光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计.doc

1.70mm/0.115mm光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计工程技术学院 02机械设计制造及其自动化24【摘要】本文详细分析了外部直径和内孔直径是1.70mm和 0.115mm，公差为0.03mm，同轴度要求小于等于 0.02mm 光纤连接器陶瓷插芯陶瓷粉末注射成型模具设计的关键技术及难点并提出合理的设计方案，同时分别使用UG中的MOLDWIZARD模块和Pro/ENGINEER 中的 Pro/MOLDESIGN 模块进行光纤连接器陶瓷插芯的模具设计；提出了氧化锆粉末注射喂料的流动特性和粘结剂、润滑剂及其他添加剂的配方。【关键词】光纤连接器陶瓷插芯；陶瓷粉末注射成型；UG；Pro/ENGINEER；The Injection Molding Design of Ferrule【Abstract】This paper analyzed the key technique and difficult of the Ceramicinjection molding design of ferrule which outside diameter is 1.700.03mm and inner diameter is 0.1150.03mm.The ferrules concentricity is below 0.02mm,at same timeanalyzed the reasonable scheme.UG MOLDWIZARD and Pro/MOLDESIGN is being used more and more enterprise to design mold structure. 【Key Words】Ferrule; Ceramic Injection Molding; UG; Pro/ENGINEER 教师点评：光纤连接器陶瓷插芯是光通信网络的一个重要部件，是陶瓷粉末注射成型（Ceramic Injection Molding, CIM）的产品。陶瓷插芯的生产技术被美日等发达国家垄断，陶瓷插芯毛坯全部由国外进口，注射成型模具设计在国内是个空白。该同学根据光纤连接器陶瓷插芯的结构特点，分析了其结构工艺特征和探讨了模具设计的关键技术难点；努力钻研模具设计技术、规范和方法，在现场实际调研的基础上，并提出多个模具设计方案；分别使用 UG 中的 MOLDWIZARD 模块和 Pro/ENGINEER 中的 Pro/MOLDESIGN 模块进行光纤连接器陶瓷插芯的模具设计和注射成型模拟；在毕业设计过程中，积极进取，努力工作，表现较强的独立工作能力和文字表达能力。（点评教师：李积彬，教授）一. 前言1.1 光纤连接器陶瓷插芯的主要用途及制造工艺光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，主要用于实现系统中设备间、设备2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）25与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性两个端面精密地对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。大多数的光纤连接器由三部分组成：两个配合插头（插芯）和一个耦合套筒。两个插芯装进两根光纤尾端；耦合套筒起对准的作用，套筒多配有金属或非金属法兰，以便于连接器的安装固定。根据预测，该产品的成长期到 2010年左右，以后需求将稳定。但是目前国际上只有美日等发达国家有技术生产氧化锆插芯和套筒，其毛坯生产技术在国内还是空白。 陶瓷插芯（如图 1）毛坯由于内含一个 0.1mm 的小孔，且对尺寸同心度的要求都很高，因此只有通过陶瓷末粉末注射成型(Ceramic Injection Molding)的技术才有可能。 陶瓷插芯制作工艺分两部分，即毛坯制作和精密机械加工，首先用经过特殊处理的采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料，造粒后在专用的模具中注射成型，然后经高温烧结成毛坯，第二部分则是将毛坯经一系列精密研磨加工，达到亚微米级的加工精度，从而得到刚性好，精度高的陶瓷插芯产品。1.2 陶瓷注射成型技术陶 瓷 粉 末 注 射 成 型 技 术 （ Ceramic InjectionMolding,CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，它源于 20 世纪 20 年代的一种热压铸成型技术。该技术通过加入一定量的聚合物及添加剂组元,赋予金属粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要制成各种形状的材料制品，可以对工艺过程进行精确的控制；特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量图 1：陶瓷插芯图生产来说，陶瓷的注射成形（CIM）更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异1。