1.绪论
1.1.1课题背景
制造领域中微型化趋势的不断发展，特别是微机电系统(MEMs)技术在各工业领域的应用，使得以单一的硅基材料制作的微小制件，己不能满足不同领域微系统产品对微型制件性能和质量的要求。高聚物材料因其具有质量轻、力学性能高、耐腐蚀、生物相容性和光学透明性好以及易于成形加工等特点，使其在电子、通讯、汽车、航空航天、精密仪器以及生物医疗等领域的微系统产品中获得了广泛应用。尤其以微注塑成型方法成形的微型塑件，因其体积微小，尺寸精密，以及适合于大批量生产等特点，成为MEMS领域微小制件的主要成型方法。微注射成型技术虽经历了20多年的发展，但到目前为止，学术界对于微注塑成型技术的概念还没有统一的认识，多数研究者都是从成型微小尺寸与微小体积塑件开始研究的。Kuklac等从微型塑件的角度给出了微注塑成型技术的概念，即微注射成型技术应能够成型以下类型的塑件:(1)以毫克为单位的塑件，但其尺寸精度并不一定要达到微米级水平;(2)不以毫克为单位的塑件，但其尺寸精度要达到微米级水平;(3)以毫克为单位的塑件，但其尺寸精度亦需达到微米级水平;(4)不以毫克为单位的塑件，但其局部微结构如孔、槽等要达到微米级尺寸。据此，微注射成型技术成型的塑件可大致分为微小尺寸塑件和局部带有微结构的塑件两类。但随着微纳米技术的发展和微细加工技术的不断完善，微型塑件的尺寸将会更小，精度要求也将会越来越高。
1.2微注塑成型技术国内外研究概况
微注塑成型从诞生到如今虽然仅仅走过二十几年的发展历程，但由于其成型特点以及发展潜力，无论国外还是国内，在微注塑成型的相关领域都进行了大量的研究。尤其是近年来，伴随着LIGA技术、微细放电加工(EDM)、激光加工和精密铣削技术等先进微型模具加工技术的发展，为微注塑成型技术的发展提供了有力的支持。微注塑成型技术主要包括微注塑成型熔体流动理论、微注塑成型工艺、微注塑模具设计与制造、微注塑成型材料、微注塑成型设备以及微注塑数值模拟技术等。尤其在微注塑成型熔体流动理论、微注塑成型工艺、微注塑模具的制造这三个方面，取得了较大的进步。
用数值模拟方法，研究了微通道粘度、壁面滑移和对流换热对微通道内熔体流动的影响关系，并与试验数据进行比较。结果表明，微流道内的熔体粘度明显小于传统理论下的粘度值，且与微通道的特征尺寸成正比。随微流道特征尺寸的减小，壁面滑移系数明显减小，滑移速度则增大。
1.2.2微注塑成型工艺
受微尺度效应的影响，熔体在浇注系统内的流动行为以及微型腔的填充过程发生了改变，因此，传统的注射成型工艺条件确定原则并不能满足微注塑成型的要求，模具温度、注射压力、注射速度、熔体温度、保压压力、保压时间等工艺参数对微型腔填充的影响规律也与传统注塑成型有所不同。美国加利福尼亚大学SuYc等用模拟和实验手段，研究了工艺参数对凹型微结构填充效果的影响。发现模具温度是影响微结构成型的主要因素，由于微结构表面积与体积比较大，模具温度低于材料的玻璃化转变温度，则边界处很容易产生冷凝层，从而阻止熔体的进一步填充。并发现对型腔抽真空有助于提高成型质量。美国俄亥俄州立大学xuGJ等l’礴]对各种因素对微通道填充长度的影响进行了研究。结果表明，影响微通道中熔体充填长度的主要因素是注射速度、模具温度、熔体材料以及微通道在模具型腔中的位置。并且降低模具和熔体的热传导率，微通道的填充长度会提高。英国卡迪夫大学shaB等通过改变熔体温度、模具温度、注射速度、保压压力4个工艺参数以及微结构尺寸，研究其对微结构复制度的影响。发现对于PP和ABS材料，影响复制度的主要因素是熔体温度和注射速度，但对于POM材料，除了熔体温度和注射速度外，模具温度的影响同样重要。随着微结构的尺寸变大，熔体的流动性能会提高，但并不是线性关系。
德国克劳斯塔尔工业大学xieL等在具有大长径比的细长型腔的两端设置浇口，用PP材料，进行填充实验，并通过建立可视化装置，观察熔接痕的形成过程，结果表明，在注塑机锁模力一定的情况下，模具温度是影响型腔填充的主要因素，模具温度如果低于材料的玻璃化转变温度，型腔填充率较低。丹麦科技大学ejjalcuA等实验研究了影响微结构成型质量的因素。结果表明，在微注塑成型过程中影响微结构复制质量的成型工艺条件中，模具温度最重要，高的模具温度可以提高微结构的复制精度。并通过大量实验验证表明，在一定范围内，微结构的复制质量与型腔尺寸有一定线性关系，微通道越宽，熔体流动性越好，复制质量越高。
芬兰约恩苏大学Kalimav等通过加工不同沟槽宽度的光栅微模具型腔，保持熔体温度和模具温度不变，改变成型材料和注射速度、保压压力等工艺参数，研究沟槽填充的效果，结果表明，对SOOnln到1000nln宽度的沟槽来说，注射速度、注射量和成型材料的影响程度最显著。台湾国立高雄第一科技大学HuangMs等，构建电磁感应加热装置快速加热模具，使模具表面温度在35内便能升高到所需温度，显著减小了塑件的残余应力，当模具温度高于材料玻璃化转化温度后，微结构的复制度达到95%。台湾国立交通大学LiouAc等用PP、PMMA、HDPE材料，研究注塑工艺参数对大长径比微通道填充率的影响，发现相对于传统注塑来说，模具温度要求较高，并且模具温度的升高，可以显著降低对注塑机承载能力的要求。同时，注射压力是获得高型腔填充率的重要因素，但填充率的增加幅度，随着注射压力的提高逐渐变小。
