工藝參數對樹脂與液晶光纖插針同軸度的影響

王 鑫，杜林芳

(1.河南工程學院機械工程學院，河南鄭州451191;2.河南機電職業學院機械工程系，河南鄭州451191)

光纖連接器在光通信系統、光信息處理系統和光學儀器中得到了廣泛應用.大多數的光纖連接器由兩個配合插芯和一個耦合套筒組成，其中能使兩根光纖實現對中的插針是關鍵部件［1-3］.

插針是一種帶有小孔的圓柱體，制造精度極高，尤其是中間小孔的同軸度要求在幾十微米以內.根據文獻［4-6］報道，目前使用陶瓷材料制作的插針應用最廣，但其核心技術基本被美國、日本等國家壟斷，生產成本較高.國外已有使用液晶高分子、合成樹脂等材料注射成型插針，不僅工藝簡化，而且降低了生產成本.但是，注射成型工藝參數復雜，插針精度要求又高，故未得到廣泛應用.因此，有必要弄清楚工藝參數對插針成型精度的影響，優化工藝參數，提高插針體的成型精度.本研究選擇高分子液晶和合成樹脂材料分別注射成型插針體，運用CAE軟件數值模擬工藝參數對插針小孔同軸度的影響，以期對提高非陶瓷插針的成型質量有一定的指導作用.

1 實驗部分

1.1 實驗模型

光纖插針的結構如圖1所示，整體為一個圓柱體，長度為10.6 mm，直徑為2.68 mm，中間小孔直徑僅為0.1 mm，精度要求很高.經過三維建模后導入Moldflow軟件進行網格劃分，得到3D網格模型，如圖2所示.為了分析得更精確，必須對小孔區域進行網格細化，細化后網格尺寸達到0.01 mm，網格數目達到166 651個單元，較好地反映出了小孔區域的結構特征，達到了分析要求.采用在圓柱體兩側對稱進膠，運用Moldflow軟件對其進行翹曲分析［7］.

圖1 光纖插針結構(單位:mm)Fig.1 The structure of fiber ferrule

圖2 插針網格模型Fig.2 The mesh modle of ferrule

1.2 實驗方法

實驗使用單因素法，分別采用液晶高分子(Vectra A910)和穩定性較好的PC+ABS合成樹脂(Lupoy HR5005A)作為成型材料，考察模具溫度、熔體溫度、注射速率、保壓壓力、保壓時間共5個因素對插針體小孔同軸度的影響.參照這兩種材料的常用工藝條件，設置合成樹脂(Resin)和液晶高分子(LCP)的工藝參數，如表1所示.在考察各個因素時，以表1中帶下劃線的工藝參數為基準不變，考察每個因素5個水平的變化情況.

表1 工藝參數Tab.1 Process parameters

以插針體小孔母線上的10個節點為研究對象，測量它們的Z向翹曲量，選取Z向翹曲量最大和最小的兩個節點翹曲量之差作為衡量小孔同軸度的標準.

2 結果及討論

2.1 模具溫度的影響

圖3為模具溫度對樹脂和液晶插針同軸度的影響規律.從圖3可知，兩種材料模具溫度對插針同軸度的影響各不相同.樹脂插針同軸度隨著模具溫度的升高而增大，當模具溫度為60℃時，同軸度最小，達到0.0236 mm(23.6 μm)，在幾十微米范圍內;液晶插針同軸度則隨著模具溫度的升高而降低，在模具溫度為80℃時，同軸度最小，達到0.007 6 mm(7.6 μm)，屬于微米級，所以液晶插針的同軸度明顯比樹脂插針的同軸度低，但都在插針同軸度要求的范圍內.

圖3 模具溫度對同軸度的影響Fig.3 The influence parameter on the coaxiality of mold temperature

2.2 熔體溫度的影響

圖4為熔體溫度對樹脂和液晶插針同軸度的影響規律.從圖4可看出，兩種材料熔體溫度對插針同軸度的影響趨勢基本相同.樹脂插針同軸度隨著熔體溫度的升高而直線升高，當熔體溫度為215℃時，同軸度最小，達到0.023 3 mm(23.3 μm);當熔體溫度為255℃時，同軸度最大，達到0.025 3 mm(25.3 μm)，遞增了0.002 mm，但仍在幾十微米范圍內.液晶插針的同軸度也隨著熔體溫度的升高而升高，在熔體溫度為260℃時，同軸度最小，達到0.007 5 mm(7.5 μm);但當熔體溫度為290～300℃時，同軸度升高緩慢，從0.009 8 mm增至0.009 9 mm，僅增加了0.000 1 mm.

