅尔透镜，利用超精密车削工艺生产出菲涅尔透 镜的模芯，并分析薄壁零件特征及菲涅尔透镜微特征，设计相应的注塑成型模具； 3 ) 利用正交实验方法与计算机虚拟仿真，研究模具温度、熔体温度、保压压 力、保压时间、注射速度等工艺参数对菲涅尔透镜翘曲变形的影响，利用正交试 验表及删分析法等方法来确定各成型工艺参数对菲涅尔透镜芯片翘曲变形的影 响规律，并获得初步的优化工艺参数组合； 4 ) 以正交实验法获取的工艺参数组合为参考进行单因素注塑仿真实验。研究 各工艺参数对菲涅尔透镜薄片翘曲的影响趋势，根据这种趋势，对正交实验法得 到的优化工艺参数组合进行修正，从而获取注塑生产实验的工艺参数组合； 5 ) 以修正后的注塑成型工艺参数组合为依据进行注塑生产，获取训练样本及 检验样本。分别以人工神经网络和支持向量机算法建立产品质量的预测模型，并 比较两个模型的预测精度，根据预测精度较高的模型，获得最终的菲涅尔透镜注 塑成型的最优化工艺参数组合。 论文研究的主要思路框架如图1 1 3 所示。 菲涅尔透镜注塑成型工艺参数优化 + 喏仿真研究 徽 l 设计 l 菲涅尔透镜注射成型实验 菲涅尔透镜质量预测模型 菲涅尔透镜面型精度检测 i 获取最佳注塑工艺参数组合 图1 1 3 论文结构框架图 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院碗十学位论文 第二章光学零件及其模具的设计 2 1 概述 微注塑成型作为热塑性塑料成型的一种重要工艺方法，与目前在微机械领域 广泛应用的硅基材料微小构件成型工艺相比，其制造成本大幅度下降，生产周期 犬为缩短，并且成型工艺简单，构件质量易于保证，容易实现自动化和批量生产。 注塑模具设计与制造对精密塑件的尺寸精度影响很大，这就使得注射模具在 结构设计和制造中有着更高的要求。为了实验模具的通用性，模具设计为组合模 具，并采用超精密车削技术制作了菲涅尔透镜模芯镶件并设计制作实验模具。 2 2 菲涅尔透镜设计 菲涅尔透镜( f r e s n e ll n e s ) 足种精密的光学仪器镜片表面刻录了一 圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿，通常由p m m a 或p c 注 塑而成，具有成本低，重量轻，厚度薄，对光的吸收少便于大规模生产等优点。 菲涅尔透镜的应用最早出现于在2 0 世纪初，在灯塔上的应用( 如图2i ) 。在 当时，高亮度光源还未出现，菲涅尔透镜的大孔径、低吸收率等特点对弱光源的 使用效果就尤为明显了。 图2 1 菲涅尔透镜在灯塔的应用 上述灯塔中，菲涅尔透镜的设计原理是根据球面透镜等效而来的( 图2 2 ) ， 由图可明显看出等效的菲涅尔透镜的厚度明显减少，质量和透镜的光吸收率也随 之大幅度下降。 第1 ，页 图2 2 菲涅尔透镜与普通透镜的等效示意图 随着菲涅尔透镜的广泛应用，其特征与设计方法也多种多样。如果把各环带 的球面曲率半径按消球差的要求进行加工，这样的菲涅尔透镜就可以做到孔径大 而无球差，其相对孔径( 直径与焦距之比) 可达l ：l 或1 ：0 8 。但此时透镜的一个表 面带有突变的锯齿形，所以出射光的波面也是不连续的。当用作几何成像的元件 时，成像质量不易提高。在成像质量要求不很高时，菲涅尔透镜