高精密點(diǎn)膠螺桿泵的參數(shù)分析與性能研究

韓帥月， 劉志奇， 王少川

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

引言

流體點(diǎn)膠技術(shù)是微電子封裝中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以構(gòu)造形成點(diǎn)、線、面及各種圖形，大量應(yīng)用于芯片固定、封裝倒扣和芯片涂敷。這項(xiàng)技術(shù)以受控的方式對(duì)流體進(jìn)行精確分配，可將理想大小的流體轉(zhuǎn)移到工件(芯片、電子元件等)的合適位置，以實(shí)現(xiàn)元器件之間機(jī)械或電氣的連接。電子封裝膠液分配過(guò)程要求點(diǎn)膠系統(tǒng)操作性能好、點(diǎn)膠速度快且點(diǎn)出的膠點(diǎn)一致性好和精度高[1-3]。在接觸型流體點(diǎn)膠技術(shù)中，根據(jù)點(diǎn)膠頭的驅(qū)動(dòng)源差別可分為：時(shí)間/壓力法點(diǎn)膠、活塞泵法點(diǎn)膠和螺桿泵法點(diǎn)膠[4-6]，目前市面上普遍采用螺桿泵點(diǎn)膠。螺桿泵點(diǎn)膠輸送平穩(wěn)，在針對(duì)含有固體顆粒的膠液時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，精密伺服電機(jī)的使用使得螺桿泵式點(diǎn)膠頭的點(diǎn)膠精度也比較高[7-8]。點(diǎn)膠螺桿泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，膠液從供膠設(shè)備進(jìn)入泵的吸入腔，伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)聯(lián)軸器、連接軸和傳動(dòng)軸傳動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)子，引起轉(zhuǎn)子的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，膠液被轉(zhuǎn)子帶到螺桿泵的排出腔，并從點(diǎn)膠針頭中壓出。

目前國(guó)內(nèi)外已有不少的螺桿泵點(diǎn)膠的相關(guān)設(shè)備推出，關(guān)于點(diǎn)膠螺桿泵的研究也各有側(cè)重。德國(guó)Viscotec公司旗下eco-PEN系列精密螺桿點(diǎn)膠泵直徑最大40 mm，流量范圍為0.12～60 mL/min，最小輸送量達(dá)到0.001 mL，點(diǎn)膠準(zhǔn)確率為98%，重復(fù)率達(dá)到99%。CHEN[9]開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)螺桿分配過(guò)程中的流速模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，并研究了不同轉(zhuǎn)速下，壓力、溫度、膠液物理特性等對(duì)螺桿點(diǎn)膠工藝性能的影響。NGUYEN T等[10]基于對(duì)介質(zhì)黏度、泵的轉(zhuǎn)速以及壓差的研究開(kāi)發(fā)了一種模型來(lái)預(yù)測(cè)螺桿泵的性能。El-Abd[11]開(kāi)發(fā)了一個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成程序以便對(duì)螺桿泵的進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，研究了定子間距、間隙等對(duì)螺桿泵容積效率的影響。劉洋[12]分析了轉(zhuǎn)速、膠液黏度，以及定轉(zhuǎn)子配合間隙對(duì)精密螺桿點(diǎn)膠泵點(diǎn)膠精度的影響規(guī)律。王亞秋[13]對(duì)螺桿泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了二維平面仿真，研究了轉(zhuǎn)速和黏度對(duì)泵工作性能的影響。前人已經(jīng)對(duì)螺桿泵的性能進(jìn)行了大量的研究，然而在螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)上的研究不夠深入，尤其螺桿泵用于點(diǎn)膠方向時(shí)的相關(guān)研究少之又少。

1.機(jī)座 2.聯(lián)軸器 3.連接軸 4.傳動(dòng)軸 5.轉(zhuǎn)子6.橡膠定子套 7.軸封 8.進(jìn)料孔 9.點(diǎn)膠頭圖1 點(diǎn)膠螺桿泵Fig.1 Dispensing screw pumps

本研究基于單螺桿泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性建立邊界條件，采用三維計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)高精密點(diǎn)膠螺桿泵流場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)值分析，最終得到使螺桿泵性能較優(yōu)的T/D，T/e區(qū)間以及適配的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

