鹽水注射機(jī)設(shè)計(jì)-帶答辯PPT【含11張CAD圖紙+文檔全套】
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鹽水注射機(jī)
學(xué)校代碼：10410
序 號(hào)：050454
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目： 鹽 水 注 射 機(jī)
學(xué) 院：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)：
年 級(jí)：
指導(dǎo)教師：
二OO九年 五 月
摘 要
此機(jī)械主要針對(duì)中小型用戶，用于日常生產(chǎn)生活中對(duì)肉制品腌制加工的注射鹽水部分，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，方便實(shí)用，易于推廣等特點(diǎn)。
通過(guò)對(duì)各種以往的注射機(jī)構(gòu)的分析，總結(jié)了注射機(jī)主要結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，主要基于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)各種液壓零件的組裝、利用，以及部分主要零件的再設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到目的。本機(jī)械共分手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式，手動(dòng)部分主要通過(guò)液壓缸的內(nèi)部活塞的運(yùn)動(dòng)，，從而帶動(dòng)液壓缸下部分柱塞的運(yùn)動(dòng)，來(lái)帶動(dòng)針板的目的，來(lái)達(dá)到對(duì)鹽水的吸入、注射等動(dòng)作，通過(guò)手柄的行程限制裝置來(lái)達(dá)到對(duì)液壓缸內(nèi)部吸入鹽水量的限制，從而控制針板注入鹽水體積及針頭插入深度等的限制；電動(dòng)部分主要通過(guò)位于機(jī)械下半部的液壓系統(tǒng)的控制，通過(guò)液壓缸二的參與來(lái)達(dá)到對(duì)針板的自動(dòng)控制。
通過(guò)對(duì)本機(jī)械的研究，能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)有更充分的認(rèn)識(shí)，運(yùn)用一些簡(jiǎn)單的液壓元件的組裝就能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的機(jī)械要求，本機(jī)械就是充分利用了此特點(diǎn)，能夠充分應(yīng)用的同時(shí)，又兼具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。但是我們?nèi)匀荒軌蚩吹奖緳C(jī)械的不足，正是由于機(jī)械的簡(jiǎn)單化，使得在操作精度上不能達(dá)到太高的要求，而且由于自身的種種限制，不適于配合大批量腌制肉類產(chǎn)品的生產(chǎn)，只適用于小型生產(chǎn)的輔助。
Abstract
The main machinery for small and medium-sized users, for the production of day-to-day life of the marinated meat processing part of the saline injection, a simple structure, low cost, convenient and practical, easy to promote and so on.
Through the various agencies of the previous injection analysis, summarized the main structure of the injection machine characteristics, based primarily on the design of the hydraulic system, through the various parts of the hydraulic assembly, use, and some of the major components of the re-design, to achieve the arm. This machinery consists of manual, automatic two ways, mainly through the manual part of the internal hydraulic cylinder piston movement, and thus part of the hydraulic cylinder piston movement, to board the purpose-driven, to achieve the brine of Inhaled, injected, and other moves, the journey through the handle limit device to achieve the hydraulic cylinder internal saline inhalation of the restrictions, the control board into the drip needle the size and depth of needle inserted into the restrictions adopted by some of the major electrical machinery in the second half Hydraulic system of control, through the participation of two hydraulic cylinders to achieve on-board control.
Through the study of the mechanical, hydraulic systems are able to more fully understand and use some simple hydraulic components of the assembly will be able to achieve some complex mechanical requirements, the machinery is made full use of this feature can be fully applied at the same time, And a simple and convenient features. But we can still see the inadequacies of the machinery, it is precisely because of mechanical simplicity, makes the operation can not be achieved high precision on the request, and because of various restrictions on their own, with not suitable for mass production of marinated meat products Applies only to small-scale production support.
目 錄
前 言 5
1 設(shè)計(jì)依據(jù) 6
2 方案設(shè)計(jì)（工作原理） 6
2.1 手動(dòng)工作方式 6
2.2電動(dòng)工作方式 7
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 8
3.1 手柄的行程 8
3.2液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.3活塞設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.4校核壓桿穩(wěn)定 10
3.5杠桿的強(qiáng)度計(jì)算 11
3.6連桿強(qiáng)度校核 11
3.7手柄強(qiáng)度校核 12
3.8銷的強(qiáng)度校核 12
3.9 立柱的強(qiáng)度計(jì)算 13
3.10彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.11上下托板強(qiáng)度計(jì)算 15
3.12 送料車導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及校核 15
