關于復雜結構零件的金屬粉末注射模具設計

1、工藝介紹

金屬粉末注射模簡稱 MIM， 即 Metal Powder Injection Molding。它是一種用注射成型的方法制造復雜、 精密合金零件的跨學科先進技術。它使用特制的金屬粉末 （微米級） 與高品質的高分子塑料聚合物混合形成的MIM喂料， 這種喂料能提供注射時的良好流動性， 通過注射模成型坯件。坯件經高效的脫脂和燒結， 合金零件密度可達到理論密度的99%。金屬粉末注射成型制品密度均勻、 光潔度好， 一般無需后續加工， 原料利用率接近100%， 是21世紀最具革命意義的一種近凈成型技術。圖1所示制品為醫療設備牙矯型架內的一個加鎳不銹鋼金屬零件， 制品批量較大， 結構復雜， 表面粗糙度值要求達到Ra0.80μm， 尺寸精度要求達到IT5 （GB/T1800.1-2009） ， 由于采用普通的機械制造方法加工難度大， 效率低， 且材料浪費多， 為節省成本， 采用金屬粉末注射成型技術。

2、金屬注射成型制品結構分析

金屬粉末注射成型制品重量一般不超過250g ，但該制品尺寸較大， 重量約 350g， 最大外形尺寸：171.00×67×34.50mm， 平均壁厚為2.2mm， 制品重量是MIM注射模結構設計需面對的難點之一。另外， 制品結構復雜， 有4個地方需要側向抽芯， 而且都在定模側， 定模側向抽芯是模具設計需面對的難點之二。

3、樹脂和喂料配比及收縮率確定

加鎳不銹鋼金屬粉末顆粒尺寸為0.2μm， 有機膠粘劑采用尼龍PA12， 它是金屬粉末的載體， 作用是粘接金屬粉末顆粒， 使喂料在注射機料筒中加熱后具有流變性和潤滑性。尼龍的優點是用量少， 和金屬不會起化學反應， 脫脂時易去除。參考國外經驗， 及過往本院的實驗結果， 加鎳不銹鋼和PA粘接劑混合體積比例采用8：2。在脫脂的過程中， 零部件的體積不會在脫脂過程中發生改變， 但在燒結時零部件會發生13%~18%的收縮。因此收縮率比單純的PA注射模大很多， 根據喂料配比， 模具成型尺寸采用15%收縮率。

4、模具結構設計

為了解決成型坯件重量較大得問題， 模具采用4個點澆口從型腔內均衡進料的澆注系統。模架規格為龍記簡化細水口模坯，采用內置式定距分型機構。防止模具在運輸過程打開， 造成安全事故， 生產時要將鎖模扣拆除。

4.1 成型零件設計

“加鎳不銹鋼+尼龍PA12” 喂料對間隙很敏感， 很容易產生飛邊。塑料零件產生飛邊很容易清除掉， 但金屬零件飛邊就會如刀鋒那樣造成安全問題。所以MIM注射模成型零件設計和制造要求特別高， 尺寸精度和配合精度必須達到IT5以上。模具成型零件采用鑲拼結構，為提高模具的剛性和強度， 確保成型制品尺寸精度。“加鎳不銹鋼+PA” 喂料與單一PA塑料熔體相比還有一個特點是對模具型腔摩擦力較大， 對成型零件鋼材和型腔表面粗糙度要求很高， 模具成型零件必須采用耐磨性更好的鋼材， 本模具采用模具鋼S136H， 熱處理硬度30～35HRC， 型腔表面拋光至Ra0.4μm， 以改善喂料的流動性， 提高模具壽命。很高的尺寸精度、 無飛邊、 超高的表面質量， 所有這些要求都是MIM注射模必須滿足的。

4.2 側向抽芯機構設計

成型坯件既有兩處外側倒扣， 又有兩處內側倒扣，均需設計側向抽芯抽芯機構。兩個內側抽芯距離均為1.7mm， 由于抽芯距離較短且內側空間較小， 模具只能采用斜頂側向抽芯抽芯機構。又因為內側倒扣位置由定模成型， 故只能采用定模斜頂， 這是模具設計的難點和重點。因為定模側沒有注塑機頂棍的推力， 定模斜頂固定板只能采用彈簧推出， 并采用復位桿復位。斜頂側向抽芯抽芯機構。斜頂固定板的推動距離要嚴格控制在25mm內， 防止兩斜推桿推出時互相干涉。兩斜頂的傾斜角度不宜太大， 本模取7°。

