Φ1[1].70mm0.115mm光纤连接器陶瓷插芯_2006
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Φ1.70mm/0.115mm光纤连接器陶瓷插芯
注射模具设计
工程技术才学院 02机械设计制造及其自动化 廖震宇
学号：2002111018
【摘要】光纤连接器陶瓷插芯作为光纤连接器的主要部分是光通信网络的一个重要成
分。目前光纤连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，陶瓷插芯的外部直径和内孔直径是Φ1.70mm 和 0.115mm，公差均为± 0.03mm，同轴度要求小于等于 0.02mm。光纤连接器陶瓷插芯生产技术几乎被美日等发达国 家垄断，大部分陶瓷插芯毛坯由这些国家进口，其模具设计在国内更是个空白。本文根据光 纤连接器陶瓷插芯的结构特点，分析了其结构工艺和探讨了模具设计的关键技术及难点，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具设计；提出了氧化锆粉末注射喂料的流 动特性和粘结剂、润滑剂及其他添加剂的配方。
（2) 方案 1 使用的是三板注射模，只适用于制品的外表面、四侧壁不允许有浇口痕迹的 场合。这种浇口采用点浇口、且制品由定距分型机构实现顺序分型，然后由推出机构推出。
5
这种模具结构复杂，成本高。方案 2 使用的是两板注射模，它是注射模中最简单的一种，对 塑料制品成型的适应性很强，所以应用十分广泛，且成本比三板注射模要低。
陶瓷插芯（如图 1）毛坯由于内含一个 0.1mm 的小孔，且对尺寸同心度的要求都很高， 因此只有通过陶瓷末粉末注射成型(Ceramic Injection Molding)的技术才有可能。 陶瓷插 芯制作工艺分两部分，即毛坯制作和精密机械加工，首先用经过特殊处理的采用钇稳定的纳 米氧化锆粉体原料，造粒后在专用的模具中注射成型，然后经高温烧结成毛坯，第二部分则 是将毛坯经一系列精密研磨加工，达到亚微米级的加工精度，从而得到刚性好，精度高的陶 瓷插芯产品。
（3) 在开模过程上，方案 1 采用定距分型机构实现顺序分型，较为复杂。而方案 2 开模 简单，省开模的工序，生产效率更高。
综上所述，注塑模结构设计采用方案二。
2.6 标准模架的选择
模架选用龙记模架，采用大水口系统，型号 A 类。如图 10 所示
图 10：模架的选择
基本选择的尺寸：
模 具 宽 度 （ Mold_W ） =300mm ， 模具长度（Mold_L）=300mm；
组成
配方 种类
份数
陶瓷粉末 分散剂 增塑剂 分散介质 黏合剂 固含量
黏度
钇稳定的纳米氧化锆微粉 胺盐 甘油 水
丙烯酸共聚物乳液 44
0.25pa×s
100 取 6，采用圆形排列一模六腔 的方式。
2.3 注射机的选择
由型腔的数目，初定注塑模一次成型的氧化锆质量（制件和流道凝料质量之和）为 72.861 克和总体积 12143.513 立方毫米。 根据注塑模一次成型氧化锆质量和总体积，选择注塑机 型号为 XS-ZS-22。其该注射机的规格和性能如表 3。
定 模 板 高 度 （ AP_h ） =50mm ， 动模板高度（BP_h）=80mm。
2.7 浇注系统的设计
2.7.1 最佳浇注口位置分析 通过 Plastic Advisor 的 Gate Location
Analysis 的分析、计算，以不同的颜色显示给 出最佳浇口位置，如图 11 所示。
2.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸和材料的选择
2.1.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸
1．光纤连接器陶瓷插芯零件图（如图 2）
2．光纤连接器陶瓷插芯尺寸，如表 1 所示。 表 1：陶瓷插芯尺寸
图 2：光纤连接器陶瓷插芯零件图
外圆直径（mm） 内孔直径（mm）
同轴度（mm） 长度（mm）
SM
MM
φ1.7 ±0.03
key component for optical communication network . The field of information technology's industries has greatly changed and developed so dramatically. Use Ceramic Injection Molding to form the ferrule. The ferrule's outside diameter is 1.70±0.03mm and inner diameter is 0.115±0.03mm.The ferrule's concentricity is below 0.02mm.The ferrule's technique almost is controlled 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 Pro/MOLDESIGN is being used more and more enterprise to design mold structure.
