微细万向球形机械运动副模内微装配成型控形模拟研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.011

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (1): 66-73.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.011

微细万向球形机械运动副模内微装配成型控形模拟研究

薛鹏¹, 张宇², 周国发¹()

^1.南昌大学资源与环境学院，南昌 330031
^2.南昌大学先进制造学院，南昌 330031

收稿日期:2022-11-01 出版日期:2023-01-26 发布日期:2023-01-26
通讯作者: 周国发（1962—），男，教授，主要从事聚合物成型技术与理论研究，ndzgf@163.com
E-mail:ndzgf@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(21464009)

Simulation study on shape control of micro⁃fine universal direction spherical mechanical kinematic pair for in⁃mold micro assembly molding

XUE Peng¹, ZHANG Yu², ZHOU Guofa¹()

^1.School of Resources & Environmental，Nanchang University，Nanchang 330031，China
^2.School of Advanced Manufacturing，Nanchang University，Nanchang 330031，China

Received:2022-11-01 Online:2023-01-26 Published:2023-01-26
Contact: ZHOU Guofa E-mail:ndzgf@163.com

摘要/Abstract

摘要：

针对微细万向球形机械运动副的模内微装配成型难以满足制造尺寸公差技术要求的共性技术瓶颈，提出了功能自润滑液膜辅助模内微装配成型实现其高精密微成型与装配的技术，并模拟研究了球面微装配界面制造直径尺寸公差与功能自润滑液膜滑移系数的协同演化规律。结果表明，微装配界面直径尺寸公差与滑移系数呈现正关联关系，并与其近表面区的耦合温度、连续相变演化区厚度、热流固耦合压力、弹性正应力和黏性拖曳剪切应力呈现正关联关系。当滑移系数由1×10⁹降至1×10³时，其直径尺寸公差由211 μm降至19 μm，制造精度提高91 %，且其最高耦合温度降幅为4.7 %，连续相变区最大厚度降幅为23.8 %，而其热流固耦合压力、弹性正应力和黏性拖曳剪切应力降幅分别为73 %、72.8 %和56.3 %，这是其实现微细万向球形机械运动副精密微装配的机理。

关键词: 万向球形机械运动副, 模内微装配成型, 制造精度, 微装配, 模拟

Abstract:

In general， the in⁃mold micro assembly molding of micro⁃fine universal direction spherical mechanical kinematic pair is difficult to meet the technical requirements of manufacturing dimensional tolerances. To address this common technical bottleneck， the technology of the functional self⁃lubricating liquid film⁃assisted in⁃mold micro assembly molding was proposed to realize its high⁃precision micro forming and assembly. The synergistic evolution law between the manufacturing diameter dimensional tolerances of spherical micro assembly interface and the slip coefficient of functional self⁃lubricating liquid film was simulated and studied. The results indicated that the diameter tolerance of the micro assembly interface had a positive correlation with the slip coefficient. The diameter tolerance also had a positive correlation with the near surface coupling temperature， the thickness of the continuous phase⁃transformation evolution zone， the thermal fluid structure coupling pressure， the elastic normal stress， and the viscous drag shear stress in the micro spherical assembly interface. When the slip coefficient decreased from 1×10⁹ to 1×10³， the diameter dimensional tolerance of the micro assembly interface decreased from 211 μm to 19 μm along with an improvement in the manufacturing accuracy by 91 %， and meanwhile its maximum coupling temperature decreased by 4.7 %. The maximum thickness of the continuous phase change zone decreased by 23.8 %， and its thermal⁃fluid⁃solid coupling pressure， elastic positive stress， and viscous drag shear stress decreased by 73 %， 72.8 %， and 56.3 %， respectively. This was attributed to the mechanism to realize the precision micro assembly of micro⁃fine universal direction spherical mechanical kinematic pair.

Key words: universal direction spherical mechanical kinematic pair, in?mold micro assembly molding, manufacturing acc?uracy, micro assembly, simulation

中图分类号:

TQ320.66

薛鹏, 张宇, 周国发. 微细万向球形机械运动副模内微装配成型控形模拟研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 66-73.