二.光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计2.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸和材料的选择2.1.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸1光纤连接器陶瓷插芯零件图（如图 2）2光纤连接器陶瓷插芯尺寸，如表 1 所示。表 1：陶瓷插芯尺寸外圆直径（mm）SM图 2：光纤连接器陶瓷插芯零件图MM1.7 0.03内孔直径（mm）0.115 0.03同轴度（mm）长度（mm）2.1.2 光纤连接器陶瓷插芯的材料及其配方0.127 +0.003/-0.002 0.028.0 0.3光纤连接器用插芯现在使用陶瓷注射成型技术进行大批量的生产，而所使用的陶瓷材料就是氧化锆。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）26宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；以氧化锆为主要原料的锆英石基陶瓷颜料，是高级釉料的重要成分；氧化锆的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料；氧化锆的相变增韧等特性，成为塑性陶瓷材料的宠儿；良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复合材料中性能优异的增强相。所以光纤连接器陶瓷插芯材料采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料（Y- PSZ），粘结剂配方如表 2 所示。 表 2：氧化锆标准泥浆组成22.2 型腔数目的确定为了使模具与注射机的生产能组成种类配方份数力匹配，提高生产率和经济性，并保证制件精度，加上制件的体积和质量都比较小，所以要使用一模多腔的方式。根据注射机的最大注射量确定型腔数目，其计算公式为：n=（0.8GW2）/W1 =（0.812071.454）/1.41=17.4，（查注塑成型及模具设计P77 式 7-4）陶瓷粉末钇稳定的纳米氧化锆微粉分散剂胺盐增塑剂甘油分散介质水黏合剂丙烯酸共聚物乳液固含量44黏度0.25pas1000.250.2至 77.5%泥浆3n 取 6，采用圆形排列一模六腔的方式。2.3 注射机的选择由型腔的数目，初定注塑模一次成型的氧化锆质量（制件和流道凝料质量之和）为 72.861克和总体积 12143.513 立方毫米。根据注塑模一次成型氧化锆质量和总体积，选择注塑机型号为 XS-ZS-22。其该注射机的规格和性能如表 3。表 3：注射机的规格和性能型号XS-ZS-22锁模力250kN喷嘴圆弧半径12mm额定注射量20cm3最大成型面积90 cm2喷嘴直径2mm螺杆直径20mm模板最大行程160mm注射方式双柱塞注射压力115mpa模具最大厚度180mm合模方式液压-机械注射行程130mm模具最小厚度60mm拉杆空间235mm2.4 镶针设计方案1方案 1此方案设计的镶针其结构相当于悬臂梁。如图 3 所示：2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）27图 3：镶针设计方案 1图 4：镶针设计方案 2如图 4 所示：3两个方案的比较和方案的选择2方案 2此方案设计的镶针其结构相当于简支梁。光纤连接器陶瓷插芯的制造最为关键在于插芯内孔的同轴度（ 0.02mm）,在充模时，方案 1 的镶针其结构相当于悬臂梁，若出现受力不均时，相当于悬臂梁的镶针就很容易变形，影响插芯内孔的同轴度。方案 2 的镶针其结构相当于简支梁，由于两端都受到夹持力的作用，在充模时，即使出现受力不均，其影响插芯内孔的同轴度要比方案 1 的镶针少得多。所以镶针设计选择方案 2。4. 镶针（嵌件）零件图（如图 5）图 5：镶针（嵌件）零件图 2.5 注塑模结构设计方案1方案 1采用双分型面注塑模具结构，即三板模。其开模图（图 6）及最终成型的制件流道凝料图如图 7 所示：2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）图 6：开模图 图 7：制件流道凝料图28开模方式：首先移动型芯固定板将镶针完全脱离制件，向开模方向移动 36mm。然后再连同动模板向开模方向移动 113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个开模过程。2方案 2采用单分型面注塑模具结构，即两板模。