毕业设计（论文）基于有限元方法的齿轮真空铸型技术研究.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 26 页1 绪论 随着微纳科学与技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微小机械在航空航天、精密仪器、生物医学、信息技术和军事等领域显示出广阔的应用前景，受到世界各个国家科学界和政府部门的高度重视，已成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一[1] 在微机械的常用材料中，聚合物材料具有耐氧化、耐腐蚀、易成型、比强度高等优点，此外，部分塑料具有透明性和生物相容性的特点，成为了某些微光学器件和生物分析芯片领域唯一的选择因此，对高分子材料进行微加工制作的研究，对于推动微机械系统的实用化与普及化、扩大聚合物材料的应用领域以及提高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值 微型聚合物的加工成形通常采用微型模具进行微注塑成形而在微型产品开发阶段，微型模具的制作显得周期较长、成本较高，且对一些复杂三维形状的微零部件加工要求较高本章通过对国内外微成形技术的综述和加工工艺介绍，提出一种基于快速模具技术的真空铸型微型件技术1.1 微型机械的发展概况 随着人类社会向信息化的迈进，系统的全面微小型化成为了当前科技发展的重要方向。

诺贝尔奖获得者Richard P.Feynman教授在1959年就曾预言未来制造技术将沿着Top-Down和Bottom-Up两种途径发展，并将由此引发科学技术、工程和应用的巨大变革目前国际上在微机械技术研究领域走在前列的是美国、日本和德国，这与他们大量的投资研究费用也是相关的美国在微机械方面的研究比较著名的有Sandia国家实验室、明尼苏达州大学、霍尼韦尔公司等日本在一些MEMS研究方面处于国际领先地位东京大学、东北大学等单位在微细工具与微细加工、微流量泵、微型传感器、微型继电器等方面都取得相当快的进展德国自1988年起开始为期十年的微型机械制造技术的研究项目，研究各种刻蚀技术目前德国对微机械的研制与美国、日本水平相当，并有自己的特点，在微机械的加工制作方面取得了令人瞩目的成就我国开展MEMs的研究较晚，从上世纪80年代末才开始MEMS的研究，MEMS技术和世界先进水平还有一定差距[2]十一五”以来，国家科技部、国家自然科学基金委、解放军总装备部等先后在该领域投入了数亿元，扶持了一批MEMS项目，取得了一定的成绩目前，国内开展MEMS研究的单位己达五十多家，已有很多有价值的成果如哈尔滨工业大学对压电陶瓷进行研究，研制成由压电陶瓷驱动的三自由度微小型机器人I81。

上海交通大学利用自行研制的2mm微型电磁马达，设计制作了一个外形尺寸Smm X 6mm的微型机器人小车，小车可按要求前进、后退、旋转，利用图像采集系统实现了系统的位置反馈，基本满足高精度定位要求虽然我国对MEMS的研究取得了一定成绩，但是由于主要属于跟踪型研究，且投入不大、资金分散、产业界未及时介入等原因，研究规模、技术水平与先进国家相比有较大差距清华大学丁衡高院士指出:“微制造技术水平低是我国微系统研究落后国外的主要原因之一靠技术引进不能从根本上缩短与先进国家的差距，因此，我国必须开发具有自主知识产权的微制造技术，才能在未来的高科技领域占有一席之地1.2 微成形技术的研究 二十年来MEMS有了飞速的发展，而微成形技术是MEMS的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上到目前为止，涌现出了多种成熟的微成形技术，如以美国为代表的硅基表面加工及体加工技术、以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微成形技术1.2.1 硅基微加工技术由美国的科学家率先提出的硅基微加工技术是微电子技术飞速发展的延伸。