XUE Peng, ZHANG Yu, ZHOU Guofa. Simulation study on shape control of micro⁃fine universal direction spherical mechanical kinematic pair for in⁃mold micro assembly molding[J]. China Plastics, 2023, 37(1): 66-73.

图/表 18

图1 微细万向球形机械运动副模型

Fig.1 Micro⁃fine universal direction spherical mechanical kinematic pair model

图2 可变组合模具与成型工艺流程图

Fig.2 Flow chart of variable combination die and molding process

图3 有限元模型图

Fig.3 Finite element model

材料	$η$ / $P a ⋅ s$	$η r$	ξ	λ/s	β
PS	15 000	0.067	1.87	0.1	0.22

材料	$η$ / $P a ⋅ s$	$η r$	ξ	λ/s	β
PS	15 000	0.067	1.87	0.1	0.22

表1 PS的 PTT模型参数表

Tab.1 PTT model parameter of PS

表1 PS的 PTT模型参数表

Tab.1 PTT model parameter of PS

图4 PMMA材料热黏弹塑性应力⁃应变关系

Fig.4 Thermoviscoelastic plastic stress⁃strain relationship of PMMA

图5 滑移特性对微装配界面耦合变形形貌影响

Fig.5 Effect of slip characteristics on interface coupling deformation morphology of micro assembly

图6 耦合变形尺寸公差提取路径图

Fig.6 Extraction path diagram of coupled deformation

图7 滑移系数对耦合变形直径尺寸公差环形分布影响

Fig.7 Influence of slip coefficient on circular distribution of coupled deformation diameter tolerance

图8 制造直径尺寸公差与滑移系数关系曲线

Fig.8 Manufacturing diameter dimensional tolerance vs. slip coefficient

滑移系数	热流固耦合变形最大尺寸偏差/μm	考虑成型收缩最大制造尺寸公差/μm	是否满足制造尺寸公差 ≤30 μm
$109$	226	211	否
$108$	124	109	否
$107$	84	69	否
$106$	58	43	否
$105$	44	29	是
$104$	38	23	是
$103$	34	19	是

滑移系数	热流固耦合变形最大尺寸偏差/μm	考虑成型收缩最大制造尺寸公差/μm	是否满足制造尺寸公差 ≤30 μm
$109$	226	211	否
$108$	124	109	否
$107$	84	69	否
$106$	58	43	否
$105$	44	29	是
$104$	38	23	是
$103$	34	19	是

表2 制造尺寸公差及其技术要求符合度

Tab.2 Manufacturing dimensional tolerance and their technical requirement compliance

表2 制造尺寸公差及其技术要求符合度

Tab.2 Manufacturing dimensional tolerance and their technical requirement compliance

图9 滑移系数对连续相变演化区温度场云图的影响

Fig.9 Effect of slip coefficient on temperature field of continuous phase evolution zone

图10 温度沿对称面外圆分布曲线

Fig.10 Temperature distribution among the symmetric plane

图11 最高耦合温度与滑移系数的关系曲线

Fig.11 Max coupling temperature vs. slip outer circle of symmetrical plane

图12 连续相变区厚度沿对称面外圆分布曲线

Fig.12 Continuous phase evolution zone thickness distribution curve outer circle of symmetrical plane

图13 最大连续相变区厚度与滑移系数的关系曲线

Fig.13 Max continuous phase evolution among zone thickness vs. slip coefficient

图14 热流固耦合压力沿对称面外圆分布规律

Fig.14 Distribution law of thermal⁃fluid ⁃solid coupling among outer circle of the symmetrical plane

图15 弹性正应力沿对称面外圆分布规律

Fig.15 Distribution law of elastic among outer pressure positive stress among outer circle of the symmetrical plane

图16 黏性拖曳剪切应力沿对称面外圆分布规律

Fig.16 Distribution law of viscous drag shear stress among outer circle of the symmetrical plane

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