光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计cufh.docx

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1、1.770mmm/0.1155mm光光纤连接接器陶瓷瓷插芯注射模具具设计工程技术术才学院院 022机械设设计制造造及其自自动化 廖震宇宇学号：22002211110188【摘要】光纤连连接器陶陶瓷插芯芯作为光光纤连接接器的主主要部分分是光通通信网络络的一个个重要成成分。目目前光纤纤连接器器陶瓷插插芯使用用的是陶陶瓷粉末末注射成成型（CCeraamicc Innjecctioon MMolddingg, CCIM）的的成型方方法，陶陶瓷插芯芯的外部部直径和和内孔直直径是1.770mmm和0.1155mm，公公差均为为0.003mmm，同轴轴度要求求小于等等于0.02mmm。光光纤连接接器陶瓷瓷插

2、芯生生产技术术几乎被被美日等等发达国国家垄断断，大部部分陶瓷瓷插芯毛毛坯由这这些国家家进口，其其模具设设计在国国内更是是个空白白。本文文根据光光纤连接接器陶瓷瓷插芯的的结构特特点，分分析了其其结构工工艺和探探讨了模模具设计计的关键键技术及及难点，并并提出多多个模具具设计方方案；分分别使用用UG中中的MOOLDWWIZAARD模模块和PPro/ENGGINEEER中中的Prro/MMOLDDESIIGN模模块进行行光纤连连接器陶陶瓷插芯芯的模具具设计；提出了了氧化锆锆粉末注注射喂料料的流动动特性和和粘结剂剂、润滑滑剂及其其他添加加剂的配配方。【关键词词】光纤连连接器陶陶瓷插芯芯；陶瓷瓷粉末注注射

3、成型型；UGG；Proo/ENNGINNEERR；MSCC.PaatraanThe Injjecttionn Mooldiing Desiign of Ferrrulle【Absstraact】Thee feerruule whiich aree thhe kkey parrts forr oppticcal connnecctorrs aas ddeveelopp arre aa keey ccompponeent forr oppticcal commmunnicaatioon nnetwworkk . Thee fiieldd off innforrmattionn teechnnolo

4、ogys iinduustrriess haas ggreaatlyy chhangged aand devveloopedd soo drramaaticcallly.UUse Cerramiic IInjeectiion Molldinng tto fformm thhe fferrrulee.Thhe fferrrulees outtsidde ddiammeteer iis 11.7000.03mmm aand innner diaametter is00.111500.033mm.Thee feerruules cconccenttriccityy iss beeloww 0.02m

5、mm.TThe ferrrulless teechnniquue aalmoost iscoontrrollled by thee Jaapannandd thhe UUnitted Staatess.Annd tthe molldinng ddesiignss arre bblannk iin tthe dommesttic.Acccorddingg too thhe sstruuctuurall chharaacteerissticcs oof tthe ferrrulle,tthe mannufaactuurabbiliity of thee moold strructturee waa

6、s aanallyzeed aand thee keey ttechhniqque andd diiffiicullt oof tthe molldinng ddesiign werre sstuddiedd.UGG MOOLDWWIZAARD andd Prro/MMOLDDESIIGN is beiing useed moore andd moore entterpprisse tto ddesiign molld sstruuctuure.【Keyy Woordss】Ferrrulee, Ceerammic Injjecttionn Mooldiing, UGG, PPro/ENGGIN

7、EEER, MSSC.PPatrran教师点评评：光纤纤连接器器陶瓷插插芯是光光通信网网络的一一个重要要部件，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

8、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. 前前言1.1 光纤连连接器陶陶瓷插芯芯的主要要用途及及制造工工艺光纤连接接器是光光纤通信信系统中中不可缺缺少的无无源器件件，主要要用于实实现系统统中设备备间、设设备与仪仪表间、设设备与光光纤间以以及光纤纤与光纤纤间的非非永久性性两个端端面精密密地对接接起来，使使发射光光纤输出出的光能能量最大大限度地地耦合到到接收光光纤中。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

9、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。 陶瓷瓷插芯（如如图1）毛毛坯由于于内含一一个0.1mmm的小孔孔，且对对尺寸同同心度的的要求都都很高，因因此只有有通过陶陶瓷末粉粉末注射射成型(Cerramiic IInjeectiion Molldinng)的的技术才才有可能能。 陶陶瓷插芯芯制作工工艺分两两部分，即即毛坯制制作和精精密机械械加工，首首先用经经过特殊殊处理的的采用钇钇稳定的的纳米氧氧化锆粉粉体原料料，造粒粒后在专专用的模模具中注注射成型型，然后后经高温温烧

