1、注射模具設計【摘要】光纖連接器陶瓷插芯作為光纖連接器的主要部分是光通信網(wǎng)絡的一個重要成分。目前光纖連接器陶瓷插芯使用的是陶瓷粉末注射成型（Ceramic Injection Molding, CIM）的成型方法，陶瓷插芯的外部直徑和內(nèi)孔直徑是1.70mm和0.115mm，公差均為0.03mm，同軸度要求小于等于0.02mm。光纖連接器陶瓷插芯生產(chǎn)技術(shù)幾乎被美日等發(fā)達國家壟斷，大部分陶瓷插芯毛坯由這些國家進口，其模具設計在國內(nèi)更是個空白。本文根據(jù)光纖連接器陶瓷插芯的結(jié)構(gòu)特點，分析了其結(jié)構(gòu)工藝和探討了模具設計的關(guān)鍵技術(shù)及難點，并提出多個模具設計方案；分別使用UG中的MOLDWIZARD模塊和Pro

2、/ENGINEER中的Pro/MOLDESIGN模塊進行光纖連接器陶瓷插芯的模具設計；提出了氧化鋯粉末注射喂料的流動特性和粘結(jié)劑、潤滑劑及其他添加劑的配方?！娟P(guān)鍵詞】光纖連接器陶瓷插芯；陶瓷粉末注射成型；UG；Pro/ENGINEER；The Injection Molding Design of Ferrule【Abstract】The ferrule which are the key parts for optical connectors as develop are a key component for optical communication network . The fie

3、ld of information technologys industries has greatly changed and developed so dramatically. Use Ceramic Injection Molding to form the ferrule. The ferrules outside diameter is 1.700.03mm and inner diameter is 0.1150.03mm.The ferrules concentricity is below 0.02mm.The ferrules technique almost is con

4、trolled by the Japan and the United States. And the molding designs are blank in the domestic.According to the structural characteristics of the ferrule, the manufacturability of the mold structure was analyzed and the key technique and difficult of the molding design were studied. UG MOLDWIZARD and

5、 Pro/MOLDESIGN is being used more and more enterprise to design mold structure. 【Key Words】Ferrule, Ceramic Injection Molding教師點評：光纖連接器陶瓷插芯是光通信網(wǎng)絡的一個重要部件，是陶瓷粉末注射成型（Ceramic Injection Molding, CIM）的產(chǎn)品。陶瓷插芯的生產(chǎn)技術(shù)被美日等發(fā)達國家壟斷，陶瓷插芯毛坯全部由國外進口，注射成型模具設計在國內(nèi)是個空白。該同學根據(jù)光纖連接器陶瓷插芯的結(jié)構(gòu)特點，分析了其結(jié)構(gòu)工藝特征和探討了模具設計的關(guān)鍵技術(shù)難點；努力鉆研模具

6、設計技術(shù)、規(guī)范和方法，在現(xiàn)場實際調(diào)研的基礎(chǔ)上，并提出多個模具設計方案；分別使用UG中的MOLDWIZARD模塊和Pro/ENGINEER中的Pro/MOLDESIGN模塊進行光纖連接器陶瓷插芯的模具設計和注射成型模擬；在畢業(yè)設計過程中，積極進取，努力工作，表現(xiàn)較強的獨立工作能力和文字表達能力。一. 前言1.1 光纖連接器陶瓷插芯的主要用途及制造工藝光纖連接器是光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的無源器件，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)中設備間、設備與儀表間、設備與光纖間以及光纖與光纖間的非永久性兩個端面精密地對接起來，使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中。大多數(shù)的光纖連接器由三部分組成：兩個配合插頭（插芯）

7、和一個耦合套筒。兩個插芯裝進兩根光纖尾端；耦合套筒起對準的作用，套筒多配有金屬或非金屬法蘭，以便于連接器的安裝固定。根據(jù)預測，該產(chǎn)品的成長期到2010年左右，以后需求將穩(wěn)定。但是目前國際上只有美日等發(fā)達國家有技術(shù)生產(chǎn)氧化鋯插芯和套筒，其毛坯生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)還是空白。 陶瓷插芯（如圖1）毛坯由于內(nèi)含一個的小孔，且對尺寸同心度的要求都很高，因此只有通過陶瓷末粉末注射成型(Ceramic Injection Molding)的技術(shù)才有可能。 陶瓷插芯制作工藝分兩部分，即毛坯制作和精密機械加工，首先用經(jīng)過特殊處理的采用釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體原料，造粒后在專用的模具中注射成型，然后經(jīng)高溫燒結(jié)成毛坯，第二部