硅基微加工技术目前主要有表面微机械加工[3.4]微机械加工[5.6]面微机械加工工艺首先是在硅基表面上沉积薄膜，再用光刻技术在薄膜上显影出微结构，最后用各种腐蚀工艺(等离子腐蚀、化学腐蚀等)去除掉多余的部分，从而得到预先想要的微结构因加工过程中不对硅基片本身进行加工，故表面微机械加工的厚度在几到几十微米在表面微机械加工工艺中，可通过对多层牺牲层材料进行有选择的去除，得到准三维的结构，机械加工层越多可制造的微型机械越复杂，功能越强大，但是微型元件的布局问题、平面化问题和减小残余应力问题也更难解决通常，微机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，这些工艺尺度相对大而粗糙，线度变化在几微米到几百微米之间体微加工技术的关键技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法湿法刻蚀主要是根据材料的性能在刻蚀溶液中进行;干法刻蚀主要是采用物理法(溅射、离子铣)和化学等离子刻蚀，适用于各向同性及各向异性刻蚀选择合适的掩膜板可得到深宽比大、图形准确的三维结构，目前在MEMS技术中最成熟体微机械加工的一个主要优点是它可以相对容易地制造出大质量的零部件，缺点是它很难制造精细灵敏的悬挂系统。

另外，由于体微机械加工工艺无法做到零部件的平面化布局，因此它不能够和微电子线路直接兼容[7]复合微机械加工技术是体微机械加工技术和表面微机械加工技术的综合它是在体微机械加工技术和表面微机械加工技术的基础上发展起来的新兴技术，具有体微机械加工技术和表面微机械加工技术的优点，同时也避免了它们的缺点1.2.2 微注射成形技术 微注射成形技术按照使用材料对象可分为两类，一类是以塑料为注射材料的微注塑成形技术，一类是以金属粉末为注射材料的粉末微注射成形技术微注塑成形技术实际上就是传统注塑技术的微型化，最早出现在20世纪80年代，主要应用在手表和相机行业德国注塑机制造巨头Battenfeld公司制造了第一台全电子驱动的注塑机Microsystem50，其适用于手表、微机电系统和生物机械制造业，成形塑件质量小于0.lg，注射柱塞直径只有5mm德国亚深理工大学的塑料加工学院(IKV)设计制造了一种新型微注塑成型概念机，注射量比Microsystem50更小，可小于0.01g微注塑成形技术方面我国与国外的还有很大的差距国外以美国、日本、德国为代表的工业发达国家在微注塑成型技术方面取得了大量的研究成果，微型注塑机也早已进入商品化阶段。

我国在微注塑成形技术的研究主要集中在台湾地区的高校和研究院以及内地的大连理工和中南大学等几所高校[8]主要代表为台湾工研所微系统部和中山大学机电所，他们联合制造出了300dip的微型喷孔片;台湾中原大学也就高分子聚合物在微流道中的流变特性、流经毛细管口的压降等做了大量深入的研究实验，取得了大量的数据和成果大连理工就微注塑成形微构件进行了大量实验研究;中南大学就工艺参数对微结构零件充填深度的影响进行了数值模拟的研究粉末微注射成形技术((micro powder injection molding，简称NPIM，将近年迅速发展起来的粉末注射成形技术，有机地运用到外形尺寸是微米级器件的制备上，完全满足高性价比的要求，而且将可加工的材料范围扩大到各种纯金属、合金以及陶瓷粉末微注射成形技术的工艺流程如图1.1所示该技术要求所用的材料为粉末状，这就限制了其材料的种类，因为并不是所有的金属都能获得粉末，而且对金属粉末的颗粒度也有要求，要尽可能得到细的颗粒此外，微型模具的制造是该技术的关键，而为了获得好的填充效果，也需对铸型抽真空和预热，这些都关系到能否获得低表面粗糙度、小壁厚、形状复杂的微构件 图1.1 粉末微注射成形技术的工艺流程 图1.2 粉末微注射成形的双联齿轮德国在粉末微注射成形方面进行了相关的基础性和应用性研究。