10、结成成毛坯，第第二部分分则是将将毛坯经经一系列列精密研研磨加工工，达到到亚微米米级的加加工精度度，从而而得到刚刚性好，精精度高的的陶瓷插插芯产品品。1.2 陶瓷注注射成型型技术图1：陶瓷插芯图陶瓷粉末末注射成成型技术术（Ceerammic Injjecttionn Mooldiing,CIMM）是近近代粉末末注射成成型技术术的一个个分支，它它源于220世纪纪20年年代的一一种热压压铸成型型技术。该该技术通通过加入入一定量量的聚合合物及添添加剂组组元,赋赋予金属属粉末、陶陶瓷粉末末跟聚合合物相似似的流动动性，采采用注射射成型技技术根据据需要制制成各种种形状的的材料制制品，可可以对工工艺过程程进行

11、精精确的控控制；特特别是对对于尺寸寸精度高高、复杂杂形状陶陶瓷制品品的大批批量生产产来说，陶陶瓷的注注射成形形（CIIM）更更有着显显著的优优势，它它可一次次性成形形复杂形形状制品品，产品品尺寸精精度高，无无需机械械加工或或只需微微量加工工，易于于实现生生产自动动化且产产品性能能优异1。二.光纤纤连接器器陶瓷插插芯注射射模具设设计2.1 光纤连连接器陶陶瓷插芯芯尺寸和和材料的的选择2.1.1 光光纤连接接器陶瓷瓷插芯尺尺寸1光纤纤连接器器陶瓷插插芯零件件图（如如图2）2光纤纤连接器器陶瓷插插芯尺寸寸，如表表1所示示。图2：光纤连接器陶瓷插芯零件图表1：陶陶瓷插芯芯尺寸SMMM外圆直径径（mmm

12、）1.77 00.033内孔直径径（mmm）0.1115 0.030.1127 +0.0033/-00.0002同轴度（mmm） 0.02长度（mmm）8.0 00.32.1.2 光光纤连接接器陶瓷瓷插芯的的材料及及其配方方光纤连接接器用插插芯现在在使用陶陶瓷注射射成型技技术进行行大批量量的生产产，而所所使用的的陶瓷材材料就是是氧化锆锆。在各各种金属属氧化物物陶瓷材材料中，氧氧化锆的的高温热热稳定性性、隔热热性能最最好，最最适宜做做陶瓷涂涂层和高高温耐火火制品；以氧化化锆为主主要原料料的锆英英石基陶陶瓷颜料料，是高高级釉料料的重要要成分；氧化锆锆的热导导率在常常见的陶陶瓷材料料中最低低，而热热

13、膨胀系系数又与与金属材材料较为为接近，成成为重要要的结构构陶瓷材材料；特特殊的晶晶体结构构，使之之成为重重要的电电子材料料；氧化化锆的相相变增韧韧等特性性，成为为塑性陶陶瓷材料料的宠儿儿；良好好的机械械性能和和热物理理性能，使使它能够够成为金金属基复复合材料料中性能能优异的的增强相相。所以光纤纤连接器器陶瓷插插芯材料料采用钇钇稳定的的纳米氧氧化锆粉粉体原料料（Y- PSSZ），粘粘结剂配配方如表表2所示示。 表2：氧化锆锆标准泥泥浆组成成2组成配方种类份数陶瓷粉末钇稳定的纳米氧化锆微粉100分散剂胺盐0.25增塑剂甘油0.2分散介质水至77.5%泥浆黏合剂丙烯酸共聚物乳液3固含量44黏度0.2

14、5pas2.2 型腔数数目的确确定为了使模模具与注注射机的的生产能能力匹配配，提高高生产率率和经济济性，并并保证制制件精度度，加上上制件的的体积和和质量都都比较小小，所以以要使用用一模多多腔的方方式。根根据注射射机的最最大注射射量确定定型腔数数目，其其计算公公式为：n=（0.8GW2）/WW1 =（00.8120071.4544）/11.411=177.4，（查注塑成型及模具设计P77式7-4）n取6，采采用圆形形排列一一模六腔腔的方式式。2.3 注射机机的选择择由型腔的的数目，初初定注塑塑模一次次成型的的氧化锆锆质量（制制件和流流道凝料料质量之之和）为为72.8611克和总总体积112144