2微注塑成型基本理论
微注塑成型是通过精密的微注塑成型机，将受热后成为熔融状态的塑料原料，以一定的压力和速度注入微模具型腔中，经过冷却后而得到具有一定形状和尺寸的微小精密制品的过程。微注塑成型技术与传统注塑相比，塑件尺寸小，相应的浇注系统的流道和浇口尺寸小，熔体填充质量小，所含的热量少，导致影响熔体充模流动的因素与传统的注塑成型不同。如果微注塑成形技术简单地套用宏观注塑成型理论，则难以满足微注塑成型件的使用性能和经济性能。因此，微注塑成型需要从微观角度研究熔体在微通道内的流动规律，从而分析各种因素对微小塑件成型质量的影响。
2.1熔体充模流动基本方程
微模具型腔的填充过程就是聚合物熔体在注射压力作用下在微通道内的流动过程，根据熔体在流动过程中粘度随切应力或剪切速率的改变而产生的不同变化性质，聚合物熔体分为牛顿型和非牛顿型两大类。
3 微注塑模具浇注系统设计研究........................... 26-51
3.1 浇口尺寸对微注塑模具型腔填充性........................... 26-43
3.1.1 实验塑件的选择与分析........................... 26
3.1.2 实验模具设计与制造........................... 26-30
3.1.3 试验设备、仪器和材料 ...........................30-33
3.1.4 实验方法与内容 ...........................33-38
3.1.5 实验结果分析与讨论........................... 38-43
3.2 流道截面尺寸对微注塑模具型腔........................... 43-51
3.2.1 实验方法与内容........................... 43-45
3.2.2 实验结果分析与讨论........................... 45-51
4 微齿轮塑件注塑模具型腔填充性能影响........................... 51-66
4.1 微齿轮模具浇注系统的设计 ...........................51-52
4.2 微齿轮型腔镶块加工及成型材料........................... 52-53
4.3 微齿轮塑件注塑成型实验........................... 53-62
4.3.1 实验设备及材料........................... 53-54
4.3.2 实验内容........................... 54-62
4.4 实验结果分析与讨论 ...........................62-66
结论
受微尺度因素影响，聚合物熔体在微型腔内的流动行为发生了改变，使得微注塑模具浇注系统的设计要求与常规注塑模具不同。本文借鉴微注塑成型技术的研究成果，以微型圆片塑件为对象，研究了微注塑模具浇注系统的浇口和流道截面尺寸对微模具型腔填充率的影响，分析了各工艺参数对微型腔填充率的影响规律。并以微型齿轮塑件为例，进行了微注塑模具浇注系统设计分析和成形实验。研究工作的主要结论如下:
(l)实验研究表明，微注塑成型中，浇口尺寸设计对微注塑模具型腔填充率及塑件质量影响十分明显，浇口尺寸的任何微小变化，都会导致微型腔填充率的较大差异。相对于浇口尺寸的影响来说，流道截面尺寸对微型腔填充率的影响较小。对于侧浇口微型模具，当塑件尺寸在l~:左右时，其浇口厚度尺寸最小不应小于塑件壁厚的1/2，最大不应超过塑件壁厚;浇口长度尺寸一般不大于500”m。
(2)与传统注塑成型相比，微注塑成型的工艺参数取值要高的多。当浇口和流道截面尺寸一定时，提高注射压力、注射速度、熔体温度和模具温度，能够显著提高型腔的填充率，其中模具温度对微型腔填充率的作用更明显，对于尺寸小于lmm的塑件，成形时的模具温度应接近或高于材料的玻璃化转变温度。但增加保压压力和保压时间对微型腔填充率的提高作用不明显。
(3)对PP和POM材料的成形实验结果表明，聚合物材料的流变性能对微型腔填充率的影响也很明显;其中，POM材料的粘度相对较小，同样浇口和流道尺寸及成形工艺条件下，其型腔填充率高于PP材料。但对粘度大、散热快的材料，需要较大的浇口和流道截面尺寸。
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