【Key Words】Ferrule, Ceramic Injection Molding, UG, Pro/ENGINEER, MSC.Patran
教师点评：光纤连接器陶瓷插芯是光通信网络的一个重要部件，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）
1
一. 前言
1.1 光纤连接器陶瓷插芯的主要用途及制造工艺
光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，主要用于实现系统中设备间、设备 与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性两个端面精密地对接起来，使发射光 纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。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。
φ0.115 ±0.03 φ0.127 +0.003/-0.002
≦ 0.02
8.0 ± 0.3
2
2.1.2 光纤连接器陶瓷插芯的材料及其配方
光纤连接器用插芯现在使用陶瓷注射成型技术进行大批量的生产，而所使用的陶瓷材料 就是氧化锆。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适 宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；以氧化锆为主要原料的锆英石基陶瓷颜料，是高级釉料的重 要成分；氧化锆的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近， 成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料；氧化锆的相变增韧 等特性，成为塑性陶瓷材料的宠儿；良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复 合材料中性能优异的增强相。
2．方案 2
采用单分型面注塑模具结构，即两板模。其开模图（图 8）及最终成型的制件图如图（图 9）所示：
图 8：开模图
图 9：制件流道凝料图
开模方式：首先移动动模板将制件完全脱离镶针, 向开模方向移动 113mm。最后用顶出 机构将制件顶出，完成整个开模过程。
3．两个方案的比较和方案的选择
（1) 在特点上，方案 1 使用传统的开模方式，型腔在定模一侧，型芯在动模一侧。而方 案 2 则与传统不同，型腔在动模一侧，型芯在定模一侧，所以最终成型的制件都有所不同。 两者各有特点。
制成各种形状的材料制品，可以对工艺过程进行精确的控 制；特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量
图 1：陶瓷插芯图
生产来说，陶瓷的注射成形（CIM）更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产
品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异[1]。
二. 光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计
表 3：注射机的规格和性能
型号 XS-ZS-22
锁模力 250kN 喷嘴圆弧半径 12mm
额定注射量 20cm3
最大成型面积 90 cm2
喷嘴直径 2mm
螺杆直径 20mm
模板最大行程 160mm
注射方式 双柱塞
注射压力 115mpa 模具最大厚度 180mm 合模方式 液压-机械
注射行程 130mm
【关键词】光纤连接器陶瓷插芯；陶瓷粉末注射成型；UG；Pro/ENGINEER；MSC.Patran
The Injection Molding Design of Ferrule
【Abstract】The ferrule which are the key parts for optical connectors as develop are a
1.2 陶瓷注射成型技术
陶 瓷 粉 末 注 射 成 型 技 术 （ Ceramic Injection
Molding,CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，它
源于 20 世纪 20 年代的一种热压铸成型技术。该技术通过
加入一定量的聚合物及添加剂组元,赋予金属粉末、陶瓷
粉末跟聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要
4. 镶针（嵌件）零件图（如图 5）
图 5：镶针（嵌件）零件图
2.5 注塑模结构设计方案
1．方案 1 采用双分型面注塑模具结构，即三板模。其开模图（图 6）及最终成型的制件流道凝料
4
图如图 7 所示：
图 6：开模图
图 7：制件流道凝料图
开模方式：首先移动型芯固定板将镶针完全脱离制件，向开模方向移动 36mm。然后再 连同动模板向开模方向移动 113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个开模过程。
所以光纤连接器陶瓷插芯材料采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料（Y- PSZ），粘结剂配 方如表 2 所示。
表 2：氧化锆标准泥浆组成[2]
2.2 型腔数目的确定
为了使模具与注射机的生产能 力匹配，提高生产率和经济性，并 保证制件精度，加上制件的体积和 质量都比较小，所以要使用一模多 腔的方式。根据注射机的最大注射 量确定型腔数目，其计算公式为： n<=（0.8G—W2）/W1 =（0.8×120— 71.454）/1.41=17.4，（查《注塑 成型及模具设计》P77 式 7-4）