1 高精密點(diǎn)膠螺桿泵仿真模型

1.1 三維模型

根據(jù)實(shí)際的工作情況,以點(diǎn)膠量為3.6×10-4m3/h作為設(shè)計(jì)的初始要求，根據(jù)螺桿泵的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式選擇點(diǎn)膠螺桿泵的主要參數(shù)。單螺桿泵的流量公式為：

Q=480TeDnηv

(1)

式中，D—— 轉(zhuǎn)子截面直徑，mm

T—— 定子螺距，mm

e—— 泵偏心距，mm

n—— 泵轉(zhuǎn)速，r/min

ηv—— 泵容積效率,%

在本例中，先選取：T/e=20，T/D=3，ηv=0.8，n=150 r/min，計(jì)算得到的螺桿泵基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高精密點(diǎn)膠螺桿泵基本參數(shù) Tab.1 Basic parameters of high precision dispensing screw pump mm

本研究模型泵選用橡膠定子的單螺桿泵，使用SolidWorks軟件進(jìn)行模型的構(gòu)建，先分別創(chuàng)建定子與轉(zhuǎn)子的三維模型，再進(jìn)行裝配。定子與轉(zhuǎn)子之間采用過(guò)盈配合，過(guò)盈量取0.5 mm，裝配后的三維模型如圖2所示。

圖2 螺桿泵三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model of screw pump

1.2 流場(chǎng)模型

在流場(chǎng)仿真中假設(shè)定子、轉(zhuǎn)子之間存在間隙為0.05 mm。在CFD軟件中對(duì)螺桿泵的三維模型進(jìn)行填充處理， 可抽取流體區(qū)域。圖3所示為高精密點(diǎn)膠螺桿泵的流場(chǎng)模型。內(nèi)壁面即為轉(zhuǎn)子外表面，外壁面為定子內(nèi)表面，兩側(cè)分別設(shè)置為入口與出口。

圖3 螺桿泵流場(chǎng)模型圖Fig.3 Flow field model of screw pump

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

由于定轉(zhuǎn)子之間的間隙僅為0.05 mm，定轉(zhuǎn)子嚙合處的流動(dòng)復(fù)雜，壓力變化明顯，為了保證仿真的準(zhǔn)確性，故對(duì)嚙合處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，也有助于動(dòng)網(wǎng)格的重構(gòu)。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4所示，總單元數(shù)為155600，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為495446。仿真轉(zhuǎn)速n=150 r/min，壓差Δp=0.1 MPa。入口出口邊界條件均設(shè)置為壓力值，入口壓力值為0.1 MPa，出口壓力值為入口壓力與總壓差之和，模型取3個(gè)定子螺距，則總壓差為0.3 MPa。根據(jù)雷諾數(shù)的計(jì)算，流場(chǎng)模型設(shè)置為層流模型，介質(zhì)膠液為非牛頓流體。

圖4 螺桿泵流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Grid of flow field of screw pump

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺桿泵性能的影響

螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺桿泵的點(diǎn)膠性能有著重要的影響。本小節(jié)主要分析不同的定子螺距和不同的偏心距對(duì)螺桿泵的壓力、泵內(nèi)轉(zhuǎn)速、排量V、泄漏量q以及容積效率ηv的影響。

2.1 螺距的影響

設(shè)定的定子螺距為6，8，9，10，11，12，14，16，18，20 mm，其他參數(shù)以及邊界條件均不變。圖5～圖7分別為螺桿泵流場(chǎng)隨螺距變化的壓力云圖、速度云圖和螺桿泵應(yīng)變?cè)茍D。

由圖5可知，在螺距取值不同時(shí)，整體壓力分布規(guī)律類(lèi)似，轉(zhuǎn)子在嚙合處的壓力迅速變化，這會(huì)使得一部分的膠液透過(guò)間隙從后一個(gè)腔室流入前一個(gè)腔，即為螺桿泵的內(nèi)泄漏。在螺距增大的過(guò)程中，各個(gè)腔室的壓力值都在逐步增大，最大壓差值逐步增加。