3.13 鹽水箱的設(shè)計(jì) 15
3.14 濾清器與管接頭的選擇 16
4 電動(dòng)方案主要部件選擇 16
4.1 泵的選擇 16
4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 16
4.3 溢流閥的選擇 16
4.4 減壓閥的選擇 16
4.5 手動(dòng)換向閥的選擇 16
4.6 電磁換向閥的選擇 16
4.7 聯(lián)軸器的選擇 16
4.8 單向閥的選擇 17
5 鹽水注射機(jī)的正確使用和維護(hù) 17
5.1 安全注意事項(xiàng) 17
5.2 安裝注意事項(xiàng) 17
5.3 使用注意事項(xiàng) 17
5.4 維護(hù)注意事項(xiàng) 18
5.4.1 注射流不正確的可能誘因： 18
5.4.2 機(jī)器注射空氣或產(chǎn)生泡沫： 18
5.4.3 液壓泵制造出大的聲音和無(wú)規(guī)律的噪音： 18
5.4.4 機(jī)器速度降低： 18
5.4.5 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但沒(méi)有壓力： 18
6 設(shè) 計(jì) 小 結(jié) 18
7 參 考 文 獻(xiàn) 19
前 言
在肉禽制品加工中，常采用的加工方法是鹽腌，傳統(tǒng)的干腌法速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、效率低、成品率低、鹽分分布不均勻，影響肉制品加工的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。為了達(dá)到量化生產(chǎn)的目的，鹽水注射是近年來(lái)興起的一種較好的腌漬方法，它具有速度快，生產(chǎn)率高，鹽分及添加劑分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。
目前市場(chǎng)上的鹽水注射機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，每臺(tái)價(jià)格1-2萬(wàn)元，并且不能對(duì)帶骨的火腿及禽肉加工，容易斷針，只能針對(duì)同一規(guī)格的肉類禽類加工。
根據(jù)以上情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型鹽水注射機(jī)，最初的設(shè)計(jì)任務(wù)是手動(dòng)注射帶骨火腿。主要針對(duì)中小型肉制品加工廠及個(gè)體工商戶，產(chǎn)品主要面向鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和廣大農(nóng)村市場(chǎng)。要求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作可靠，適應(yīng)性好等特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化的要求不高。經(jīng)過(guò)計(jì)算論證，在加工質(zhì)量較小的肉禽制品中比較方便，但去加工質(zhì)量較大的火腿時(shí)，須多次注射，不是很方便。對(duì)此，導(dǎo)師提出加裝電動(dòng)方案，并且能與手動(dòng)兼容，由用戶根據(jù)需要選擇工作方式。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)討論，順利完成這一任務(wù)。
這種鹽水注射機(jī)具備以下特點(diǎn)：
1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，容易制造，大量工作部件可由市面上直接夠得。
2. 適應(yīng)性好，可以自由選擇電動(dòng)或手動(dòng)工作方式，機(jī)體高度以工作行程都可以進(jìn)行調(diào)節(jié),適于加工各種肉禽制品；適于用于中小肉制品加工廠及家庭作坊。
3. 使用可靠，壽命長(zhǎng)，該機(jī)主要采用液壓方式，無(wú)須避免骨頭，避免斷針，針頭使用壽命長(zhǎng)，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
4. 便于拆卸，互換，易于保養(yǎng)。
5. 結(jié)構(gòu)比較緊湊，布局比較合理。
1 設(shè)計(jì)依據(jù)
火腿質(zhì)量：5公斤左右 注射壓強(qiáng)： 0.6-0.8MPa
每條火腿注射鹽水量： 一升左右鹽水 注：一般注射的鹽液質(zhì)量為本身質(zhì)量的10％左右，鹽水濃度15g/100ml。
2 方案設(shè)計(jì)（工作原理）
2.1 手動(dòng)工作方式
扳動(dòng)手動(dòng)換向閥11至手動(dòng)工作狀態(tài)，即出口單向閥13接通分配針箱子12。
手柄16上提，連桿10帶動(dòng)杠桿25，通過(guò)滑塊26帶動(dòng)缸1活塞上移，缸容積增大，缸1內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)真空度，出口單向閥13關(guān)閉，進(jìn)口單向閥9在大氣壓作用下打開，鹽水注入缸1中，由于控制了手柄的行程，所以缸1內(nèi)壓力增大，柱塞29受液壓力不斷增加，克服彈簧力下壓，帶動(dòng)針架下壓，并將針頭刺入肉中，并被行程限位桿頂住，壓力不斷增加，出口單向閥此時(shí)打開，鹽水通過(guò)手動(dòng)換向閥注入分配針箱，通過(guò)針頭注入肉中。由于限位標(biāo)尺，所以保證注射的鹽水為設(shè)定值。
手柄16上提，壓力減小，出口單向閥關(guān)閉，缸1內(nèi)出現(xiàn)真空度，柱塞29在復(fù)位彈簧17作用以及大氣壓作用下上移，帶動(dòng)針架14上移，進(jìn)行又一次吸液。
送料用小車通過(guò)導(dǎo)軌輸送。
2.2電動(dòng)工作方式
將手動(dòng)換向閥11轉(zhuǎn)動(dòng)到電動(dòng)工作方式，即缸2與分配針箱接通，合上閘刀，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過(guò)連軸器將動(dòng)力傳送給單作用葉片泵將鹽水從水箱抽出，通過(guò)減壓閥，將壓力降低，電磁閥在未通電情況下，將鹽水送到缸2下部，當(dāng)套筒20頂住上缸蓋時(shí)，缸下部鹽水壓力增大，鹽水通過(guò)溢流閥流回水箱，保證缸下部的鹽水定量。
壓下手柄16，缸1壓力增大，柱塞9克服彈力下移并將針刺入肉中，并與行程限位桿19接觸，與裝在其上的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)24接觸，開關(guān)24是控制電磁閥的，開關(guān)24接通，電磁閥得電，缸2下部出口通過(guò)手動(dòng)換向閥門11與分配針箱12相連，泵2與缸2上部接通，泵2將鹽水送到缸2上部，并擠壓活塞，將缸2下部鹽水?dāng)D入分配針箱，注入肉中，注完后，提起手柄16，柱塞29帶動(dòng)針架上行，點(diǎn)動(dòng)開關(guān)24斷電，電磁閥斷電，則泵2與缸2下部接通，泵2將鹽水受壓流回水箱，為減輕活塞沖擊，在接回水箱的通路中接一背壓?jiǎn)蜗蜷y23使缸2上部鹽水回流時(shí)保持一定而減輕沖擊。
1. 單向閥 2. 葉片泵 3. 鹽水箱 4. 溢流閥 5. 減壓閥 6. 電磁換向閥
7. 活塞缸2 8. 活塞缸1 9. 單向閥 10. 連桿 11. 手動(dòng)換向閥 12. 分配針箱 13. 單向閥 14. 針架 15. 送料車 16. 手柄 17. 復(fù)位彈簧
18. 地座 19. 行程限位桿 20. 定位套筒 21. 導(dǎo)軌 22. 壓力表 24. 點(diǎn)動(dòng)開關(guān) 25. 杠桿 26. 滑塊 27. 標(biāo)尺 28. 限位擋板 29. 柱塞
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 手柄的行程
大約為400mm－600mm之間,連桿各段之間采用銷軸結(jié)合開口銷連接 ,
手柄端作用力,
設(shè)活塞行程等于，活塞直徑為D1，則＝V1
把工作壓力乘以安全系數(shù)k=1.25，取工作壓力P＝1MPa，
活塞壓力 ＝
設(shè)杠桿機(jī)構(gòu)兩端受力比為k，即，
則，，
假設(shè)就一次注射，則V＝500mm，
，
，∠1k為手柄行程
，。
顯然與不符，所以分一次注射是不可能的，超出人的作用力范圍。
現(xiàn)設(shè)分n次注射，每次注射量,Lx為每次活塞行程：
，
但，。
所以選擇 n＝5 比較合適，是人可以接受的范圍，即每次注射100ml ，
設(shè)D＝40mm,則行程，則k＝6.