15、3.5513立立方毫米米。 根根据注塑塑模一次次成型氧氧化锆质质量和总总体积，选选择注塑塑机型号号为XSS-ZSS-222。其该该注射机机的规格格和性能能如表33。表3：注注射机的的规格和和性能型号额定注射射量螺杆直径径注射压力力注射行程程XS-ZZS-22220cmm320mmm115mmpa130mmm锁模力最大成型型面积模板最大大行程模具最大大厚度模具最小小厚度250kkN90 ccm2160mmm180mmm60mmm喷嘴圆弧弧半径喷嘴直径径注射方式式合模方式式拉杆空间间12mmm2mm双柱塞液压-机机械235mmm2.4 镶针设设计方案案1方案案1此方案设设计的镶镶针其结结构相当当于

16、悬臂臂梁。如如图3所所示：图4：镶针设计方案2图3：镶针设计方案12方案案2此方案设设计的镶镶针其结结构相当当于简支支梁。如如图4所所示：3两个个方案的的比较和和方案的的选择光纤连接接器陶瓷瓷插芯的的制造最最为关键键在于插插芯内孔孔的同轴轴度（ 0.02mmm）,在充模模时，方方案1的的镶针其其结构相相当于悬悬臂梁，若若出现受受力不均均时，相相当于悬悬臂梁的的镶针就就很容易易变形，影影响插芯芯内孔的的同轴度度。方案案2的镶镶针其结结构相当当于简支支梁，由由于两端端都受到到夹持力力的作用用，在充充模时，即即使出现现受力不不均，其其影响插插芯内孔孔的同轴轴度要比比方案11的镶针针少得多多。所以以镶

17、针设设计选择择方案22。4. 镶镶针（嵌嵌件）零零件图（如如图5）图5：镶镶针（嵌嵌件）零零件图2.5 注塑模模结构设设计方案案1方案案1采用双分分型面注注塑模具具结构，即即三板模模。其开开模图（图图6）及及最终成成型的制制件流道道凝料图图如图77所示：图6：开开模图 图图7：制制件流道道凝料图图开模方式式：首先先移动型型芯固定定板将镶镶针完全全脱离制制件，向向开模方方向移动动36mmm。然然后再连连同动模模板向开开模方向向移动1113mmm。最最后用顶顶出机构构将制件件顶出，完完成整个个开模过过程。2方案案2采用单分分型面注注塑模具具结构，即即两板模模。其开开模图（图图8）及及最终成成型的制

18、制件图如如图（图图9）所所示：图8：开开模图 图99：制件件流道凝凝料图 开模方式式：首先先移动动动模板将将制件完完全脱离离镶针, 向开开模方向向移动1113mmm。最最后用顶顶出机构构将制件件顶出，完完成整个个开模过过程。3两个个方案的的比较和和方案的的选择（1) 在特点点上，方方案1使使用传统统的开模模方式，型型腔在定定模一侧侧，型芯芯在动模模一侧。而而方案22则与传传统不同同，型腔腔在动模模一侧，型型芯在定定模一侧侧，所以以最终成成型的制制件都有有所不同同。两者者各有特特点。（2) 方案11使用的的是三板板注射模模，只适适用于制制品的外外表面、四四侧壁不不允许有有浇口痕痕迹的场场合。这这

19、种浇口口采用点点浇口、且且制品由由定距分分型机构构实现顺顺序分型型，然后后由推出出机构推推出。这这种模具具结构复复杂，成成本高。方方案2使使用的是是两板注注射模，它它是注射射模中最最简单的的一种，对对塑料制制品成型型的适应应性很强强，所以以应用十十分广泛泛，且成成本比三三板注射射模要低低。（3) 在开模模过程上上，方案案1采用用定距分分型机构构实现顺顺序分型型，较为为复杂。而而方案22开模简简单，省省开模的的工序，生生产效率率更高。综上所述述，注塑塑模结构构设计采采用方案案二。2.6 标准模模架的选选择模架选用用龙记模模架，采采用大水水口系统统，型号号A类。如如图100所示基本选择择的尺寸寸：

20、模具宽度度（Moold_W）=3000mm， 模模具长度度（Moold_L）=3000mm； 定模板板高度（AAP_hh）=550mmm， 动模板板高度（BBP_hh）=880mmm。 图100：模架架的选择择2.7 浇注系系统的设设计2.7.1 最最佳浇注注口位置置分析通过Pllasttic Advvisoor的GGatee Loocattionn Anallysiis的分分析、计计算，以以不同的的颜色显显示给出最佳浇浇口位置置，如图图11所所示。 由图可可以看出出，在靠靠近底部部侧壁和和底部位位置设置浇口口比较理理想。图11：最佳浇浇注口位位置分析析2.7.2 浇浇口设计计方案1方案案1环