其开模图（图 8）及最终成型的制件图如图（图9）所示：图 8：开模图 图 9：制件流道凝料图 开模方式：首先移动动模板将制件完全脱离镶针, 向开模方向移动 113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个开模过程。3两个方案的比较和方案的选择（1) 在特点上，方案 1 使用传统的开模方式，型腔在定模一侧，型芯在动模一侧。而方案 2 则与传统不同，型腔在动模一侧，型芯在定模一侧，所以最终成型的制件都有所不同。两者各有特点。（2) 方案 1 使用的是三板注射模，只适用于制品的外表面、四侧壁不允许有浇口痕迹的场合。这种浇口采用点浇口、且制品由定距分型机构实现顺序分型，然后由推出机构推出。这种模具结构复杂，成本高。方案 2 使用的是两板注射模，它是注射模中最简单的一种，对2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）塑料制品成型的适应性很强，所以应用十分广泛，且成本比三板注射模要低。29（3) 在开模过程上，方案 1 采用定距分型机构实现顺序分型，较为复杂。而方案 2 开模简单，省开模的工序，生产效率更高。综上所述，注塑模结构设计采用方案二。2.6 标准模架的选择模架选用龙记模架，采用大水口系统，型号 A 类。如图 10 所示基本选择的尺寸：模 具 宽 度 （ Mold_W ） =300mm ， 模具长度（Mold_L）=300mm； 定 模 板 高 度 （ AP_h ） =50mm ， 动模板高度（BP_h）=80mm。 图 10：模架的选择2.7 浇注系统的设计2.7.1 最佳浇注口位置分析通过 Plastic Advisor 的 Gate Location Analysis 的分析、计算，以不同的颜色显示给出最佳浇口位置，如图 11 所示。 由图可以看出，在靠近底部侧壁和底部位置设置浇口比较理想。图 11：最佳浇注口位置分析2.7.2 浇口设计方案1方案 1环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯侧壁上，如图 12 所示。 图 12：浇口设计方案 12方案 22006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯底部，如图 13 所示：3两个方案的比较和方案的选择在二次加工中，要除去流道和浇口的凝料，对于方案 1，环形浇口设计在光纤连接器陶瓷插芯侧壁上，进行二次加工时可能会影响陶瓷插芯侧壁的表面光洁度和圆度，最后导致制件报废。对于方案 2，环形浇口设计30在光纤连接器陶瓷插芯底部，底部光洁度表面要求不高，且便于加工。所以浇口设计选择方案 2。3.7.3 浇口设计图 13：浇口设计方案 2对于浇口 1，采用扇形浇口（如图 14），扇形浇口分别开设在半圆形流道的两侧，熔融氧化锆泥浆在宽度方向上得到均匀分配，可降低制件内应力，减小翘曲变形。其尺寸及计算过程如下：浇口深度 H=（1/32/3）t（制件厚度 2.3mm）=0.771.53mm，H 取 1.5mm。浇口通道长度 B 取 1.3mm，浇口宽度 W1=4mm。对于浇口 2，采用环形浇口（如图 15），环形浇口开设在插芯的底部和圆形流道侧壁，由于熔融氧化图 14：扇形浇口锆泥浆环绕镶针均匀地进入型腔，充模均匀，排气效果良好，制件无熔接痕，同轴度得到很好的保证。其尺寸及计算过程如下：浇口通道长度 L 取 1mm，浇口深度 h=0.7nt=0.70.92.16=1.36mm，h 取 1.4mm。n塑料材料系数,取 0.9；t制件厚度，mm。 2.7.4 流道的设计1主流道设计主流道是熔融的氧化锆泥浆从注射机喷嘴注入模具后首先经的一段流道，主流道开设在浇口套上，截面为圆形，浇口套与模板上的孔的配合为 H7/m6，浇口套的结构如图 16 所示。对主流道的设计要求熔融氧化锆泥浆在这一段流道内流动平稳，压力损失小，并且在开模时，主流道凝料易于脱出浇口套。其具体参数计算如下：图 15：环形浇口图 16：浇口套的结构图2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）主流道小端直径 d=注射机喷嘴直径+0.5=2+0.5=2.5mm；主流道接口半径 R=喷嘴球面半径+（12）=12+1=13mm；接口配合长度 H=3mm；主浇道锥度=2u65307X主浇道长度 L=72mm。2冷料井设计冷料井采用如图倒圆锥形，是为了便于脱模，减小脱模的难度。如图 17 图 17 冷料井3分流道设计分流道截面采用梯形截面，梯形截面具有易于顶出流道凝料的优点。为便于流道加工并减少氧化锆泥浆在流道内的流动阻力，将梯形倒圆角。分流道截面图如图 18 所示： 对于流道 1，截面形状为梯形，如图所示 3-16，流道形状为直线形和半圆形，其尺寸及计算过程如下：取梯形的宽 B=5mm；那么梯形的高 A=4/55=4mm，梯形斜图 18：分流道截面角 C=6u65292X圆弧 R=1.074。31对于流道 2，截面形状为梯形，如图所示 3-16，流道形状为圆形，其尺寸及计算过程如下：取梯形的宽 B=3.45mm；那么梯形的高 A=2/33.45=2.3mm，梯形斜角 C=6u65292X圆弧R=0.741。 