聚合物微型机械模内组装成型的实验研究

摘要

聚合物微型机械模内微组装成型是有效解决微型机械微装配机械加工的技术瓶颈的新型成型技术，然而聚合物微型机械模内微组装成型过程中聚合物高温黏弹性熔体流动与预成型固体微型零件会形成热流固耦合作用，由此而诱发预成型固体微型零件产生热流固耦合变形和频现颈缩熔断现象，如何精确控制和预测热流固耦合变形和预防颈缩熔断现象是聚合物微型机械模内微组装成型实现工业化应用的关键科学问题。为此，本文基于研制的可变组合模具和Auto model FB-110C塑料共注射出成型机构建了聚合物微型机械模内微组装成型实验研究平台，依此系统开展了过程工艺参数和聚合物材料性能对内微组装成型热流固耦合变形和颈缩熔断现象的影响规律和影响机理的研究，明晰了其关键调控参数，为研究开发模内微组装成热流固耦合变形精密控形技术和颈缩熔断现象预防技术奠定了科学基础。
　　本研究主要内容包括：⑴研制了典型微型移动运动副模内微组装成型可变组合模具，再基于Auto model FB-110C塑料共注射出成型机构建了聚合物微型机械模内微组装成型实验研究平台；⑵研究了二次熔体注射成型温度、注射压力和螺杆行程对预成型微型轴频现颈缩熔断的影响规律，研究结果表明预成型微型圆轴熔断的关键调控参数是二次成型熔体注射量，当二次成型熔体注射量超过其临界注射量，就会诱发预成型微型圆轴的颈缩熔断，而诱发预成型微型圆轴的颈缩熔断的二次成型熔体临界注射量受控于二次成型熔体注射温度，与二次成型熔体注射温度显正关联关系，提高二次成型熔体注射温度有利于提高诱发预成型微型圆轴的颈缩熔断的二次成型熔体临界注射量，从而可以增加模内微组装成型二次成型件的密实度和强度，同时又可避免出现预成型微型轴的颈缩熔断现象；⑶研究结果表明微型轴单向颈缩熔断可能的途径主要由二方面因素：一是轴向拉伸力过大，二是在二次成型过程中预成型微型轴近表面温度过大，导致局部融化和弹性模量急剧下降。随着注射量增大，二次成型高温熔体与预成型微型轴接触传热时间延长，必然导致预成型微型轴近表面温度随着螺杆行程增大而增大，当预成型微型轴近表面温度跨越其玻璃化温度，预成型的固体零件微装配面局部经历从弹塑性固态、黏弹塑性玻璃态、黏弹性高弹态的连续固相相变演化过程，从而导致弹性模量急剧下降，使其丧失抗变形的能力，这必然会导致聚合物材料预成型的固体零件微装配面局部连续固相相变演化区在拉伸力作用下形成颈缩，当拉力达到一定程度，就会产生颈缩熔断现象，为了使预成型微型轴近表面温度不跨越玻璃化温度，就要求其二次成型的注射量不超过其临界注射量。基于上述机理，研究提出的有关预成型微型轴颈缩熔断形成机理理论和预防预成型微型轴的颈缩熔断技术方法，为聚合物微型机械模内微组装成技术的工业化应用提供了技术支撑；⑷研究结果表明预成型微型轴的热流固耦合变形受控于二次熔体注射量、注射压力和注射量和微型轴材料性能参数，而过程参数是通过调节预成型微型轴微装配面承受的的热流固耦合冲击压力、弹性支撑流动正应力和黏弹性流动黏性拖曳剪切力和微型轴抗变形刚度影响其热流固耦合变形，热流固耦合变形随着二次熔体注射温度、注射压力和螺杆行程增大而增加，并基于热流固耦合冲击压力、弹性支撑流动正应力，黏弹性流动黏性拖曳剪切力和微型轴抗变形刚度关键因素，揭示了预成型微型轴的热流固耦合变形形成机理。

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第1章 绪论

1.1 选题依据及选题意义

1.2 微注塑成型研究进展

1.3 微注塑模具的研究进展

1.4 模内组装成型研究进展

1.5 本文研究内容

第2章 实验设备模具及实验工艺过程

2.1 实验设备

2.2 实验模具的设计

2.3 实验材料

2.4 实验步骤

2.5 本章小结

第3章 模内组装成型二次黏弹性熔体充填流动数值模拟

3.1 微型轴周围黏弹性熔体充填流动应力模拟

3.2 模内组装成型微型轴热流固耦合数值模拟

3.3 本章小结

第4章 聚合物模内组装成型微型轴熔断实验研究

4.1 Φ3mmHDPE圆轴注射量与温度对熔断的影响

4.2 2mm×2mmHDPE方轴注射量与温度对熔断影响

4.3 Φ3mmABS圆轴注射量与温度对熔断影响

4.4 2mm×2mmABS方轴压力与温度对熔断影响

4.5 颈缩熔断机理分析及预防

4.6 本章小结

第5章 模内组装成型微型轴热流固耦合变形实验研究

5.1 熔体温度对微型轴热流固耦合变形的影响

5.2 注射压力对微型轴热流固耦合变形的影响

5.3 注射量对微型轴热流固耦合变形的影响

5.4 本章小结

第6章 结论和展望

6.1 本文结论

6.2 展望

致谢

参考文献