1、 選擇柱塞直徑，設(shè)柱塞直徑為20mm，要求針頭刺入肉中為40mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求（要求設(shè)計(jì)中針頭刺入肉中長(zhǎng)度為可調(diào)），
設(shè)定最大行程為80mm，取柱塞長(zhǎng)度為150mm，
在吸液時(shí)，柱塞上升要排開液體體積為：，
為活塞附加行程，
則活塞行程 ,取，
3.2液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算
為了達(dá)到防銹和衛(wèi)生的要求，選擇材料（防銹鋁），
，
由于工作壓強(qiáng)很小，工作壓強(qiáng)P＝1MPa,所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及外徑系列標(biāo)準(zhǔn)，取缸壁厚t=7mm，缸長(zhǎng) L=100＋80＝180
化整取 L＝200mm 。
3.3活塞設(shè)計(jì)計(jì)算
活塞桿直徑確定：
，
，
活塞桿材料選用不銹鋼：，
其中 ，，取安全系數(shù)為1.5
則，
，，
考慮到加工性，選取d=12mm
3.4校核壓桿穩(wěn)定
活塞桿長(zhǎng)度 取安全系數(shù)為5
,,,, a = 461MPa , b = 2.568MPa
因?yàn)椋? 又有 ， 所以
所以滿足壓桿穩(wěn)定條件
3.5杠桿的強(qiáng)度計(jì)算
選用材料 ，冷拔圓鋼
，
，取d＝32mm
3.6連桿強(qiáng)度校核
經(jīng)校核，壓力穩(wěn)定
則根據(jù)歐拉公式，又有桿長(zhǎng)L＝1000mm
，
，
取安全系數(shù)k＝5，則
所以滿足壓桿穩(wěn)定條件。
3.7手柄強(qiáng)度校核
，，取d＝32mm。
3.8銷的強(qiáng)度校核
連桿連接處全部采用的銷軸與開口銷合用連接，
銷軸GB/T 882－1986，材料 ，技術(shù)要求按照技術(shù)手冊(cè)執(zhí)行；
開口銷 GB/T 91－2000
, 取2 ，則
，
， 取1.8，
剪切強(qiáng)度的校核：
對(duì)，杠桿支點(diǎn)處是危險(xiǎn)截面，對(duì)此處銷釘?shù)募羟袕?qiáng)度校核
，
滿足剪切強(qiáng)度要求，所以其各處的銷子滿足剪切強(qiáng)度要求
擠壓強(qiáng)度的校核：
對(duì)吊桿處的銷子進(jìn)行擠壓強(qiáng)度校核，此處面積小，受力大，是危險(xiǎn)截面
，
所以此處銷子滿足擠壓強(qiáng)度要求，其銷釘也滿足擠壓強(qiáng)度要求。
3.9 立柱的強(qiáng)度計(jì)算
當(dāng)F最大時(shí)，即用電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，鄰近Ⅱ缸的兩個(gè)立柱受力最大，危險(xiǎn)截面在導(dǎo)軌與托板之間
先分析作用在四個(gè)立柱上的力，假設(shè)由于安裝誤差，鄰近Ⅱ缸的兩個(gè)立柱只有一個(gè)受力，
,
所以滿足正應(yīng)力強(qiáng)度條件。
計(jì)算壓桿穩(wěn)定，假設(shè)力全部作用在上托板與立柱接觸，
取安全系數(shù)為5，
所以滿足壓桿穩(wěn)定條件
綜合以上，立柱滿足正壓力強(qiáng)度條件與壓桿穩(wěn)定條件。
3.10彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算
3.10.1材料選取65mm 鋼，
柱塞的行程為 80mm，即彈簧的變形量為 80mm，預(yù)載荷F為壓板及柱塞重量，以 及針座，針頭及膠管的重量約為5KG
，
設(shè)定出口單向閥的開啟壓力為0.05MPa，
型，材料為
小彈簧直徑d，
，
曲度系數(shù)： ， h＝1.12
3.10.2彈簧指數(shù)（旋繞比）
，一般取c值為 4～16 ， F為工作載荷，取c＝12
，
，
取 d＝2.5mm，則中徑
彈簧有效工作圈數(shù)：
，取n＝18（圓整）
彈簧的螺旋角α，節(jié)距 t
，取
壓縮彈簧的最大工作載荷Fmax作用下，各圈之間應(yīng)留有一定的余留空隙
，取
彈簧厚度：
，取
彈簧絲展開長(zhǎng)度
3.11上下托板強(qiáng)度計(jì)算
把托板受力向中心簡(jiǎn)化，上托板受力比下托板變大，所以對(duì)上托板計(jì)算，則上托板中心受力最大時(shí)為電動(dòng)工作方式：
液壓力：，
支架力：，
， ，
， ，
，
，
t= 8.3mm
考慮到加工性能取 t=10mm
強(qiáng)度校核：
所以滿足強(qiáng)度要求，上托板t=10mm可以滿足要求，考慮到加工性，下托板也采用 t =10mm。
3.12 送料車導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及校核
采用倒V字型設(shè)計(jì)，材料為45＃，考慮到導(dǎo)軌需要承受送料車本身以及所承載的原料的共同重量，所以要校核導(dǎo)軌的穩(wěn)定性.
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到45＃的屈服點(diǎn)為355MPa，而導(dǎo)軌需承受的重量約為20Kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，所以不需校核，可以滿足要求。
3.13 鹽水箱的設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)械手冊(cè)得到，金屬型大于150*150，其壁厚為10mm，考慮到鹽水箱的耐腐蝕性的特點(diǎn)，故材料選用防銹鋁LF2，，抗拉強(qiáng)度為190MPa，硬度HBS為45，其耐腐蝕性好，可在冷狀態(tài)下壓力加工。
3.14 濾清器與管接頭的選擇
由于都是標(biāo)準(zhǔn)件，故可以直接查技術(shù)手冊(cè)得
濾清器選用WU－40*180型，過(guò)濾精度為180um,壓力損失∠0.01，流量40L/min,通徑20mm，螺紋連接，完全可以滿足要求。
管接頭采用流量為6.3L/min，外徑為8mm，內(nèi)徑為6mm，公稱壓力為31.5MPa,工作溫度為20－80度。
整個(gè)系統(tǒng)的連接管道全部采用外徑8mm,內(nèi)徑為6mm的膠管連接，考慮到液體鹽水濃度不高，膠管彎曲可以滿足設(shè)計(jì)要求。
4 電動(dòng)方案主要部件選擇
4.1 泵的選擇
由于整個(gè)系統(tǒng)要求流量均勻，壓力必須保證在0.6～0.8MPa之間，因此選用YB-A6B-JL 型葉片泵，壓力范圍：0－6.86MPa，流量 5.1－6.4 L/M，且該泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小。
4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)以上泵的參數(shù)選擇Y801－4型電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速 1500 r/m，功率0.55KW，
效率73.0％－74.5％，功率因數(shù) 0.76，額定轉(zhuǎn)矩 2.2，額定電源 6.5A。
4.3 溢流閥的選擇
選 Y-Ha10管式連接，壓力范圍小于 2.94MPa－24.5MPa。
4.4 減壓閥的選擇
因?yàn)闃O限壓力為 1MPa，而泵輸出壓力太高，必須選用一個(gè)定差減壓閥，壓z力調(diào)節(jié)范圍應(yīng)涵蓋 6－7MPa ，選擇JF－B10G， 壓力調(diào)節(jié)范圍為 0.7－7MPa，管式連接。
4.5 手動(dòng)換向閥的選擇
選用23S－L25D 二位三通閥，螺紋連接，額定流量 25 L/M，壓力范圍小于 1.96－61.74MPa。
4.6 電磁換向閥的選擇
35D－63B干式三位五通電磁換向閥，管式連接，壓力6.174MPa。
4.7 聯(lián)軸器的選擇
選擇鏈條聯(lián)軸器（單排鏈）
許用扭矩 58.8－6174N·M，最大轉(zhuǎn)速500－1600轉(zhuǎn)/分，軸線相對(duì)位移1。
特點(diǎn)：易拆卸，維護(hù)方便，保養(yǎng)方便，但吸收沖擊和振動(dòng)性能差，用于潮濕，多塵，高溫條件下，允許兩軸有較大的安裝偏差，允許正反轉(zhuǎn)，不宜用于頻繁起動(dòng)，正反轉(zhuǎn)變化多的地方。該型號(hào)聯(lián)軸器能滿足設(shè)計(jì)要求。
4.8 單向閥的選擇
統(tǒng)一采用 DIF-L10H型直通式單向閥，其中單向閥的彈簧的彈性系數(shù)根據(jù)具體情況選擇。
5 鹽水注射機(jī)的正確使用和維護(hù)
如果在鹽水注射機(jī)使用過(guò)程中，不能正確操作就會(huì)引起機(jī)器損壞及人身傷亡。不但影響生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)企業(yè)及家庭造成不可挽回的損失。所以機(jī)手在操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)則，防止意外事故的發(fā)生。
5.1 安全注意事項(xiàng)
1.1 在任何情況下，永遠(yuǎn)不要把手伸進(jìn)機(jī)蓋、機(jī)罩和保護(hù)器的保護(hù)區(qū)域內(nèi)。