21、形浇口口设计在在光纤连连接器陶陶瓷插芯芯侧壁上上，如图122所示。 图122：浇口口设计方方案12方案案2环形浇口口设计在在光纤连连接器陶陶瓷插芯芯底部，如如图133所示：3两个个方案的的比较和和方案的的选择图13：浇口设计方案2在二次加加工中，要要除去流流道和浇浇口的凝凝料，对对于方案案1，环环形浇口口设计在在光纤连连接器陶陶瓷插芯芯侧壁上上，进行行二次加加工时可可能会影影响陶瓷瓷插芯侧侧壁的表表面光洁洁度和圆圆度，最最后导致致制件报报废。对对于方案案2，环环形浇口口设计在在光纤连连接器陶陶瓷插芯芯底部，底底部光洁洁度表面面要求不不高，且且便于加加工。所所以浇口口设计选选择方案案2。3.7.

22、3 浇浇口设计计对于浇口口1，采采用扇形形浇口（如如图144），扇扇形浇口口分别开开设在半半圆形流流道的两两侧，熔熔融氧化化锆泥浆浆在宽度度方向上上得到均均匀分配配，可降降低制件件内应力力，减小小翘曲变变形。其尺寸及及计算过过程如下下：浇口深度度H=（11/32/33）t（制制件厚度度2.33mm）=0.77711.533mm，HH取1.5mmm。图14：扇形浇口浇口通道道长度BB取1.3mmm，浇口口宽度WW1=44mm。对于浇口口2，采采用环形形浇口（如如图155），环环形浇口口开设在在插芯的的底部和和圆形流流道侧壁壁，由于于熔融氧氧化锆泥泥浆环绕绕镶针均均匀地进进入型腔腔，充模模均匀，排

23、排气效果果良好，制制件无熔熔接痕，同同轴度得得到很好好的保证证。其尺寸及及计算过过程如下下：浇口通道道长度LL取1mmm，浇浇口深度度h=00.7nnt=00.70.992.116=11.366mm，hh取1.4mmm。n塑塑料材料料系数,取0.9；tt制件件厚度，mmm。2.7.4 流流道的设设计图15：环形浇口1主流流道设计计主流道是是熔融的的氧化锆锆泥浆从从注射机机喷嘴注注入模具具后首先先经的一一段流道道，主流流道开设设在浇口口套上，截截面为圆圆形，浇浇口套与与模板上上的孔的的配合为为H7/m6，浇浇口套的的结构如如图166所示。对主流道道的设计计要求熔熔融氧化化锆泥浆浆图16：浇口套的

24、结构图在这一段段流道内内流动平平稳，压压力损失失小，并并且在开开模时，主主流道凝凝料易于于脱出浇浇口套。其其具体参参数计算算如下：主流道小小端直径径d=注注射机喷喷嘴直径径+0.5=22+0.5=22.5mmm；主流道接接口半径径R=喷喷嘴球面面半径+（12）=12+1=113mmm；接口配合合长度HH=3mmm；主主浇道锥锥度=2；主浇浇道长度度L=772mmm。2冷料料井设计计冷料井采采用如图图倒圆锥锥形，是是为了便便于脱模模，减小脱模模的难度度。如图图17 图177冷料井井3分流流道设计计分流道截截面采用用梯形截截面，梯梯形截面面具有易易于顶出出流道凝凝料的优优点。为为便于流流道加工工并

25、减少少氧化锆锆泥浆在在流道内内的流动动阻力，将将梯形倒倒圆角。分分流道截截面图如如图188所示： 图图18：分流道截面对于流道道1，截截面形状状为梯形形，如图图所示33-166，流道道形状为为直线形形和半圆圆形，其其尺寸及及计算过过程如下下：取梯形的的宽B=5mmm；那么么梯形的的高A=4/555=44mm，梯梯形斜角角C=66，圆弧弧R=11.0774。对于流道道2，截截面形状状为梯形形，如图图所示33-166，流道道形状为为圆形，其其尺寸及及计算过过程如下下：取梯形的的宽B=3.445mmm；那么么梯形的的高A=2/333.445=22.3mmm，梯梯形斜角角C=66，圆弧弧R=00.74

26、41。 分流道道采用圆圆形排列列的平衡衡式流道道布置，有有利于精精密制件件的成型型。3.3.3 流流道、浇浇口和制制件的截截面图和和布局图图（如图图19、220所示示）图19：流道、浇浇口和制制件的截截面图 图图20：流道、浇浇口和制制件的布布局图2.8 冷却系系统的设设计注射模冷冷却时所所需要的的冷却水水量按该该式计算算：V=Gh/660C(21) =722.8116153371.6955/60041779（255200）10000=88.93310-4 mmm3/miin（查查型腔腔模具设设计与制制造，pp1799）。由由上述所所知，因因为模具具每分钟钟所需的的冷却水水体积流流量较小小，加

