雙組分精密配比點(diǎn)膠閥設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張艷貞

（廈門叢蔚科技有限公司，廈門 361024）

在微電子、化學(xué)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域，點(diǎn)膠是生產(chǎn)制造過程中非常重要的一道工藝流程，在一些需要運(yùn)用膠水進(jìn)行膠合的場景中應(yīng)用廣泛。目前，常見的膠水有雙組分膠水和單組分膠水兩類。雙組分膠水在耐腐蝕、固化后的硬度和強(qiáng)度上都比單組分膠水性能更優(yōu)，在工業(yè)生產(chǎn)制造中應(yīng)用廣泛[1]。

智能高精密配比閥是點(diǎn)膠設(shè)備的一種。目前，點(diǎn)膠技術(shù)大量運(yùn)用于電子制造工藝，是電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造中不可或缺的工藝，涵蓋了大部分的電子制造工藝，如表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology，SMT）、手機(jī)組裝、電池組裝和通信光耦合器的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）裝配等[2]。

螺桿泵式點(diǎn)膠閥可以實(shí)現(xiàn)高精度出膠，廣泛運(yùn)用于高精度要求的應(yīng)用場景。但是，螺桿泵式點(diǎn)膠閥制造成本昂貴且不易于清理維護(hù)，而智能高精密配比閥使用柱塞式出膠方法，性價比高、性能穩(wěn)定，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可[3-4]。高端膠閥的開發(fā)助推點(diǎn)膠技術(shù)的發(fā)展，對我國電子制造行業(yè)具有重要意義[5]。

1 雙組分精密配比點(diǎn)膠閥

1.1 方案選擇

柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥目前有兩種不同的設(shè)計(jì)方案，分別為單伺服柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥和雙伺服柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥。兩者的主要區(qū)別在于，單伺服柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥由單個電機(jī)驅(qū)動活塞桿共同出膠，雙伺服柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥由兩個電機(jī)驅(qū)動各自的活塞桿分別出膠。從單伺服柱塞式雙組分配比點(diǎn)膠閥工作時遇到的問題出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)分析原因，并通過選擇雙伺服柱塞式方案解決單伺服系統(tǒng)的問題?，F(xiàn)有的單伺服雙組分配比點(diǎn)膠閥的實(shí)際圖以及部分裝配圖，如圖1 所示。

圖1 單伺服雙組分配比點(diǎn)膠閥

該出膠模式的優(yōu)點(diǎn)是出膠統(tǒng)一，但由于使用的兩組膠水特性截然不同，作為充填劑的A 膠黏度范圍為15 000 ～40 000 mPa·s，作為固化劑的B 膠黏度范圍為150 ～350 mPa·s。當(dāng)統(tǒng)一推進(jìn)兩種特性不同的膠水時，流道內(nèi)壓力不同，會影響配比精度。

對單伺服雙組分配比點(diǎn)膠閥進(jìn)行點(diǎn)膠配比精度測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2 所示?？梢姡谄毡榉€(wěn)定情況下仍有數(shù)次膠水不符合方案預(yù)期（10.91%～25.92%），且普遍是由B 膠膠量異常導(dǎo)致比例失調(diào)。

圖2 AB 膠比例散點(diǎn)圖

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，得出主要原因有兩個方面。一方面，單伺服雙組分配比閥的同步性高，出膠時兩組膠水受到相同的推力，但膠水性質(zhì)不同使得B 膠受到的內(nèi)部壓力更大，導(dǎo)致第一次出膠時B 膠流道需要釋放積攢的余壓。這解釋了比例異常幾乎都出現(xiàn)在第一次出膠時，而解決辦法是給B 膠流道一定的壓力補(bǔ)償，但單伺服結(jié)構(gòu)難以通過自身做到單組分補(bǔ)償。另一方面，A、B 兩組膠水的流道設(shè)計(jì)于同一個零件內(nèi)，使得閥體膠道路徑復(fù)雜、流道過長，導(dǎo)致壓力損失過大。每當(dāng)單邊膠路出現(xiàn)問題，都需要拆卸維護(hù)整個閥體，導(dǎo)致整個膠路暴露在空氣中，增加了原本穩(wěn)定的膠路的故障風(fēng)險。此外，清洗維護(hù)完成后，還需要對整個閥體進(jìn)行排膠，目的是將清洗時進(jìn)入閥體內(nèi)的空氣排出膠路，增加了維護(hù)成本。