1.2 當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不要對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整或修理。
1.3 未切斷電源，不要拆卸或試圖修理電器元件。
1.4 一旦機(jī)器失靈，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，不要移動(dòng)電源或機(jī)器的安全設(shè)備。
1.5 不要把工具零件包等放在機(jī)器上或機(jī)器里。
5.2 安裝注意事項(xiàng)
2.1 機(jī)器定位后，必須調(diào)節(jié)腿的底腳，使機(jī)器保持水平。鹽水箱也要水平安裝。
2.2 機(jī)器潤(rùn)滑點(diǎn)必須充分潤(rùn)滑，如果潤(rùn)滑不足，必須加專用潤(rùn)滑油或等效油。
2.3 液壓泵的鹽水位，應(yīng)在指示刻度范圍，永遠(yuǎn)不要把不同濃度的鹽水混用。
2.4 安裝電源方向正確。
2.5 液壓泵馬達(dá)方向正確。
5.3 使用注意事項(xiàng)
3.1 使用時(shí)，鹽水箱不能空，否則鹽水泵和密封墊將會(huì)被損壞。
3.2 永遠(yuǎn)不要在設(shè)備沒(méi)有過(guò)濾器的情況下操作機(jī)器，鹽水注射機(jī)工作時(shí)，鹽水必須用其中一個(gè)過(guò)濾器工作，一旦這個(gè)過(guò)濾器滿了，可以讓鹽水直接流到另一個(gè)干凈的過(guò)濾器中，這樣不必停機(jī)，便可清洗臟的過(guò)濾器。并注意，只要過(guò)濾器網(wǎng)格上一個(gè)小洞，就會(huì)
引起針頭堵塞，應(yīng)該保證機(jī)器有好的過(guò)濾條件。
3.4 為了很好的注射，必須每天清洗針頭，在沸水中泡幾分鐘，用壓縮空氣反方向吹氣。
3.5 工作完畢，鹽水箱中鹽水必須倒空。裝滿清水，將鹽水泵的注射量調(diào)到最大，運(yùn)轉(zhuǎn)十分鐘，否則鹽水在泵中干燥，引起密封墊損壞，循環(huán)泵堵塞。
3.6 拆卸護(hù)柵，針頭必須停在上面。
3.7 清洗塑料機(jī)器元件，不能用很熱的水，因?yàn)闊崴顾鼈冏冃巍?
3.8 經(jīng)常保持機(jī)蓋和機(jī)門關(guān)閥，因?yàn)轳R達(dá)和液壓活塞并非不銹鋼制品，在含鹽空氣中，會(huì)降低它們的使用壽命。
3.9 永遠(yuǎn)不要把任何工具或物體放在送料車上，因?yàn)椴僮鲿r(shí)會(huì)毀斷針頭。
5.4 維護(hù)注意事項(xiàng)
5.4.1 注射流不正確的可能誘因：
1 鹽水箱中液體不足，因此空氣被吸進(jìn)；
2 進(jìn)口閥和出口閥沒(méi)有很好密封；
3 液體從傳送管中漏出。
5.4.2 機(jī)器注射空氣或產(chǎn)生泡沫：
1 檢查針頭，有沒(méi)有被塞?。?
2 檢查鹽水從隱密過(guò)濾器到鹽水泵的情況；
5.4.3 液壓泵制造出大的聲音和無(wú)規(guī)律的噪音：
1 連接軸壞了；
2 吸油路損壞。
5.4.4 機(jī)器速度降低：
1 通常由針頭堵塞引起，清洗針頭，如果針頭容易堵塞，檢查過(guò)濾器；
2 壓力下降，檢查并重新調(diào)整壓力；
3 液壓箱吸油過(guò)濾器堵住了。
5.4.5 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但沒(méi)有壓力：
1 壓力表壞了，必須更換；
2 隱密的閥門關(guān)著，壓力表就不運(yùn)轉(zhuǎn)。
6 設(shè) 計(jì) 小 結(jié)
轉(zhuǎn)眼之間，歷經(jīng)整整兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)馬上就要結(jié)束了，這是我們大學(xué)之中最后一個(gè)也是最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)、一個(gè)階段。畢業(yè)設(shè)計(jì)是考驗(yàn)我們大學(xué)這四年來(lái)的所學(xué)，它要求我們將大學(xué)這四年來(lái)所學(xué)到的知識(shí)能夠融會(huì)貫通、熟練應(yīng)用，并要求我們能夠理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)我們的綜合運(yùn)用能力以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在這個(gè)過(guò)程中，感到自己有學(xué)到了好多東西。
在這兩個(gè)月里，我們不斷學(xué)習(xí)、不斷積累并且不斷提高。在指導(dǎo)老師涂建平老師的悉心指導(dǎo)下，我們從最初的開題報(bào)告開始做起，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的確定。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)我們這四年來(lái)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)是否踏實(shí)的檢驗(yàn)，讓我們對(duì)這四年中所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了綜合，也讓我溫習(xí)了一些已經(jīng)快要淡忘的專業(yè)知識(shí)，更學(xué)習(xí)到了一些實(shí)際機(jī)械應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，無(wú)論是我們的學(xué)習(xí)知識(shí)的能力得到了鍛煉，更是使我們團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神得到了很好的鍛煉，此項(xiàng)設(shè)計(jì)是由我們兩個(gè)人共同完成，在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們兩個(gè)人主動(dòng)承擔(dān)任務(wù)，分工協(xié)作、積極配合，幾次修改設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了大量的理論計(jì)算，努力是設(shè)計(jì)更加趨向完善，雖然過(guò)程中曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)鬧矛盾的時(shí)候，但事后互相都能清楚的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，因?yàn)榇蠹叶际窍肱Π言O(shè)計(jì)做好，難免有心急的時(shí)候，但是相互寬容、諒解才是同學(xué)之間相處的根本，頭腦清醒了以后，我們又能積極的配合在一起努力工作，爭(zhēng)取把設(shè)計(jì)早日完成，同時(shí)也更加深了對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)的理解。
雖然設(shè)計(jì)是短暫的，但是得到的知識(shí)確是永久的，一個(gè)完好的設(shè)計(jì)是對(duì)整個(gè)四年大學(xué)生活的一個(gè)總結(jié)，并是對(duì)未來(lái)新的生活展開的一個(gè)良好的開端，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們都是抱著非常認(rèn)真的態(tài)度，遇到任何的問(wèn)題，都會(huì)積極向指導(dǎo)老師請(qǐng)教，但是知識(shí)還是要靠自己去獲得的，所以我們更多的時(shí)間都是自主的跑到圖書館去找資料，把相關(guān)的書籍都認(rèn)真的尋找，即使最后沒(méi)有找到需要的資料，但本身在看書的過(guò)程中也是一種收益，就是在指導(dǎo)老師和圖書館尋找資料的幫助下，我們的設(shè)計(jì)一點(diǎn)點(diǎn)的明朗，一點(diǎn)點(diǎn)的完善，自己也是一點(diǎn)點(diǎn)的高興起來(lái)，這是充滿自己汗水的成果啊。
我們知道，我們的設(shè)計(jì)還存在很多不足之處，但是我們相信，有了這個(gè)堅(jiān)持的信心，和大家對(duì)我們的幫助，我們一定會(huì)把它努力做得更好的。
最后，我們要衷心的感謝我們的指導(dǎo)老師涂建平，還有其它所有給過(guò)我們幫助和支持的老師和同學(xué)們，沒(méi)有你們，就沒(méi)有我們今天這個(gè)小小的成果，再次深深的感謝你們！
2009年5月10日
7 參 考 文 獻(xiàn)
[1] 機(jī)械工程師手冊(cè)(上).機(jī)械工業(yè)出版社
[2] 吳尚斌編著,公差配合使用技術(shù)手冊(cè).遼寧科學(xué)技術(shù)出版社
[3] 劉鴻文主編,材料力學(xué)(上、下). 高等教育出版社
[4] 劉鴻文主編,高等材料力學(xué).高等教育出版社
[5] 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上).機(jī)械工業(yè)出版社
[6] 雷天覺(jué)主編,液壓工程手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社
[7] 無(wú)錫輕院、天津輕院合編,食品工藝學(xué)(上).輕工出版社
[8] 天野慶之主編,肉制品加工工藝.輕工出版社
[9] 畫法幾何及工程制圖.第三版,上海科技出版社