27、上上制件的的体积和和质量都都比较小小，所以以冷却系系统的设设计采用用的是整整体布局局的方式式，水孔孔直径DD=8mmm。如如图211、222所示。图21：冷却系系统的结结构图 图图22：冷却系系统的布布局图2.9 顶杆的的设计与与布局由于插芯芯内外表表面的光光洁度要要求很高高，所以以在顶杆的端面面不能对对准插芯芯，只能能对准分分流道，所所以在每每个半圆形分分流道设设三根顶顶杆，每每个直线线形分流流道设一一根顶杆，总共共24根根。顶杆杆直径dd=2mmm，顶顶杆长度度L=1186mmm，顶杆头部部直径DD=3mmm。布布局图如如图233所示。 图23顶顶杆布局局图三. 光光纤连接接器陶瓷瓷插芯注

28、注射模具具3D装装配和33D爆炸炸图注射模具具3D装装配和33D爆炸炸图如图图24、225所示示图24 3D装装配图图图25 3D爆爆炸图四. 论论文存在在问题与与解决设设想镶针插进进凹模时时的对准准问题分分析和解解决设想想由于镶针针细长端端的直径径只有00.1663mmm，直径径太小，在在镶针插插进凹模模时可能能会出现现不能对对准导致致不能插插进凹模模而且还还损坏镶镶针。我的解决决设想是是如果可可以的话话尽量提提高氧化化锆的收收缩率，使使镶针细细长端的的直径能能够增大大，大大大提高对对准性；如果不不能提高高氧化锆锆的收缩缩率的话话，可在在凹模上上装滑块块装置，当当镶针插插入时滑滑块移动动使凹

29、模模上的孔孔扩大从从而镶针针能够顺顺利插入入，当镶镶针完全全插入后后，滑块块再次移移动使凹凹模上的的孔缩小小夹紧镶镶针，当当要取出出镶针时时滑块移移动扩大大凹模上上的孔，使使镶针顺顺利移出出。以上就是是我对论论文存在在问题与与解决设设想。希希望日后后经验积积累后，我我能将这这些设想想变成现现实。五. 总总结通过这次次毕业设设计，我我觉得自自己在各各方面都都有了很很大的提提高，在在知识上上，学到到了模具具设计软软件、注注射模具具设计、陶陶瓷粉末末成型技技术、氧氧化锆及及光纤连连接器陶陶瓷插芯芯的知识识，不仅仅跟加巩巩固机械械方面的的知识，还还学到了了一些材材料的知知识。在在思想上上，培养养吃苦耐

30、耐劳的精精神和积积极解决决任何困困难的精精神。这这些方面面的提高高都对我我日后的的社会工工作有很很大的帮帮助，为为日后的的工作打打下良好好的基础础。【参考文文献】1RR M Gerrmann. PPowdder injjecttionn mooldiing.ASBBNo-91884044-955-9.Priinteed iin UUnitted Staatess off Ammeriica2 沈一丁丁，李小小瑞.陶陶瓷添加加剂.北北京：化化学工业业出版社社，200043聂聂妍，李李益民，李李笃信.陶瓷注注射成型型技术进进展.中中国陶瓷瓷工业，2003.10(2)：55-594岩岩桥俊之之（日.

31、工程程陶瓷的的注射成成形.模模具技术术，19990（22）：554-6645WWhallen T JJ，Joohnsson C FF. IInjeectiion molldinng oof cceraamiccs. Am Cerram Socc Buull，119811.600：21166MM Innouee，Y Kihharaa，Y Araakidda. Injjecttionn mooulddingg maachiine forr hiigh-perrforrmannce cerramiics. Inteerceeramm，19989.2：553-5577刘刘昌祺.塑料模模具设计计.北京京：机械械工业出出版社，19988李李中和，张张典奎，叶叶桌麟.陶瓷原原料与瓷瓷相分析析.浙江江：浙江江大学出出版社，19899曲曲远方.功能陶陶瓷材料料.北京京：化学学工业出出版社，200410朱光力力，万金金保.塑塑料模具具设计.北京：清华大大学出版版社，22003311李海梅梅，申长长雨.注注射成型型及模具具设计实实用技术术.北京京：化学学工业出出版社，200212冯江涛涛，夏风风，肖建建中.陶陶瓷注射射成型技技术及其其新进展展.中国国陶瓷，2003.39(2)：34-3713章飞，陈陈国平.型腔模模具设计计与制造造.北京京：化学学工业出出版社，220033指导教师师：李积积彬教授授19