為了設(shè)計(jì)4 ∶1 且能將配比精度穩(wěn)定控制在±5%以內(nèi)的雙組分配比點(diǎn)膠閥，通過分析現(xiàn)有單伺服配比點(diǎn)膠閥的局限性后，選定雙伺服驅(qū)動方式，將兩組膠水流道進(jìn)行獨(dú)立化處理，在保證閥體精度的同時，增加閥體的靈活性，并減少后期維護(hù)成本。

1.2 設(shè)計(jì)思路

雙組分配比點(diǎn)膠閥采用柱塞桿-柱塞腔的組合結(jié)構(gòu)。通過控制柱塞行程來推膠，即柱塞單次行程為單次出膠體積，與柱塞腔內(nèi)膠水溫度、黏度、壓力等因素?zé)o關(guān)，能很好地實(shí)現(xiàn)各種不同黏度膠水間的精確配比作業(yè)。此外，針對不同的配比需求，直接通過修改兩個伺服電機(jī)的行程來改變出膠量，具有高效改變出膠方案、出膠量一致性良好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，能滿足大多數(shù)點(diǎn)膠需求。

雙伺服雙組分配比點(diǎn)膠閥具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由驅(qū)動模塊、主體結(jié)構(gòu)模塊（進(jìn)膠模塊、流道模塊）和出膠模塊3 部分構(gòu)成。

圖3 雙組分配比點(diǎn)膠閥整體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)模塊兩側(cè)各有2 個進(jìn)氣口，經(jīng)電磁閥后與外部供膠裝置相連，用于控制4 個活塞的通斷，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出膠兩種狀態(tài)的切換。從主體模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，完成整體膠路的搭建，同時進(jìn)行驅(qū)動模塊的建模和驅(qū)動模塊的選型與設(shè)計(jì)。

2 流道設(shè)計(jì)

雙伺服雙組分配比點(diǎn)膠閥采用雙組分獨(dú)立流道、獨(dú)立驅(qū)動方式，使點(diǎn)膠閥靈活實(shí)現(xiàn)變比例功能、獨(dú)立壓力補(bǔ)償功能，確保達(dá)成配比精度與出膠精度的雙精度。對于進(jìn)膠流道，A、B 膠膠水性質(zhì)完全不同，其中A 膠黏度大，而B 膠為硬化劑，膠量要求小且黏度小于A 膠。在保證相同進(jìn)膠速度情況下，A 膠膠路直徑應(yīng)大于B 膠膠路。對于轉(zhuǎn)換通道，需要用密封圈對進(jìn)膠轉(zhuǎn)接塊進(jìn)行密封銜接處理，負(fù)責(zé)閥體進(jìn)膠狀態(tài)和出膠狀態(tài)的切換。進(jìn)膠狀態(tài)下，膠水從各自流道進(jìn)膠，膠水進(jìn)入活塞腔推動活塞桿，感知達(dá)到指定位置時電磁閥掉電，撞針復(fù)位，進(jìn)膠口膠道阻斷，進(jìn)膠停止，吸膠完成。出膠狀態(tài)下，活塞桿在滾珠絲桿的驅(qū)動下，按照預(yù)先設(shè)定的行程移動擠壓活塞腔內(nèi)膠水。由于進(jìn)膠通道已經(jīng)被阻斷，受擠壓的膠水只能從另一個出膠通道流出。

3 流道壓力計(jì)算及仿真

總水頭損失hw等于沿程壓力損失和局部壓力損失之和，即

式中：n為流程段數(shù)；m為會形成局部阻力的障礙數(shù)。閥體中主要壓力損失都集中于出膠模塊，而A膠又在雙組分膠水中發(fā)揮填充劑作用，故它的黏度最高，壓力損失大。因此，需要對A 膠在出膠流道內(nèi)的壓力損失進(jìn)行計(jì)算和后續(xù)仿真，以優(yōu)化流道。

3.1 壓力損失計(jì)算

首先判別流體的流動形態(tài)，計(jì)算方程為

式中：ρ為流體密度常數(shù)，kg·m-3；u為流體的初始速度，m·s-1； ? 為流道長度，m；μ為流體的黏度，Pa·s。

選用的膠水流體密度為1 500 kg·m-3；動力黏度范圍為5 000 ～40 000 mPa·s，取中間值μ=30 000 mPa·s；膠水入口速度由電機(jī)運(yùn)行中實(shí)際轉(zhuǎn)速求得，u=0.05 m·s-1。由式（2）得此時的雷諾數(shù)Re＜2 300，管內(nèi)流動狀態(tài)為層流狀態(tài)。