圖4 熔體溫度對同軸度的影響Fig.4 The influence parameter on the coaxiality of melt temperature

2.3 保壓壓力的影響

圖5為保壓壓力對樹脂和液晶插針同軸度的影響規律.從圖5可知，兩種材料的保壓壓力對插針同軸度的影響趨勢基本相同，都是隨著保壓壓力的升高，插針同軸度呈下降趨勢.樹脂插針在保壓壓力為2 MPa時同軸度最大，為0.025 1 mm;當保壓壓力為3 MPa時同軸度下降到0.024 4 MPa.之后隨著保壓壓力的升高，同軸度緩慢下降，在保壓壓力為6 MPa時，同軸度最小，為0.024 1 mm.液晶插針在保壓壓力為4 MPa時，同軸度最大，為0.009 5 mm;在保壓壓力為7 MPa時同軸度下降到0.007 4 MPa;在保壓壓力為8 MPa時，同軸度最小，為0.006 8 mm.

圖5 保壓壓力對同軸度的影響Fig.5 The influence parameter on the coaxiality of packing pressure

2.4 流動速率的影響

圖6為流動速率對樹脂和液晶插針同軸度的影響規律.從圖6中可看出，兩種材料的流動速率對插針同軸度的影響各不相同.樹脂插針同軸度隨著流動速率的升高而增大，當流動速率為0.1 cm3/s時，同軸度最小，達到0.022 8 mm(22.8 μm)，在幾十微米范圍內.液晶插針同軸度則隨著流動速率的升高無明顯規律，在流動速率為0.6 cm3/s時，同軸度最小，達到0.006 2 mm(6.2 μm).隨著流動速率的升高，插針同軸度基本上呈下降趨勢，在流動速率小于1.2 cm3/s時，插針同軸度浮動不大;在流動速率為1.4 cm3/s時，同軸度下降較多，達到 0.006 3 mm(6.3 μm).

圖6 流動速率對同軸度的影響Fig.6 The influence parameter on the coaxiality of flow rate

2.5 保壓時間的影響

圖7為保壓時間對樹脂和液晶插針同軸度的影響規律.從圖7中可看出，樹脂插針同軸度不受保壓時間的影響，在保壓時間增加的過程中，插針同軸度保持不變，均為0.024 3 mm(24.3 μm).液晶插針同軸度則隨著保壓時間的增加呈上升趨勢，在保壓時間為4 MPa時，同軸度最小，為0.006 7 mm(6.7 μm);在保壓時間由6 s增加到8 s時，插針同軸度升高較多，由0.007 4 mm上升到0.009 1 mm.然后，同軸度隨保壓時間的增加緩慢升高，在保壓時間為12 s時，插針同軸度最大，達到0.009 4 mm.

圖7 保壓時間對同軸度的影響Fig.7 The influence parameter on the coaxiality of packing time

3 結語

(1)依據CAE分析結果，從插針同軸度的要求出發，選用樹脂和液晶高分子材料都能滿足設計要求，其中樹脂插針的同軸度在幾十微米范圍內，高分子液晶的同軸度屬于微米級，精度更高，更適宜成型光纖插針.

(2)對于樹脂插針來說，模具溫度、熔體溫度和保壓壓力對插針同軸度的影響較大，流動速率次之，保壓時間無明顯影響，保持較低的同軸度需要較低的模具和熔體溫度以及較高的保壓壓力.

(3)對于液晶高分子插針來說，模具溫度、熔體溫度和保壓壓力對插針同軸度的影響較大，保壓時間次之，流動速率無明顯規律，保持較低的同軸度需要較高的熔體溫度和保壓壓力以及較低的模具溫度.

［1］章美敏，林彬.氧化鋯陶瓷光纖插針注射成形模擬［J］.模具工業，2006(8):63-66.

［2］朱漢英.日本光纖連接器發展動向［J］.光纖與電纜及其應用技術，1987(6):24-27.

［3］蔡玉麗.MEMS集成光纖連接器關鍵技術研究［D］.上海:上海交通大學，2007:10-22.

［4］馬天，黃勇，楊金龍.光纖連接器用插針材料［J］.材料導報，2002(1):28-30.

［5］范載云.液晶塑料已成功應用于光纖連接器［C］∥中國通信學會2002年光纜電纜學術年會.上海:中國通信學會通信線路委員會，2002:6.

［6］梅如敏.光纖連接器陶瓷插針同軸度測量系統的研究［D］.武漢:華中科技大學，2005:1-30.

［7］單言.MoldFlow模具分析技術基礎與應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2012:2-80.