注射模結構包含：定模座板、脫料板、12.T形扣壓塊、斜頂、銷、斜頂底座、撐柱、斜頂底座、銷、澆口套、定模板、彈簧、耐磨塊、定模滑塊、動模鑲件、動模型芯、動模板、導柱、推桿固定板、導套、推桿底板、動模座板、復位桿、側抽芯、定模鑲件、定模板鑲件、斜頂底板、斜頂固定板、尼龍塞、推管、定位塊下、定位塊上、限位釘、鎖模扣、小拉桿。兩處外側倒扣也由定模成型， 為保證外觀質量，均采用定模側向抽芯。在抽芯過程中， 鎖緊塊始終在滑塊的T形槽內，故無須再設計滑塊定位零件。

4.3 定距分型機構設計

模具采用點澆口澆注系統， 模具必須采用三板模模架， 開模時共有3個分模面， 其中定模側有兩個。為了保證流道凝料能夠自動脫模以及定模側向抽芯機構在動、 定模打開之前完成抽芯， 模具3個分模面的打開順序及打開距離應受到嚴格控制， 所以模具必須設計定距分型機構。該模具采用內置式定距分型機構，使流道凝料順利脫落， 同時使斜頂、定模滑塊順利完成側向抽芯，保證拉料銷脫離流道凝料。

4.4 溫度控制系統設計

由于金屬粉末比熱較大， 模具在成型過程中吸收的熱量比普通的尼龍注射模更多， 因此溫度控制系統設計難度更大。根據制品形狀， 定模采用1股直通式冷卻水道， 動模采用3股冷卻水道。

4.5 脫模機構設計

在金屬粉末注射模中， 脫模和冷卻都是關鍵問題。完成側向抽芯之后， 成型坯件最后由推桿和推管推離動模， 這種組合脫模機構充分且有效， 保證了坯件脫模時安全平穩不變形 。

4.6 排氣系統設計

MIM注射模在排氣槽深度方面與普通注射模有很大的不同。普通注射模根據其成型塑料的不同， 排氣槽深度一般取0.02～0.06mm， 而MIM注射模的排氣槽深度一般在0.0025～0.005mm之間， 大過這個深度就會產生飛邊。好的喂料在之后的凝固過程中， 收縮率極低。為了盡量加強成型制品形狀保持力度， 可以大量使用金屬粉末填充劑， 其用量往往接近體積的70%。為了能夠獲得高填充喂料的良好流動性， 采用了低分子量的塑料PA， 使MIM喂料具有很高的飛邊靈敏度， 類似于許多填充尼龍材料所顯示的特性。

5 模具工作過程

（1） 混料。將加鎳不銹鋼金屬粉末和尼龍PA12按體積8 : 2均勻混合， 得到喂料。

（2） 注射成型。將喂料放入注塑機料筒里加熱至150℃， 變成一種黏稠的槳狀物質， 在高壓下通過點澆口澆注系統注入模具型腔。控制注射溫度、 模具溫度、注射壓力、 保壓時間等成型參數對獲得穩定的生坯品質至關重要。

（3） 冷卻固化。喂料注滿型腔后， 經保壓和冷卻，固化為坯件后， 模具在注塑機拉動下開模。

（4） 開模。在定距分型機構的作用下， 模具依次從分型面I、 分型面II和分型面III處打開。分型面I的開模距離為145mm， 由小拉桿控制。分型面II處打開時， 模具完成外側抽芯， 同時脫料板將流道凝料推離模具推離模具， 實現模具自動脫澆。分型面II的開模距離為12mm,由限位釘控制。分型面III打開時， 動模板、 定模板分離， 成型坯件脫離定模型腔。完成開模行程后推桿將推桿將成型坯件推出模具， 完成一次注射成型。

6 總結

（1） 相對于其它金屬成型方式， 金屬粉末注射成型能制造形狀更為復雜的制品， 且效率高， 沒有材料浪費，是典型的精密制造和綠色制造技術。但制品大小受到一定的限制， 一般不超過250g。本次成型的制品重達350g， 對金屬粉末注射成型是一次突破和成功的嘗試。

（2） “鎳基不銹鋼+PA” 喂料與純尼龍PA相比塑性較差， 模具采用定模內、 外側同時抽芯風險很大， 本次成功也是模具結構大膽創新的一次較大突破。

（3） 模具結構先進合理， 試模一次成功， 模具投產后運行安全平穩， 成型周期28s， 每日產量可達2,300件。成型坯件經脫脂燒結后尺寸精度達到了IT5 （GB/T1800.1-2009） ， 表面粗糙度值達到了Ra0.8μm， 均達到了設計要求。

---轉載自《模具制造》月刊，作者：張維合， 成永濤， 胥永林（廣東科技學院）