图1.2为研究所制备的双联齿轮新加坡南洋理工大学的L.Liu等主要对316L不诱钢开展系统研究，图1.3为烧结的316L不锈钢微结构件美国宾夕法尼亚州立大学的N.Koseski等研究了粉末粒度对粉末微注射成形产品的性能，尤其是表面粗糙度和结构分辨度的影响北京科技大学自行研制开发了具有自主知识产权的适用于传统注射成形机的粉末微注射成形用模具，同时以拨基铁粉和铁镍合金粉为原料，在传统注射成形机上成功实现了粉末微注射成形齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮的制备，图1.4中的齿顶圆直径为400um齿轮中心孔为60nm，齿轮高度为200nm 图13 16L不锈钢微结构件 图1.4 粉末微注射成形齿轮1.2.3 微铸造成形 在对金属三维微构件迫切需求的背景下，2000年德国卡尔斯鲁厄研究中心的Baumeiste等人提出了一种微精密铸造工艺，在世界范围内受到了高度关注，德国、日本、韩国和中国等学者进行了这方面的研究，并取得了一定的进展微精密铸造工艺依托于传统铸造工艺，可加工复杂三维形状，有效的弥补了现有微成形工艺的缺陷此外，还有微挤压成形、激光微冲击成形等新型微成形技术。

随着微成形技术的发展，某些微型零部件因材质的限制，在成形过程中往往需要几种微成形技术[9]的综合应用应当是今后微成形技术应用的发展趋势1.3 真空铸型技术及其应用1.3.1 真空铸型技术 快速模具技术(RT Rapid Tooling)是一种基于快速原型(RP-Rapid Prototyping )样件，可以快速复制复杂形状制造模具的新型技术近年来，发达国家的许多公司和科研机构都在致力于快速模具技术的研究，由此发展出多种技术先进，成本低廉，设计制造周期短，精度适中的新技术20世纪70年代，东德德累斯顿工业大学和考特布斯工业大学采用真空技术并借助于硅橡胶模研制开发了真空铸型技术真空铸型技术因在型腔浇注之前抽真空，其成形件在质量和精度上远高于普通的硅胶模成形[10]空铸型技术成本低，工艺简单，制造周期短，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件80年代初日本在汽车制造领域运用了该项专利技术，大大加快了新产品的开发速度，并取得明显的经济效益，引起业内的极大关注1.3.2 真空铸型技术的应用德国MCP-HEK公司1987年就开始发展真空铸型技术，是目前硅胶模应用领域的技术领导者。

其客户群体包括Ford，GM，VW， BMW，Bosch，Daimler，Chrysler, Siemens，Adidas，Nike，3D Systems等众多世界著名企业由于真空铸型技术成本低，成形精度高及制作周期短，主要应用在对产品的外形精度要求较高和制作周期较短的诸多领域包括在汽车工业中的应用，在电子行业中的应用，在医学领域中的应用，在艺术品制作领域的应用等1.4 真空铸型微型件的研究意义在现代的制造模式下，每个新产品的开发过程中都会先通过试制部分样品，以便更直观有效地对产品进行修改，最终确定设计无误后再制造模具进行批量生产因此，在新产品的开发过程中利用快速模具技术试制样板得到了广泛的应用真空铸型技术能够成形各种形状复杂、精度要求较高的零部件，在新产品的开发研究中具有低成本、高效率的优势，是一种生命力强，值得推广的快速模具技术[11]符合我国模具工业十一五规划中对快速经济模具制造新技术要进一步开发、提高和应用的要求随着越来越多的产品逐渐微型化，市场竞争的不断加剧和多品种、小批量、改型快等现代制造模式的进一步发展，企业对微型新产品的开发速度和成本将提出更高的要求然而，现有的大部分微成形技术，有的制造周期较长，有的成本过高，有的不能制作真正的三维产品，或多或少存在一些缺点。

利用真空铸型技术，结合其它微成形技术，进行微型零部件产品的开发，则避免了这些缺陷，它不但制造周期短、成本低，而且能成形具有真正意义3D的零部件，尤其是在三维塑料微型件的开发中更具有优势[12]，利用真空。