8、分則是將毛坯經(jīng)一系列精密研磨加工，達到亞微米級的加工精度，從而得到剛性好，精度高的陶瓷插芯產(chǎn)品。1.2 陶瓷注射成型技術(shù)圖1：陶瓷插芯圖陶瓷粉末注射成型技術(shù)（Ceramic Injection Molding,CIM）是近代粉末注射成型技術(shù)的一個分支，它源于20世紀20年代的一種熱壓鑄成型技術(shù)。該技術(shù)通過加入一定量的聚合物及添加劑組元,賦予金屬粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流動性，采用注射成型技術(shù)根據(jù)需要制成各種形狀的材料制品，可以對工藝過程進行精確的控制；特別是對于尺寸精度高、復雜形狀陶瓷制品的大批量生產(chǎn)來說，陶瓷的注射成形（CIM）更有著顯著的優(yōu)勢，它可一次性成形復雜形狀制品，產(chǎn)品尺寸精度高

9、，無需機械加工或只需微量加工，易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化且產(chǎn)品性能優(yōu)異1。二. 光纖連接器陶瓷插芯注射模具設計2.1 光纖連接器陶瓷插芯尺寸和材料的選擇 光纖連接器陶瓷插芯尺寸1光纖連接器陶瓷插芯零件圖（如圖2）2光纖連接器陶瓷插芯尺寸，如表1所示。圖2：光纖連接器陶瓷插芯零件圖表1：陶瓷插芯尺寸SMMM外圓直徑（mm）內(nèi)孔直徑（mm）同軸度（mm）長度（mm） 光纖連接器陶瓷插芯的材料及其配方光纖連接器用插芯現(xiàn)在使用陶瓷注射成型技術(shù)進行大批量的生產(chǎn)，而所使用的陶瓷材料就是氧化鋯。在各種金屬氧化物陶瓷材料中，氧化鋯的高溫熱穩(wěn)定性、隔熱性能最好，最適宜做陶瓷涂層和高溫耐火制品；以氧化鋯為主要原料的鋯英石

10、基陶瓷顏料，是高級釉料的重要成分；氧化鋯的熱導率在常見的陶瓷材料中最低，而熱膨脹系數(shù)又與金屬材料較為接近，成為重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料；特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使之成為重要的電子材料；氧化鋯的相變增韌等特性，成為塑性陶瓷材料的寵兒；良好的機械性能和熱物理性能，使它能夠成為金屬基復合材料中性能優(yōu)異的增強相。所以光纖連接器陶瓷插芯材料采用釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體原料（Y- PSZ），粘結(jié)劑配方如表2所示。 表2：氧化鋯標準泥漿組成2組成配方種類份數(shù)陶瓷粉末釔穩(wěn)定的納米氧化鋯微粉100分散劑胺鹽增塑劑甘油分散介質(zhì)水至77.5%泥漿黏合劑丙烯酸共聚物乳液3固含量44黏度s2.2 型腔數(shù)目的確定W2）/W112071.

11、454）/1.41=17.4，（查注塑成型及模具設計P77式7-4）n取6，采用圓形排列一模六腔的方式。2.3 注射機的選擇由型腔的數(shù)目，初定注塑模一次成型的氧化鋯質(zhì)量（制件和流道凝料質(zhì)量之和）為和總體積12143.513立方毫米。 根據(jù)注塑模一次成型氧化鋯質(zhì)量和總體積，選擇注塑機型號為XS-ZS-22。其該注射機的規(guī)格和性能如表3。表3：注射機的規(guī)格和性能型號額定注射量螺桿直徑注射壓力注射行程XS-ZS-2220cm320mm115mpa130mm鎖模力最大成型面積模板最大行程模具最大厚度模具最小厚度250kN90 cm2160mm180mm60mm噴嘴圓弧半徑噴嘴直徑注射方式合模方式拉桿空

12、間12mm2mm雙柱塞液壓-機械235mm2.4 鑲針設計方案1方案1此方案設計的鑲針其結(jié)構(gòu)相當于懸臂梁。如圖3所示： 圖4：鑲針設計方案2圖3：鑲針設計方案12方案2此方案設計的鑲針其結(jié)構(gòu)相當于簡支梁。如圖4所示：3兩個方案的比較和方案的選擇光纖連接器陶瓷插芯的制造最為關(guān)鍵在于插芯內(nèi)孔的同軸度（mm）,在充模時，方案1的鑲針其結(jié)構(gòu)相當于懸臂梁，若出現(xiàn)受力不均時，相當于懸臂梁的鑲針就很容易變形，影響插芯內(nèi)孔的同軸度。方案2的鑲針其結(jié)構(gòu)相當于簡支梁，由于兩端都受到夾持力的作用，在充模時，即使出現(xiàn)受力不均，其影響插芯內(nèi)孔的同軸度要比方案1的鑲針少得多。所以鑲針設計選擇方案2。4. 鑲針（嵌件）零件