3.1.1 沿程水頭損失

已知沿程水頭損失公式為

式中：l為流段長度，mm；v為流段內(nèi)流體流速，m·s-1；d為流段圓管直徑，mm；λ為沿程阻力系數(shù)，表達(dá)式為

已知入口速度為0.05 m·s-1，入口處圓管直徑d1=5 mm，流程長度l1=16 mm，設(shè)其沿程水頭損失為hf1，雷諾數(shù)為Re1，即，帶入式（3），得hf1=2.09 m。

通過水力直徑計(jì)算公式求解d2，已知水力直徑D為4 倍流道截面與潤濕周長的比值，即可得

由質(zhì)量守恒定律可知，此時管道內(nèi)平均流速v2為

設(shè)其沿程水頭損失為hf2，雷諾數(shù)為Re2，即于是有

對于出口處圓直管，管徑d3為4 mm，流程長度l3為36 mm，管內(nèi)平均流速為

設(shè)其沿程水頭損失為hf3，雷諾數(shù)為Re3，即于是有

綜合可知，該流道沿程水頭總損失hf為

根據(jù)ρ=1 500 kg·m-3，將其轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)大小P為1.836 MPa。

3.1.2 局部水頭損失

閥體中流道共有2 處直角彎折和1 處管徑變小造成的局部水頭損失。通過理論計(jì)算，由于流速較慢，整體局部壓強(qiáng)損失僅為0.005 MPa，故閥中總壓強(qiáng)損失為1.841 MPa。

3.2 膠道流體仿真

通過ANSYS Fluent 對A 膠道模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)定求解模型為Laminar 層流模型，設(shè)置入口壁面類型為速度入口。入口初始速度根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速知為v=0.05 m·s-1。設(shè)定出口邊界類型為壓強(qiáng)出口，基準(zhǔn)壓強(qiáng)設(shè)置為0 MPa，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 壓強(qiáng)分布云圖

流道壓強(qiáng)損失與所得計(jì)算以及預(yù)仿真結(jié)果基本相符，仿真結(jié)果可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。首先，避免局部結(jié)構(gòu)突變引起湍流現(xiàn)象；其次，獲取復(fù)雜流道、核心流道對流體的壓強(qiáng)損失，并控制在允許的范圍內(nèi)，提高液體輸送效率；再次，當(dāng)黏度較高時，膠水表現(xiàn)為層流，流速低時局部壓力損失較小，壓力損失主要為沿程壓力損失；最后，流道直角拐彎突變處會對主流道內(nèi)壓力產(chǎn)生重大影響，應(yīng)避免大突變流道。

4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與分析

在單伺服雙組分配比閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，開展雙伺服雙組分配比閥的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過仿真優(yōu)化核心局部流道，最終完成樣機(jī)的試制。針對雙伺服雙組分配比閥系統(tǒng)，開展工序能力指數(shù)（Complex Process Capability index，CPK）測定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算點(diǎn)膠閥CPK，結(jié)果表明，20 g 出膠A/B 膠水的比例為2 的A 膠CPK 為5.83，B 膠CPK 為2.13，比例的CPK 為1.90，總量的CPK為2.62，完全滿足行業(yè)中CPK 大于1.33 的要求。

圖5 CPK 測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

在單伺服雙液配比閥產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對比各種設(shè)計(jì)方案，選定雙伺服柱塞式設(shè)計(jì)方案。該方案解決了目前單伺服雙液配比點(diǎn)膠閥系統(tǒng)中存在的精度問題，在確保機(jī)械結(jié)構(gòu)合理性的前提下完成了機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)，保證在閥體更加緊湊、美觀的前提下，零件的強(qiáng)度、剛度、材料、加工方式能滿足要求。研究兩種膠水各自的特性，通過流體仿真分析計(jì)算對整體閥體內(nèi)部流道進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提升了閥體的整體性能。通過實(shí)驗(yàn)測定，驗(yàn)證了整體設(shè)計(jì)的有效性，可滿足行業(yè)內(nèi)對閥體性能的需求。