[10] 邱宣懷主編,機(jī)械設(shè)計(jì).第四版，高等教育出版社
[11] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下）.第二版，石油化工出版社
[12] 畜牧機(jī)械. 第一期，1985
[13] 金華火腿加工工藝.輕工出版社
[14] 華中理工大學(xué)編著，液壓與氣壓傳動(dòng).高等教育出版社
20
江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
設(shè)計(jì)（論文）
課題名稱
鹽水注射機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
院（系）
工學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
職 稱
副教授
學(xué) 歷
學(xué)士
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求：
1、 了解鹽水注射機(jī)的基本工作原理和其各部分液壓系統(tǒng)元件的組成。
2、了解鹽水注射機(jī)液壓系統(tǒng)的基本原理。
3、掌握鹽水注射機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求，了解其專用加工設(shè)備。
4、掌握鹽水注射機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，能設(shè)計(jì)中等復(fù)雜的機(jī)械。
5、按規(guī)定的格式編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，字?jǐn)?shù)不少于5000個(gè)漢字，要求表述清楚，整潔規(guī)范；按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)繪制圖樣，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)、出圖，圖紙量不少于1.5張零號(hào)圖紙。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)：
內(nèi)容：1、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
2、設(shè)計(jì)各部分液壓系統(tǒng)的元件，計(jì)算受力情況。
3、繪制鹽水注射機(jī)的裝配圖及零件圖。
技術(shù)參數(shù)：1、鹽水注射機(jī)圖紙一份。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作計(jì)劃：
1、查閱技術(shù)文獻(xiàn)，了解鹽水注射機(jī)各部液壓系統(tǒng)工作流程。
2、制定注射機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，繪制注射機(jī)草圖。
3、鹽水注射機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制注射機(jī)的零件圖和總裝圖，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
接受任務(wù)日期 2008 年 12 月 1 日 要求完成日期 2009 年 5 月 10 日
學(xué) 生 簽 名 年 月 日
指導(dǎo)教師簽名 年 月 日
院長(zhǎng)（主任）簽名 年 月 日
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 李聲超
學(xué) 號(hào)： 05010216
外文出處： A. Safari and D. J. Waller, "Fine Scale PZT
Fiber/Polymer Composites”
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
譯文準(zhǔn)確，條理比較清楚，語(yǔ)句較通暢，基本能符合漢語(yǔ)的習(xí)慣。專業(yè)用語(yǔ)翻譯較為準(zhǔn)確，整體翻譯質(zhì)量較好。
簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
通過(guò)注射成型制造壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料
Leslie J. Bowen 和 Kenneth W. French
原料系統(tǒng)(有限)公司
摩洛哥康考德希爾克雷斯特大道53號(hào), 郵編01742
摘要
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究室的研究已經(jīng)證明通過(guò)使用壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料可以改進(jìn)檢漏器(水診器)潛能。作為美國(guó)海軍研究局的資助計(jì)劃的一部分，旨在開發(fā)針對(duì)這些合成物且具有成本效益制造技術(shù)，材料系統(tǒng)正在尋求一種陶瓷制造方法的注射成型。本文簡(jiǎn)要概覽了陶瓷注射成型過(guò)程的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，并且記敘了制造壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料的步驟及方法論。注射成型壓電陶瓷的設(shè)備和應(yīng)用程序都是區(qū)別于傳統(tǒng)的材料的加工。
緒論
壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料提供了設(shè)計(jì)的多功能性和性能優(yōu)勢(shì)，在遙感和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方面都超越單獨(dú)的陶瓷與聚合物的壓電材料。這些合成物已經(jīng)被開始用于高解析度超聲醫(yī)學(xué)以及海軍的發(fā)展應(yīng)用。在過(guò)去的十三年里，許多復(fù)合的配置已經(jīng)按照一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模被構(gòu)造且評(píng)估。其中最成功的組合之一，被指定復(fù)合物的紐納姆號(hào)，有一個(gè)三維連接陶瓷階段(壓電纖維)內(nèi)含三維連接有機(jī)聚合物的階段。檢漏器的性能系數(shù)可使得這個(gè)復(fù)合物超過(guò)那些通過(guò)適當(dāng)選擇階段特征和復(fù)合結(jié)構(gòu)的固體材料10000倍。
賓州州立大學(xué)復(fù)合物的制備是通過(guò)在一個(gè)跳汰機(jī)和封裝環(huán)氧樹脂中手調(diào)擠壓壓電陶瓷棒，之后限制適當(dāng)?shù)暮穸炔O化陶瓷。除了這種材料所展示出的性能優(yōu)勢(shì)，賓州州立大學(xué)的工作所凸顯的問(wèn)題涉及合成物的大規(guī)模制造或者甚至以原型為目的。這些是：
(1)在通過(guò)聚合物封裝時(shí)大量的壓電陶瓷光纖的庫(kù)存和供給需求。
(2)在極化過(guò)程中發(fā)生率高的介電擊穿是起于在一個(gè)典型的大型陣列遇到一個(gè)或多個(gè)有缺陷的纖維的顯著概率。
在過(guò)去的五年里，為了提高制造行業(yè)的生存能力并降低材料成本已經(jīng)多次嘗試簡(jiǎn)化傳感器的組裝工藝。早期的嘗試包括將壓電陶瓷的固體塊切割至理想的配置和聚合體階段的空缺回填。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被超聲醫(yī)學(xué)工業(yè)接受并用于制造高頻傳感器。最近，纖維材料公司已經(jīng)證明了其用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的編織技術(shù)在裝配壓電材料方面的適應(yīng)性。另外的一項(xiàng)探索技術(shù)涉及復(fù)制多孔織物已經(jīng)有適當(dāng)?shù)倪B通性。
對(duì)于極其精密尺度的復(fù)合材料，纖維的直徑大約為20至100微米，長(zhǎng)寬比大于5以滿足裝置性能需要的目標(biāo)。因此，這些困難再加上額外的成型與處理龐大數(shù)量且無(wú)缺陷的極其精細(xì)的纖維的挑戰(zhàn)。最近，西門子公司的研究人員表明非常精密尺度的復(fù)合材料可以通過(guò)一種不定的模具技術(shù)來(lái)制造。然而，這種方法需要為每一個(gè)部分制造一個(gè)新的模具。
本文介紹一種壓電復(fù)合加工的新方法，即:陶瓷注射成型。陶瓷注射成型無(wú)論對(duì)海軍的壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料或是對(duì)于極其加工規(guī)模的壓電復(fù)合材料(如那些所需的高頻超聲醫(yī)療及無(wú)損評(píng)估)都是一種具有成本效益的制造方法。注塑成型過(guò)程克服了通過(guò)網(wǎng)型預(yù)成型陶瓷纖維整列使裝配導(dǎo)向陶瓷纖維進(jìn)入復(fù)合材料傳感器的困難。除了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，該方法使得比那些以前的設(shè)想具有更復(fù)雜陶瓷元素幾何的復(fù)合傳感器成為可能，以致產(chǎn)生了為提高聲阻抗匹配性的更高的設(shè)計(jì)柔性以及橫向模式的取消。