分流道采用圆形排列的平衡式流道布置，有利于精密制件的成型。3.3.3 流道、浇口和制件的截面图和布局图（如图 19、20 所示）图 19：流道、浇口和制件的截面图 图 20：流道、浇口和制件的布局图2.8 冷却系统的设计注射模冷却时所需要的冷却水量按该式计算：V=Gu916Xh/60C(21) =72.81615371.695/604179u65288X2520）1000=8.9310-4 mm3/min（查型腔模具设计与制造，p179）。由上述所知，因为模具每分钟所需的冷却水体积流量较小，加上制件的体积和质量都比较小，所以冷却系统的设计采用的是整体布局的方式，水孔直径 D=8mm。如图 21、22所示。2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）图 21：冷却系统的结构图图 22：冷却系统的布局图2.9 顶杆的设计与布局 由于插芯内外表面的光洁度要求很高，所以在顶杆的端面不能对准插芯，只能对准分流道，所以在每个半圆形分流道设三根顶杆，每个直线形分流道设一根顶杆，总共 24 根。顶杆直径 d=2mm，顶杆长度 L=186mm，顶杆头部直径 D=3mm。布局图如图 23 所示。 图 23 顶杆布局图三. 光纤连接器陶瓷插芯注射模具 3D 装配和 3D 爆炸图注射模具 3D 装配和 3D 爆炸图如图 24、25 所示图 24 3D 装配图图 25 3D 爆炸图四. 论文存在问题与解决设想镶针插进凹模时的对准问题分析和解决设想32由于镶针细长端的直径只有 0.163mm，直径太小，在镶针插进凹模时可能会出现不能对准导致不能插进凹模而且还损坏镶针。我的解决设想是如果可以的话尽量提高氧化锆的收缩率，使镶针细长端的直径能够增2006 届优秀毕业论文（设计）选（理科卷）33大，大大提高对准性；如果不能提高氧化锆的收缩率的话，可在凹模上装滑块装置，当镶针插入时滑块移动使凹模上的孔扩大从而镶针能够顺利插入，当镶针完全插入后，滑块再次移动使凹模上的孔缩小夹紧镶针，当要取出镶针时滑块移动扩大凹模上的孔，使镶针顺利移出。 以上就是我对论文存在问题与解决设想。希望日后经验积累后，我能将这些设想变成现实。五. 总结通过这次毕业设计，我觉得自己在各方面都有了很大的提高，在知识上，学到了模具设计软件、注射模具设计、陶瓷粉末成型技术、氧化锆及光纤连接器陶瓷插芯的知识，不仅跟加巩固机械方面的知识，还学到了一些材料的知识。在思想上，培养吃苦耐劳的精神和积极解决任何困难的精神。这些方面的提高都对我日后的社会工作有很大的帮助，为日后的工作打下良好的基础。【参考文献】1R M German. Powder injection molding.ASBNo-918404-95-9.Printed in United States of America 2 沈一丁，李小瑞.陶瓷添加剂.北京：化学工业出版社，20043聂妍，李益民，李笃信.陶瓷注射成型技术进展.中国陶瓷工业，2003.10(2)：55-594岩桥俊之（日.工程陶瓷的注射成形.模具技术，1990（2）：54-645Whalen T J，Johnson C F. Injection molding of ceramics. Am Ceram Soc Bull，1981.60：2166M Inoue，Y Kihara，Y Arakida. Injection moulding machine for high-performance ceramics. Interceram，1989.2：53-577刘昌祺.塑料模具设计.北京：机械工业出版社，19988李中和，张典奎，叶桌麟.陶瓷原料与瓷相分析.浙江：浙江大学出版社，19899曲远方.功能陶瓷材料.北京：化学工业出版社，200410朱光力，万金保.塑料模具设计.北京：清华大学出版社，200311李海梅，申长雨.注射成型及模具设计实用技术.北京：化学工业出版社，200212冯江涛，夏风，肖建中.陶瓷注射成型技术及其新进展.中国陶瓷，2003.39(2)：34-3713章飞，陈国平.型腔模具设计与制造.北京：化学工业出版社，2003付：外文翻译 电火花加工 电火花加工法对加工超韧性的导电材料（如新的太空合金）特别有价值。这些金属很难用常规方法加工，用常规的切削刀具不可能加工极其复杂的形状，电火花加工使之变得相对简单了。在金属切削工业中，这种加工方法正不断寻找新的应用领域。塑料工业已广泛使用这种方法，如在钢制模具上加工几乎是任何形状的模腔。 电火花加工法是一种受控制的金属切削技术，它使用电火花切除（侵蚀）工件上的多余金属，工件在切削后的形状与刀具（电极）相反。切削刀具用导电材料（通常是碳）制造。电极形状与所需型腔想匹配。工件与电极都浸在不导电的液体里，这种液体通常是轻润滑油。它应当是点的不良导体或绝缘体。 用伺服机构是电极和工件间的保持0.00050.001英寸（0.010.02mm）的间隙，以阻止他们相互接触。频率为20000Hz左右的低电压大电流的直流电加到电极上，这些电脉冲引起火花，跳过电极与工件的见的不导电的液体间隙。