模具最小厚度 60mm
拉杆空间 235mm
2.4 镶针设计方案
3
1．方案 1 此方案设计的镶针其结构相当于悬臂梁。如图 3 所示：
图 3：镶针设计方案 1
图 4：镶针设计方案 2
2．方案 2
此方案设计的镶针其结构相当于简支梁。如图 4 所示：
3．两个方案的比较和方案的选择
光纤连接器陶瓷插芯的制造最为关键在于插芯内孔的同轴度（≦ 0.02mm）,在充模时， 方案 1 的镶针其结构相当于悬臂梁，若出现受力不均时，相当于悬臂梁的镶针就很容易变形， 影响插芯内孔的同轴度。方案 2 的镶针其结构相当于简支梁，由于两端都受到夹持力的作用， 在充模时，即使出现受力不均，其影响插芯内孔的同轴度要比方案 1 的镶针少得多。所以镶 针设计选择方案 2。
注射模具设计
工程技术才学院 02机械设计制造及其自动化 廖震宇
学号：2002111018
【摘要】光纤连接器陶瓷插芯作为光纤连接器的主要部分是光通信网络的一个重要成
分。目前光纤连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，陶瓷插芯的外部直径和内孔直径是Φ1.70mm 和 0.115mm，公差均为± 0.03mm，同轴度要求小于等于 0.02mm。光纤连接器陶瓷插芯生产技术几乎被美日等发达国 家垄断，大部分陶瓷插芯毛坯由这些国家进口，其模具设计在国内更是个空白。本文根据光 纤连接器陶瓷插芯的结构特点，分析了其结构工艺和探讨了模具设计的关键技术及难点，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具设计；提出了氧化锆粉末注射喂料的流 动特性和粘结剂、润滑剂及其他添加剂的配方。
（2) 方案 1 使用的是三板注射模，只适用于制品的外表面、四侧壁不允许有浇口痕迹的 场合。这种浇口采用点浇口、且制品由定距分型机构实现顺序分型，然后由推出机构推出。
5
这种模具结构复杂，成本高。方案 2 使用的是两板注射模，它是注射模中最简单的一种，对 塑料制品成型的适应性很强，所以应用十分广泛，且成本比三板注射模要低。
陶瓷插芯（如图 1）毛坯由于内含一个 0.1mm 的小孔，且对尺寸同心度的要求都很高， 因此只有通过陶瓷末粉末注射成型(Ceramic Injection Molding)的技术才有可能。 陶瓷插 芯制作工艺分两部分，即毛坯制作和精密机械加工，首先用经过特殊处理的采用钇稳定的纳 米氧化锆粉体原料，造粒后在专用的模具中注射成型，然后经高温烧结成毛坯，第二部分则 是将毛坯经一系列精密研磨加工，达到亚微米级的加工精度，从而得到刚性好，精度高的陶 瓷插芯产品。
（3) 在开模过程上，方案 1 采用定距分型机构实现顺序分型，较为复杂。而方案 2 开模 简单，省开模的工序，生产效率更高。
综上所述，注塑模结构设计采用方案二。
2.6 标准模架的选择
模架选用龙记模架，采用大水口系统，型号 A 类。如图 10 所示
图 10：模架的选择
基本选择的尺寸：
模 具 宽 度 （ Mold_W ） =300mm ， 模具长度（Mold_L）=300mm；
组成
配方 种类
份数
陶瓷粉末 分散剂 增塑剂 分散介质 黏合剂 固含量
黏度
钇稳定的纳米氧化锆微粉 胺盐 甘油 水
丙烯酸共聚物乳液 44
0.25pa×s
100 取 6，采用圆形排列一模六腔 的方式。
2.3 注射机的选择
由型腔的数目，初定注塑模一次成型的氧化锆质量（制件和流道凝料质量之和）为 72.861 克和总体积 12143.513 立方毫米。 根据注塑模一次成型氧化锆质量和总体积，选择注塑机 型号为 XS-ZS-22。其该注射机的规格和性能如表 3。
定 模 板 高 度 （ AP_h ） =50mm ， 动模板高度（BP_h）=80mm。
2.7 浇注系统的设计
2.7.1 最佳浇注口位置分析 通过 Plastic Advisor 的 Gate Location
Analysis 的分析、计算，以不同的颜色显示给 出最佳浇口位置，如图 11 所示。
2.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸和材料的选择
2.1.1 光纤连接器陶瓷插芯尺寸
1．光纤连接器陶瓷插芯零件图（如图 2）
2．光纤连接器陶瓷插芯尺寸，如表 1 所示。 表 1：陶瓷插芯尺寸
图 2：光纤连接器陶瓷插芯零件图
外圆直径（mm） 内孔直径（mm）
同轴度（mm） 长度（mm）
SM
MM
φ1.7 ±0.03
key component for optical communication network . The field of information technology's industries has greatly changed and developed so dramatically. Use Ceramic Injection Molding to form the ferrule. The ferrule's outside diameter is 1.70±0.03mm and inner diameter is 0.115±0.03mm.The ferrule's concentricity is below 0.02mm.The ferrule's technique almost is controlled 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 Pro/MOLDESIGN is being used more and more enterprise to design mold structure.