圖5 不同螺距流場(chǎng)壓力云圖Fig.5 Pressure cloud diagram of flow field with different pitch

觀察圖6可得出，螺桿泵內(nèi)部腔室中心區(qū)域速度較大，靠近邊緣區(qū)域速度較小；隨著螺距不斷增加，泵內(nèi)介質(zhì)膠液的流速逐漸增大，從性能的角度來(lái)說(shuō)則是泵的排量在逐步增加。由此可知，在泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要提高到較大排量、較大的增壓值時(shí)，可通過(guò)增加螺距來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同螺距流場(chǎng)速度云圖Fig.6 Velocity cloud diagram of flow field with different pitch

由圖7可知，隨著螺距的增加，螺桿泵應(yīng)變也在逐步增大，泵的密封性能得到提高，但波動(dòng)也更加明顯，同時(shí)也會(huì)使得螺桿泵的摩擦阻力增大，加速泵的磨損，降低泵的壽命。因此，需要對(duì)螺距的選擇進(jìn)行合理優(yōu)化。

圖7 不同螺距定子內(nèi)表面應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain diagram of inner surface of statorwith different pitch

對(duì)高精密點(diǎn)膠螺桿泵的排量V、泄漏量q和容積效率ηv進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8～圖10所示。

從圖8和圖9可以看出，由于間隙的存在形成了內(nèi)泄漏，使得實(shí)際排量總是低于理論排量，隨著螺距的增加，螺桿泵的排量也在增加，并且隨著螺距越來(lái)越大，泄漏量的增幅也在增大。但是由圖10可以看出，

圖8 排量隨螺距變化曲線Fig.8 Curve of displacement with different pitch

圖9 泄漏量隨螺距變化曲線Fig.9 Curve of leakage volume with different pitch

圖10 容積效率隨螺距變化曲線Fig.10 Curve of Volumetric efficiency with different pitch

在螺距為9 mm時(shí)， 泵的容積效率最高， 結(jié)合上文分析，高精密點(diǎn)膠螺桿泵的螺距最佳取值在6～11 mm之間。

2.2 偏心距的影響

設(shè)定的螺桿泵偏心距為0.3， 0.35， 0.4， 0.45，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 mm，其他參數(shù)以及邊界條件均不變。圖11～圖13分別為螺桿泵流場(chǎng)隨螺距變化的壓力云圖、速度云圖和螺桿泵應(yīng)變?cè)茍D。

由圖11可知，偏心距取值逐漸增大時(shí)，各個(gè)導(dǎo)程內(nèi)整體壓力分布規(guī)律類(lèi)似，隨著偏心距的逐漸增大，螺桿泵定轉(zhuǎn)子嚙合處壓力波動(dòng)比螺距增大時(shí)波動(dòng)小， 最大壓差值隨著偏心距增大沒(méi)有特別大變化。由此可得，偏心距對(duì)于螺桿泵流場(chǎng)壓力變化影響較小。

圖11 不同偏心距流場(chǎng)壓力云圖Fig.11 Pressure cloud diagram of flow fieldwith different eccentricity

觀察圖12可得出，螺桿泵內(nèi)部腔室的膠液流速隨著偏心距的增大而不斷增大，從性能角度來(lái)說(shuō)即螺桿泵的排量隨著偏心距的增大而增大。從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，當(dāng)螺桿泵的偏心距為0.3 mm時(shí)，膠液速度為0.059 m/s，當(dāng)螺桿泵偏心距增大到1 mm時(shí)，膠液速度達(dá)到了0.075 m/s，偏心距的增大可顯著提高膠液流速。在設(shè)計(jì)時(shí)若需要較大的排量，可通過(guò)適當(dāng)提高偏心距來(lái)滿(mǎn)足。

圖12 不同偏心距流場(chǎng)速度云圖Fig.12 Velocity cloud diagram of flow fieldwith different eccentricity

由圖13可知，隨著偏心距的增加，螺桿泵應(yīng)變也在增大，即泵的密封性能提高，但偏心距過(guò)大時(shí)螺桿泵的摩擦阻力也越大，泵的磨損就越大，會(huì)減少泵的壽命，因此需要選擇合理的偏心距。