13、圖（如圖5）圖5：鑲針（嵌件）零件圖2.5 注塑模結(jié)構(gòu)設計方案1方案1采用雙分型面注塑模具結(jié)構(gòu)，即三板模。其開模圖（圖6）及最終成型的制件流道凝料圖如圖7所示： 圖6：開模圖 圖7：制件流道凝料圖開模方式：首先移動型芯固定板將鑲針完全脫離制件，向開模方向移動36mm。然后再連同動模板向開模方向移動113mm。最后用頂出機構(gòu)將制件頂出，完成整個開模過程。2方案2采用單分型面注塑模具結(jié)構(gòu)，即兩板模。其開模圖（圖8）及最終成型的制件圖如圖（圖9）所示：圖8：開模圖 圖9：制件流道凝料圖 開模方式：首先移動動模板將制件完全脫離鑲針, 向開模方向移動113mm。最后用頂出機構(gòu)將制件頂出，完成整個開模過程

14、。3兩個方案的比較和方案的選擇（1) 在特點上，方案1使用傳統(tǒng)的開模方式，型腔在定模一側(cè)，型芯在動模一側(cè)。而方案2則與傳統(tǒng)不同，型腔在動模一側(cè)，型芯在定模一側(cè)，所以最終成型的制件都有所不同。兩者各有特點。（2) 方案1使用的是三板注射模，只適用于制品的外表面、四側(cè)壁不允許有澆口痕跡的場合。這種澆口采用點澆口、且制品由定距分型機構(gòu)實現(xiàn)順序分型，然后由推出機構(gòu)推出。這種模具結(jié)構(gòu)復雜，成本高。方案2使用的是兩板注射模，它是注射模中最簡單的一種，對塑料制品成型的適應性很強，所以應用十分廣泛，且成本比三板注射模要低。（3) 在開模過程上，方案1采用定距分型機構(gòu)實現(xiàn)順序分型，較為復雜。而方案2開模簡單，省

15、開模的工序，生產(chǎn)效率更高。綜上所述，注塑模結(jié)構(gòu)設計采用方案二。2.6 標準模架的選擇模架選用龍記模架，采用大水口系統(tǒng)，型號A類。如圖10所示基本選擇的尺寸：模具寬度（Mold_W）=300mm， 模具長度（Mold_L）=300mm； 定模板高度（AP_h）=50mm， 動模板高度（BP_h）=80mm。 圖10：模架的選擇2.7 澆注系統(tǒng)的設計 最佳澆注口位置分析通過Plastic Advisor的Gate Location Analysis的分析、計算，以不同的顏色顯示給出最佳澆口位置，如圖11所示。 由圖可以看出，在靠近底部側(cè)壁和底部位置設置澆口比較理想。圖11：最佳澆注口位置分析 澆口

16、設計方案1方案1環(huán)形澆口設計在光纖連接器陶瓷插芯側(cè)壁上，如圖12所示。 圖12：澆口設計方案12方案2環(huán)形澆口設計在光纖連接器陶瓷插芯底部，如圖13所示： SHAPE * MERGEFORMAT 3兩個方案的比較和方案的選擇圖13：澆口設計方案2在二次加工中，要除去流道和澆口的凝料，對于方案1，環(huán)形澆口設計在光纖連接器陶瓷插芯側(cè)壁上，進行二次加工時可能會影響陶瓷插芯側(cè)壁的表面光潔度和圓度，最后導致制件報廢。對于方案2，環(huán)形澆口設計在光纖連接器陶瓷插芯底部，底部光潔度表面要求不高，且便于加工。所以澆口設計選擇方案2。 澆口設計對于澆口1，采用扇形澆口（如圖14），扇形澆口分別開設在半圓形流道的兩

17、側(cè)，熔融氧化鋯泥漿在寬度方向上得到均勻分配，可降低制件內(nèi)應力，減小翹曲變形。其尺寸及計算過程如下：澆口深度H=（1/32/3）t（制件厚度2.3mm）=0.771.53mm，H取1.5mm。圖14：扇形澆口澆口通道長度B取，澆口寬度W1=4mm。對于澆口2，采用環(huán)形澆口（如圖15），環(huán)形澆口開設在插芯的底部和圓形流道側(cè)壁，由于熔融氧化鋯泥漿環(huán)繞鑲針均勻地進入型腔，充模均勻，排氣效果良好，制件無熔接痕，同軸度得到很好的保證。其尺寸及計算過程如下：2.16=1.36mm，h取1.4mm。n塑料材料系數(shù),取0.9；t制件厚度，mm。 流道的設計圖15：環(huán)形澆口1主流道設計主流道是熔融的氧化鋯泥漿從注