【Key Words】Ferrule, Ceramic Injection Molding, UG, Pro/ENGINEER, MSC.Patran
教师点评：光纤连接器陶瓷插芯是光通信网络的一个重要部件，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）
1
一. 前言
1.1 光纤连接器陶瓷插芯的主要用途及制造工艺
光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，主要用于实现系统中设备间、设备 与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性两个端面精密地对接起来，使发射光 纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。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。
φ0.115 ±0.03 φ0.127 +0.003/-0.002
≦ 0.02
8.0 ± 0.3
2
2.1.2 光纤连接器陶瓷插芯的材料及其配方
光纤连接器用插芯现在使用陶瓷注射成型技术进行大批量的生产，而所使用的陶瓷材料 就是氧化锆。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适 宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；以氧化锆为主要原料的锆英石基陶瓷颜料，是高级釉料的重 要成分；氧化锆的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近， 成为重要的结构陶瓷材料；特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料；氧化锆的相变增韧 等特性，成为塑性陶瓷材料的宠儿；良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复 合材料中性能优异的增强相。
2．方案 2
采用单分型面注塑模具结构，即两板模。其开模图（图 8）及最终成型的制件图如图（图 9）所示：
图 8：开模图
图 9：制件流道凝料图
开模方式：首先移动动模板将制件完全脱离镶针, 向开模方向移动 113mm。最后用顶出 机构将制件顶出，完成整个开模过程。
3．两个方案的比较和方案的选择
（1) 在特点上，方案 1 使用传统的开模方式，型腔在定模一侧，型芯在动模一侧。而方 案 2 则与传统不同，型腔在动模一侧，型芯在定模一侧，所以最终成型的制件都有所不同。 两者各有特点。
制成各种形状的材料制品，可以对工艺过程进行精确的控 制；特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量
图 1：陶瓷插芯图
生产来说，陶瓷的注射成形（CIM）更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产
品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异[1]。
二. 光纤连接器陶瓷插芯注射模具设计
表 3：注射机的规格和性能
型号 XS-ZS-22
锁模力 250kN 喷嘴圆弧半径 12mm
额定注射量 20cm3
最大成型面积 90 cm2
喷嘴直径 2mm
螺杆直径 20mm
模板最大行程 160mm
注射方式 双柱塞
注射压力 115mpa 模具最大厚度 180mm 合模方式 液压-机械
注射行程 130mm
【关键词】光纤连接器陶瓷插芯；陶瓷粉末注射成型；UG；Pro/ENGINEER；MSC.Patran
The Injection Molding Design of Ferrule
【Abstract】The ferrule which are the key parts for optical connectors as develop are a
1.2 陶瓷注射成型技术
陶 瓷 粉 末 注 射 成 型 技 术 （ Ceramic Injection
Molding,CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，它
源于 20 世纪 20 年代的一种热压铸成型技术。该技术通过
加入一定量的聚合物及添加剂组元,赋予金属粉末、陶瓷
粉末跟聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要
4. 镶针（嵌件）零件图（如图 5）
图 5：镶针（嵌件）零件图
2.5 注塑模结构设计方案
1．方案 1 采用双分型面注塑模具结构，即三板模。其开模图（图 6）及最终成型的制件流道凝料
4
图如图 7 所示：
图 6：开模图
图 7：制件流道凝料图
开模方式：首先移动型芯固定板将镶针完全脱离制件，向开模方向移动 36mm。然后再 连同动模板向开模方向移动 113mm。最后用顶出机构将制件顶出，完成整个开模过程。
所以光纤连接器陶瓷插芯材料采用钇稳定的纳米氧化锆粉体原料（Y- PSZ），粘结剂配 方如表 2 所示。
表 2：氧化锆标准泥浆组成[2]
2.2 型腔数目的确定
为了使模具与注射机的生产能 力匹配，提高生产率和经济性，并 保证制件精度，加上制件的体积和 质量都比较小，所以要使用一模多 腔的方式。根据注射机的最大注射 量确定型腔数目，其计算公式为： n<=（0.8G—W2）/W1 =（0.8×120— 71.454）/1.41=17.4，（查《注塑 成型及模具设计》P77 式 7-4）
模具最小厚度 60mm
拉杆空间 235mm
2.4 镶针设计方案
3
1．方案 1 此方案设计的镶针其结构相当于悬臂梁。如图 3 所示：
图 3：镶针设计方案 1
图 4：镶针设计方案 2
2．方案 2
此方案设计的镶针其结构相当于简支梁。如图 4 所示：
3．两个方案的比较和方案的选择
光纤连接器陶瓷插芯的制造最为关键在于插芯内孔的同轴度（≦ 0.02mm）,在充模时， 方案 1 的镶针其结构相当于悬臂梁，若出现受力不均时，相当于悬臂梁的镶针就很容易变形， 影响插芯内孔的同轴度。方案 2 的镶针其结构相当于简支梁，由于两端都受到夹持力的作用， 在充模时，即使出现受力不均，其影响插芯内孔的同轴度要比方案 1 的镶针少得多。所以镶 针设计选择方案 2。