圖13 不同偏心距定子內(nèi)表面應(yīng)變?cè)茍DFig.13 Strain diagram of inner surface of statorwith different eccentricity

對(duì)高精密點(diǎn)膠螺桿泵的排量V、泄漏量q和容積效率ηv進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14～圖16所示。

從圖14和圖15可以看出，隨著偏心距的增加，螺桿泵的排量也在增加，并且隨著偏心距越來(lái)越大，泄漏量的增幅也在增大。但是由圖16可以看出在偏心距大于0.5 mm時(shí)，泵的容積效率增勢(shì)越來(lái)越平緩，在結(jié)合上文分析，偏心距的最佳取值在0.4～0.6 mm之間。

圖14 排量隨偏心距變化曲線Fig.14 Curve of displacement with different eccentricity

圖15 泄漏量隨偏心距變化曲線Fig.15 Curve of leakage volume with different eccentricity

圖16 容積效率隨偏心距變化曲線Fig.16 Curve of volumetric efficiency with different eccentricity

2.3 T/D以及T/e的最優(yōu)選擇范圍

單螺桿泵轉(zhuǎn)子直徑D、偏心距e和定子螺距T存在一定的匹配關(guān)系，當(dāng)這3個(gè)數(shù)值保持一定的比值時(shí)，單螺桿泵才會(huì)具有較高的工作壽命和工作效率，因此引入了T/D和T/e這兩個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，以便進(jìn)行單螺桿泵的設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)螺距以及偏心距對(duì)性能影響的分析，給出高精密點(diǎn)膠螺桿泵的T/D以及T/e的最優(yōu)選擇范圍：

(2)

3 運(yùn)行參數(shù)對(duì)螺桿泵性能的影響

對(duì)螺桿泵在單級(jí)壓差0.1，0.2，0.3 MPa條件下分別選取一系列轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析：30，90，120，150，180，210，240，270，300 r/min，得到相應(yīng)的實(shí)際排量數(shù)據(jù)并計(jì)算出相應(yīng)的容積效率，如圖17和圖18所示。

圖17 不同壓差條件下排量隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.17 Variation curve of displacement with speed under different differential pressure conditions

圖18 不同壓差條件下容積效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.18 Variation curve of volumetric efficiency with speed under different differential pressure conditions

由圖17和圖18可以看出，轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，不同壓差條件下的排量變化大體相同，容積效率的變化趨勢(shì)也大體相同。在低轉(zhuǎn)速時(shí)壓差值大時(shí)排量略小一些，轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min后，壓差值大排量則越大一些，即壓差值越大，在轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，排量增大越快。相應(yīng)的，在低轉(zhuǎn)速時(shí)壓差值大時(shí)效率較小，轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min后，壓差值大效率略大。從容積效率的整體變化來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速在達(dá)到120 r/min后曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，所以，高精密點(diǎn)膠螺桿泵的適合的轉(zhuǎn)速為60～180 r/min。

4 結(jié)論

(1) 高精密點(diǎn)膠螺桿泵的螺距增大，流場(chǎng)壓力增大，膠液速度增大，泵的排量也增大，但是螺距越大，泵的膠液泄漏量就越大，磨損也會(huì)加劇，容積效率在螺距為9 mm時(shí)達(dá)到最大值，所以設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合理的區(qū)間為：6～11 mm；

(2) 精密點(diǎn)膠螺桿泵的偏心距增大，流場(chǎng)壓力變化不明顯，但膠液速度增大，泵的排量也增大。同樣的隨著偏心距越大，泄漏量就越大，磨損也會(huì)加劇，壽命減短，容效率的增勢(shì)越加平緩，綜合考慮偏心距的合理區(qū)間為：0.4～0.6 mm；

(3) 給出了在計(jì)算螺桿泵的幾何參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)T/D和T/e的最優(yōu)取值區(qū)間： 1.5≤T/D≤2.75， 15≤T/e≤22.5；

(4) 不同的壓差對(duì)于泵的性能影響不大，容積效率則在轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)達(dá)到峰值，所以給出高精密點(diǎn)膠螺桿泵的適宜轉(zhuǎn)速區(qū)間：60～180 r/min。