過(guò)程描述
注塑成型被廣泛應(yīng)用于塑料行業(yè)作為一種較低成本、形狀復(fù)雜的迅速大規(guī)模生產(chǎn)。此種方法最適合應(yīng)用于陶瓷小截面形狀，例如線程導(dǎo)向，以及無(wú)需燒結(jié)至很高密度的大而復(fù)雜的形狀，如渦輪機(jī)的葉片鑄造插入。最近，這種方法已被研究用作生產(chǎn)熱發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的技術(shù)。
如圖1所示，注塑成型方法已被用于壓電陶瓷的成型。通過(guò)將熱塑性塑料與陶瓷粉末的混合物有機(jī)結(jié)合并注入一個(gè)冷卻模具，復(fù)雜的形狀就能方便且快速的正常與塑料結(jié)合成型。預(yù)防例如像金屬接觸硬化的表面，盡量減少金屬?gòu)幕旌团c成型器械受到的污染。對(duì)于陶瓷，型腔必須無(wú)損拆除，迫使高的固體載荷，嚴(yán)格控制型腔移除的過(guò)程，以及適當(dāng)?shù)膴A具。一旦型腔移除，隨后點(diǎn)火，極化并且環(huán)氧樹脂的封裝過(guò)程是和那些常規(guī)壓電陶瓷/復(fù)合材料類似。因此，此方法在替代制造路線上提供了很大優(yōu)勢(shì)：復(fù)雜，能夠同時(shí)處理許多纖維的近似網(wǎng)狀；快速的生產(chǎn)能力(通常是一部分幾秒)；統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的兼容性；材料的低浪費(fèi)；有關(guān)傳感器設(shè)計(jì)的柔性(允許PZT中元素空間和形狀的變化)；以及在中量至大量之間的低成本。一般來(lái)說(shuō)，由于最初加工的高成本，陶瓷注射成型的方法是最適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)成，需要低成本大批量。
圖1 注射成型過(guò)程流程 圖2 制作合成物的預(yù)成型方法
合成物的制造及評(píng)價(jià)
制造1-3壓電復(fù)合材料的方法如圖2a所示，這闡述了使用一個(gè)完整的陶瓷
胚型到纖維定位作用的壓電陶瓷預(yù)先成型的概念。在聚合物封裝后采用磨削去除陶瓷胚。除了簡(jiǎn)化許多纖維的處理，這種預(yù)先成型的方法允許廣泛地選擇壓電陶瓷元素幾何元素范圍，以使其性能最優(yōu)化。工具的設(shè)計(jì)是取得注塑壓電復(fù)合材料成功的重要因素。如圖2b所示的方法使用了無(wú)需導(dǎo)致額外重組成本的嵌入式的并允許局部變化的設(shè)計(jì)。圖2c所示如何配置個(gè)別的預(yù)加工的成品以形成大批生產(chǎn)
在實(shí)踐中，材料和成型參數(shù)必須最優(yōu)化并成型工具的設(shè)計(jì)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)在成型后完整的脫模。關(guān)鍵的參數(shù)包括：壓電陶瓷/裝夾工具之比，壓電元件的直徑和錐度，壓電陶瓷基本軸向厚度，工具表面的磨光，以及成型零件的脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了評(píng)估這些工藝參數(shù)而不承擔(dān)過(guò)多的工藝成本，一種工具的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎弥挥袃膳诺母髯?9個(gè)壓電陶瓷要素。每一行的要素都包括三個(gè)錐角(0，1和2度)以及兩個(gè)直徑(0.5mm和1mm)。為了容許成型收縮，預(yù)加工的工件尺寸維持在50mmX50mm，以盡量減少在制模周期中的冷卻部分折斷外層纖維的可能性。
圖3所示的綠色陶瓷瓶坯的制造使用這種工具配置。請(qǐng)注意，所有壓電陶瓷在成型后的完整的脫模，包括那些沒(méi)有縱向尖端不方便的脫模?？諝庵械木徛訜嵋呀?jīng)被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)適合去除有機(jī)粘合劑的方法。最后，燒壞的粘合劑被燒結(jié)在一個(gè)理論值在97-98%的富含氧化鉛的氣體中。在燒結(jié)這些合成物型坯時(shí)沒(méi)有遇到任何控制重量減輕的問(wèn)題，甚至是那些用于高頻超聲的高尺寸精度，高表面質(zhì)量的型坯。
圖3 注射成型1-3預(yù)成型合成物 圖4 電子顯微鏡掃描PZT表面
圖4說(shuō)明了表面為壓模和作為燒結(jié)的纖維，顯示出大約10um寬的存在的淺的折線，這是在注射成型過(guò)程中特有的。那個(gè)沿其長(zhǎng)度方向顯現(xiàn)出微小孔型設(shè)計(jì)的纖維取決于從工具中的脫模過(guò)程。圖5所示近似網(wǎng)狀的成型方式用于制造非常精細(xì)尺度的型坯的能力；所示壓電元件的尺寸只有30um。由作為這些燒結(jié)的表面指出，壓電陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)是密集且均勻的，由直徑為2-3um的細(xì)碎的等軸晶體構(gòu)成。
圖5 由近似網(wǎng)狀的成型的精密尺度的合成物
為了示范上述合成物制造的方法，注射成型和燒結(jié)的纖維行在用于成型合成物型坯的壓電陶瓷被磨光之后，大約總體10%的5H*壓電陶瓷合成物以及環(huán)氧樹脂Spurrs在制造時(shí)通過(guò)環(huán)氧成對(duì)封裝。圖6所示復(fù)合材料樣品使用剛才復(fù)合的壓電陶瓷/粘結(jié)劑混合物以及再生材料制造?；厥諒?fù)合物和成型的材料似乎是完全可行的，并且結(jié)果大大提高材料的利用率。
表1比較了使用粉末制造商準(zhǔn)備好的那些被報(bào)道的用于模壓的5H壓電陶瓷樣品注射成型壓電陶瓷樣品的壓電和介電的性能。當(dāng)燒結(jié)條件最優(yōu)于壓電陶瓷5H的條件，壓電和介電的性能都較所有材料有可比性。當(dāng)壓電陶瓷5H的原料物質(zhì)被考慮到受注射成型設(shè)備污染鐵的敏感性，這些有關(guān)的測(cè)量方法對(duì)于這種注射成型的壓電陶瓷材料可以忽略這類污染。
*粉末的提供方是俄亥俄州貝德福德的摩根士丹利公司，105A街區(qū)。
表1 壓電陶瓷注塑成型的參數(shù) 圖6 上述方法精制壓電陶瓷/樹脂合成物的注塑成型
總結(jié)
陶瓷注射成型已被證明是一種可行的制造壓電陶瓷和壓電陶瓷/聚合物傳感器的方法。注射成型壓電陶瓷的電相關(guān)特性區(qū)別于那些通過(guò)傳統(tǒng)的準(zhǔn)備好的粉末壓模，沒(méi)有證據(jù)證明在混合物以及成型設(shè)備中產(chǎn)生的金屬雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生污染影響。通過(guò)陶瓷的注射成型來(lái)制造合成物型坯，之后使用型坯來(lái)形成大批生產(chǎn)，此種方法已經(jīng)證明用于網(wǎng)狀大量制造壓電復(fù)合物傳感器。
致謝
這項(xiàng)工作由海軍研究事務(wù)所的Stephen E.Newfield先生贊助指導(dǎo)。作者要感謝Hong Pham女士提供的技術(shù)援助，以及材料研究實(shí)驗(yàn)所的Tomas Shrout博士，賓州州立大學(xué)所做的電器測(cè)量工作。
參考文獻(xiàn)
[1] R. E. Newnham等著，《復(fù)合壓電式傳感器》，材料工程，第二卷，93-106頁(yè)，1980年12月出版
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附件2：外文原文
FABRICATION OF PIEZOELECTRIC CERAMlClPOLYMER COMPOSITES BY INJECTION MOLDING.
Leslie J. Bowen and Kenneth W. French,
Materials Systems Inc.
53 Hillcrest Road, Concord, MA 01742
Abstract
Research at the Materials Research Laboratory, Pennsylvania State University has demonstrated the potential for improving hydrophone performance using piezoelectric ceramic/polymer composites. As part of an ONR-funded initiative to develop cost-effective manufacturing technology for these composites, Materials Systems is pursuing an injection molding ceramic fabrication approach. This paper briefly overviews key features of the ceramic injection molding process, then describes the approach and methodology being used to fabricate PZT ceramic/polymer composites. Properties and applications of injection molded PZT ceramics are compared with conventionally processed material.