在火花冲击的局部区域，产生了大量的热量，金属融化了，从工件表面喷出融化金属的小粒子。不断循环着的不导电的液体，将侵蚀下来的金属粒子带走，同时也有助于驱散火花产生的热量。 在最近几年，电火花加工的主要进步是降低了它加工后的表面粗糙度。用低的金属切除率时，表面粗糙度可达24vin.(0.050.10vin)。用高的金属切除率如高达15in3/h(245.8cm3/h)时，表面粗糙度为1000vin.(25vm)。 需要的表面粗糙度的类型，决定了能使用的安培数,电容,频率和电压值。快速切除金属（粗切削）时，用大电流,低频率,高电容和最小的间隙电压。缓慢切除金属（精切削）和需获得高的表面光洁度时，用小电流,高频率,低电容和最高的间隙电压。 与常规机加工方法相比，电火花加工有许多优点。 1 . 不论硬度高低，只要是导电材料都能对其进行切削。对用常规方法极难切削的硬质合金和超韧性的太空合金，电火化加工特别有价值。 Electrical discharge machiningElectrical discharge machining has proved especially valuable in the machining of super-tough, electrically conductive materials such as the new space-age alloys. These metals would have been difficult to machine by conventional methods, but EDM has made it relatively simple to machine intricate shapes that would be impossible to produce with conventional cutting tools. This machining process is continually finding further applications in the metal-cutting industry. It is being used extensively in the plastic industry to produce cavities of almost any shape in the steel molds. Electrical discharge machining is a controlled metal removal technique whereby an electric spark is used to cut (erode) the workpiece, which takes a shape opposite to that of the cutting tool or electrode. The cutting tool (electrode) is made from electrically conductive material, usually carbon. The electrode, made to the shape of the cavity required, and the workpiece are both submerged in a dielectric fluid, which is generally a light lubricating oil. This dielectric fluid should be a nonconductor (or poor conductor) of electricity. A servo mechanism maintains a gap of about 0.0005 to 0.001 in. (0.01 to 0.02 mm) between the electrode and the work, preventing them from coming into contact with each other. A direct current of low voltage and high amperage is delivered to the electrode at the rate of approximately 20 000 hertz (Hz). These electrical energy impulses become sparks which jump the dielectric fluid. Intense heat is created in the localized area of the park impact, the metal melts and a small particle of molten metal is expelled from the surface of the workpiece . The dielectric fluid, which is constantly being circulated, ca