18、射機噴嘴注入模具后首先經(jīng)的一段流道，主流道開設在澆口套上，截面為圓形，澆口套與模板上的孔的配合為H7/m6，澆口套的結(jié)構(gòu)如圖16所示。對主流道的設計要求熔融氧化鋯泥漿圖16：澆口套的結(jié)構(gòu)圖在這一段流道內(nèi)流動平穩(wěn)，壓力損失小，并且在開模時，主流道凝料易于脫出澆口套。其具體參數(shù)計算如下：主流道小端直徑d=注射機噴嘴直徑+0.5=2+0.5=2.5mm；主流道接口半徑R=噴嘴球面半徑+（12）=12+1=13mm；接口配合長度H=3mm；主澆道錐度=2；主澆道長度L=72mm。2冷料井設計冷料井采用如圖倒圓錐形，是為了便于脫模，減小脫模的難度。如圖17 圖17冷料井3分流道設計分流道截面采用梯形截面

19、，梯形截面具有易于頂出流道凝料的優(yōu)點。為便于流道加工并減少氧化鋯泥漿在流道內(nèi)的流動阻力，將梯形倒圓角。分流道截面圖如圖18所示： 圖圖18：分流道截面對于流道1，截面形狀為梯形，如圖所示3-16，流道形狀為直線形和半圓形，其尺寸及計算過程如下：取梯形的寬B=5mm；那么梯形的高A=4/55=4mm，梯形斜角C=6，圓弧R=1.074。對于流道2，截面形狀為梯形，如圖所示3-16，流道形狀為圓形，其尺寸及計算過程如下：取梯形的寬B=3.45mm；那么梯形的高A=2/33.45=2.3mm，梯形斜角C=6，圓弧R=0.741。 分流道采用圓形排列的平衡式流道布置，有利于精密制件的成型。 流道、澆口

20、和制件的截面圖和布局圖（如圖19、20所示）圖19：流道、澆口和制件的截面圖 圖20：流道、澆口和制件的布局圖2.8 冷卻系統(tǒng)的設計注射模冷卻時所需要的冷卻水量按該式計算：V=Gh/60C(24179（2520）10-4 mm3/min（查型腔模具設計與制造，p179）。由上述所知，因為模具每分鐘所需的冷卻水體積流量較小，加上制件的體積和質(zhì)量都比較小，所以冷卻系統(tǒng)的設計采用的是整體布局的方式，水孔直徑D=8mm。如圖21、22所示。圖21：冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 圖22：冷卻系統(tǒng)的布局圖2.9 頂桿的設計與布局 由于插芯內(nèi)外表面的光潔度要求很高，所以在頂桿的端面不能對準插芯，只能對準分流道，所以在每

21、個半圓形分流道設三根頂桿，每個直線形分流道設一根頂桿，總共24根。頂桿直徑d=2mm，頂桿長度L=186mm，頂桿頭部直徑D=3mm。布局圖如圖23所示。 圖23頂桿布局圖三. 光纖連接器陶瓷插芯注射模具3D裝配和3D爆炸圖注射模具3D裝配和3D爆炸圖如圖24、25所示圖24 3D裝配圖 圖25 3D爆炸圖四. 論文存在問題與解決設想鑲針插進凹模時的對準問題分析和解決設想由于鑲針細長端的直徑只有0.163mm，直徑太小，在鑲針插進凹模時可能會出現(xiàn)不能對準導致不能插進凹模而且還損壞鑲針。我的解決設想是如果可以的話盡量提高氧化鋯的收縮率，使鑲針細長端的直徑能夠增大，大大提高對準性；如果不能提高氧化鋯的收縮率的話，可在凹模上裝滑塊裝置，當鑲針插入時滑塊移動使凹模上的孔擴大從而鑲針能夠順利插入，當鑲針完全插入后，滑塊再次移動使凹模上的孔縮小夾緊鑲針，當要取出鑲針時滑塊移動擴大凹模上的孔，使鑲針順利移出。以上就是我對論文存在問題與解決設想。希望日后經(jīng)驗積累后，我能將這些設想變成現(xiàn)實。五. 總結(jié)通過這次畢業(yè)設計，我覺得自己在各方面都有了很大的提高，在知識上，學到了模具設計軟件、注射模具設計、陶瓷粉末成型技術(shù)、氧化鋯及光纖連接器陶瓷插芯的知識，不僅跟加鞏固機械方面的知識，還