Introduction
Piezoelectric ceramic/polymer composites offer design versatility and performance advantages over both single phase ceramic and polymer piezoelectric materials in both sensing and actuating applications. These composites have found use in high resolution medical ultrasound as well as developmental Navy applications. Many composite configurations have been constructed and evaluated on a laboratory scale over the past thirteen years. One of the most successful combinations, designated 1-3 composite in Newnham’s notation [l 1, has a one-dimensionally connected ceramic phase (PZT fibers) contained within a three-dimensionally connected organic polymer phase. Hydrophone figures of merit for this composite can be made over 10,000 times greater than those of solid PZT ceramic by appropriately selecting the phase characteristics and composite structure.
The Penn State composites were fabricated [ l ] by hand-aligning extruded PZT ceramic rods in a jig and encapsulating in epoxy resin, followed by slicing to the appropriate thickness and poling the ceramic. Aside
from demonstrating the performance advantages of this material, the Penn State work highlighted the
difficulties involved in fabricating 1-3 composites on a large scale, or even for prototype purposes. These are:
1) The requirement to align and support large numbers of PZT fibers during encapsulation by the polymer.
2) The high incidence of dielectric breakdown during poling arising from the significant probability of encountering one or more defective fibers in a typical large array.
Over the past five years several attempts have been made to simplify the assembly process for 1-3 transducers with the intention of improving manufacturing viability and lowering the material cost. Early attempts involved dicing solid blocks of PZT ceramic into the desired configuration and back-filling the spaces with a polymer phase. This technique has industry for manufacturing high frequency transducers [2]. More recently, Fiber Materials Corp. has demonstrated the applicability of its weaving technology for fiber-reinforced composites to the assembly of piezoelectric composites [31. Another exploratory technique involves replicating porous fabrics having the appropriate connectivity [4].
For extremely fine scale composites, fibers having diameters in the order of 25 to 100 pn and aspect ratios in excess of five are required to meet device performance objectives. As a result, these difficulties are compounded by the additional challenge of forming and handling extremely fine fibers in large quantities without defects. Recently, researchers at Siemens Corp. have shown that very fine scale composites can be produced by a fugitive mold technique. However, this method requires fabricating a new mold for every part [5].
This paper describes a new approach to piezoelectric composite fabrication, viz: Ceramic injection molding. Ceramic injection molding is a costeffective fabrication approach for both Navy piezoelectric ceramic/polymer composites and for the fabrication of ultrafine scale piezoelectric composites, such as those required for high frequency medical ultrasound and nondestructive evaluation. The injection molding process overcomes the difficulty of assembling oriented ceramic fibers into composite transducers by net-shape preforming ceramic fiber arrays. Aside from this advantage, the process makes possible the construction of composite transducers having more complex ceramic element geometries than those previously envisioned, leading to greater design flexibility for improved acoustic impedance matching and lateral mode cancellation.
Process Description
Injection molding is widely used in the plastics industry as a means for rapid mass production of complex shapes at low cost. Its application to ceramics has been most successful for small crosssection shapes, e.g. thread guides, and large, complex shapes which do not require sintering to high density, such as turbine blade casting inserts. More recently, the process has been investigated as a production technology for heat-engine turbine components [6,7].
The injection molding process used for PZT molding is shown schematically in Figure 1.
By injecting a hot thermoplastic mixture of ceramic powder and organic binder into a cooled mold, complex shapes can be formed with the ease and rapidity normally associated with plastics molding. Precautions, such as hard-facing the metal contact surfaces, are important to minimize metallic contamination from the compounding and molding machinery. For ceramics, the binder must be removed nondestructively, necessitating high solids loading, careful control of the binder removal process, and proper fixturing. Once the binder is removed, the subsequent firing, poling and epoxy encapsulation processes are similar to those used for conventional PZT/polymer composites [1]. Thus, the process offers the following advantages over alternative fabrication routes: Complex, near net-shape capability
for handling many fibers simultaneously; rapid throughput (typically seconds per part); compatibility with statistical process control; low material waste; flexibility with respect to transducer design (allows variation in PZT element spacing and shape); and low cost in moderate to high volumes. In general, because of the high initial tooling cost, the ceramics injection molding process is best applied to complex-shaped components which require low cost in high volumes.
Figure 1 : Injection Molding Process Route. Figure 2: Preform Approach to Composite Fabrication.
Composite Fabrication and Evaluation
The approach taken to fabricate 1-3 piezoelectric composites is shown in Figure 2a, which illustrates a PZT ceramic preform concept in which fiber positioning is achieved using a co-molded integral ceramic base. After polymer encapsulation the ceramic base is removed by grinding. Aside from easlng the handling of many fibers, this preform approach allows broad latitude in the selection of piezoelectric ceramic element geometry for composite performance optimization. Tool design is important for successful injection molding of piezoelectric composites. The approach shown in Figure 2b uses shaped tool inserts to allow changes in part design without incurring excessive retooling costs. Figure 2c shows how individual preforms are configured to form larger arrays
In practice, material and molding parameters must be optimized and integrated with injection molding tool design to realize intact preform ejection after molding. Key parameters include: PZT/binder ratio, PZT element diameter and taper, PZT base thickness, tool surface finish, and the molded part ejection mechanism design. In order to evaluate these process parameters without incurring excessive tool cost, a tool design having only two rows of 19 PZT elements each has been adopted for experimental purposes. Each row contains elements having three taper angles (0, 1 and 2 degrees) and two diameters (0.5 and l mm). To accommodate molding shrinkage, the size of the preform is maintained at 5Ox50mm to minimize the
possibility of shearing off the outermost fibers during the cooling portion of the molding cycle.
Figure 3 shows green ceramic preforms fabricated using this tool configuration. Note that all of the PZT elements ejected intact after molding, including those having no longitudinal tapering to facilitate ejection. Slow heating in air has been found to be a suitable method for organic binder removal. Finally, the burned-out preforms are sintered in a PbOrich atmosphere to 97-98% of the theoretical density. No problems have been encountered with controlling the weight loss during sintering of these composite preforms, even for those fine-scale, high-surface area preforms which are intended for high frequency ultrasound.
Figure 4 illustrates the surfaces of as-molded and as-sintered fibers, showing the presence of shallow fold lines approximately 10pm wide, which are characteristic of the injection molding process. The fibers exhibit minor grooving along their length due to ejection from the tool. Figure 5 shows the capability of near net-shape molding for fabricating very fine scale preforms; PZT element dimensions only 30pm wide have been demonstrated. The as-sintered surface of these elements indicates that the PZT ceramic microstructure is dense and uniform,n consisting of equiaxed grains 2-3pm in diameter.
Figure 3: Injection Molded 1-3 Composite Preforms. Figure 4: Scanning Electron Micrographs of As-molded
(Upper) and As-sintered (Lower) Surfaces of PZT Fibers
Figure 5: Fine-scale 2-2 Composite formed by Near Netshape olding (Upper Micrograph). As-sintered Surface
(Lower Micrograph).
In order to demonstrate the lay-up approach for composite fabrication, composites of approximately 10 volume percent PZT-5H" fibers and Spurrs epoxy resin were fabricated by epoxy encapsulating laid-up pairs of injection molded and sintered fiber rows followed by grinding away the PZT ceramic stock used to mold the composite preform. Figure 6 shows composite samples made from freshly-compounded PZT/binder mixture and from reused material. Recycling of the compounded and molded material appears to be entirely feasible and results in greatly enhanced material utilization. Table 1 compares the piezoelectric and dielectric properties of injection molded PZT ceramic specimens with those reported for pressed PZT-5H samples prepared by the powder manufacturer. When the sintering conditions are optimized for the PZT-5H formulation, the piezoelectric and dielectric properties are comparable for both materials. Since the donordoped PZT-5H formulation is expected to be particularlysensitive to iron contamination from the injection molding equipment, the implication of these measurements is that such contamination is negligible in this injection molded PZT material.
Summary
Ceramic injection molding has been shown to be a viable process for fabricating both PZT ceramics and piezoelectric ceramic/polymer transducers. The electrical properties of injection molded PZT ceramics are comparable with those prepared by conventional powder pressing, with no evidence of deleterious effects from metallic contamination arising from contact with the compounding and molding equipment. By using ceramic injection molding to fabricate composite preforms, and then laying up the preforms to form larger composite arrays, an approach has been demonstrated for net-shape manufacturing of piezoelectric composite transducers in large quantities. Acknowledgements This work was funded by the Office of Naval
Research under the direction of Mr. Stephen E. Newfield. The authors wish to thank Ms. Hong Pham for technical assistance, and Dr. Thomas Shrout of the Materials Research Laboratory, Penn. State University
for electrical measurements
References
[l] R. E. Newnham et al, "Composite Piezoelectric Transducers," Materials in Engineering, Vol. 2, pp. 93-106, Dec. 1980.
[2] C. Nakaya et al, IEEE Ultrasonics Symposium Proc., Oct. 16-18, 1985, p 634.
[3] S. D. Darrah et al, "Large Area Piezoelectric Composites," Proc. of the ADPA Conference on Active Materials and Structures, Alexandria, Virginia, Nov. 4-8, 1991, Ed. G. Knowles, Institute of Physics Publishing, pp 139-142.
[4] A. Safari and D. J. Waller, "Fine Scale PZT Fiber/Polymer Composites, " presented at the ADPA Conference on Active Materials and Structures, Alexandria, Virginia, Nov.4-8, 1991.
[5] U. Bast, D. Cramer and A. Wolff, "A New Technique for the Production of Piezoelectric Composites with 1-3 Connectivity," Proc. of the 7th CIMTEC, Montecatini, Italy, June 24-30, 1990, Ed. P. Vincenzini, Elsevier, pp 2005-201 5.
[6] G. Bandyopadhyay and K. W. French, "Fabrication of Near-net Shape Silicon Nitride Parts for Engine Application," J. Eng. for Gas Turbines And Power, 108, J. Greim et al, "Injection Molded Sintered Turbocharger Rotors," Proc. 3rd. Int. Symp. Heat Engines, Las Vegas, Nev., pp. 1365- 1375, Amer. Cer. Soc. 1989. pp 536-539, 1986.
[7] J. Greim et al, "Injection Molded Sintered Turbocharger Rotors," Proc. 3rd. Int. Symp. on Ceramic Materials and Components for Heat Engines, Las Vegas, Nev., pp. 1365- 1375, Amer. Cer. Soc. 1989
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