張維合，蔡婷婷，袁 媛，黃 坤

(廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 東莞 523083)

0 前言

金屬粉末精密注射成型是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成型工藝相結(jié)合而形成的第五代金屬成型技術(shù)。它是將金屬粉末和塑料黏結(jié)劑混合后在模具中快速注射成型，再經(jīng)脫脂燒結(jié)，制成高精度、高密度、復(fù)雜的機(jī)械零件[1]。金屬粉末注射模具目前在醫(yī)療器械、信息家電產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，和普通的注射模具相比，其在成型零件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方面有一些特殊之處。

本文詳細(xì)介紹了某醫(yī)療設(shè)備中不銹鋼零件的金屬粉末精密注射模具，該模具采用熱流道及二次脫模技術(shù)，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技巧可供同行參考。

1 零件結(jié)構(gòu)及成型工藝分析

圖1為某醫(yī)療設(shè)備上的一個(gè)零件，材料為不銹鋼1Cr18Ni9，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用常規(guī)的機(jī)械加工方法獲得，故采用目前最先進(jìn)的金屬粉末精密注射成型技術(shù)。即將不銹鋼粉末和高分子樹(shù)脂聚酰胺(PA)按8.5∶1.5的體積比混合制成均勻的注射顆粒，采用注射成型技術(shù)，在注塑機(jī)上通過(guò)模具得到成型坯件，坯件經(jīng)脫脂處理及燒結(jié)致密化后，一次性得到如圖1所示的結(jié)構(gòu)和尺寸的零件。

由于采用金屬粉末注射成型，零件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面必須有合理的脫模斜度，加強(qiáng)筋厚度應(yīng)不超過(guò)相應(yīng)壁厚的0.7倍，盡量采用圓角過(guò)渡，圓角半徑一般取R≥0.5 mm[2]。

零件為筒狀結(jié)構(gòu)，對(duì)動(dòng)模型芯包緊力較大，且外形有2處倒扣，成型坯件脫模較困難。

(a)主視圖 (b)E—E剖視圖 (c)F—F剖視圖圖1 零件圖Fig.1 Part drawing

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具為單型腔，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸，采用熱流道澆注系統(tǒng)，既可以改善喂料的流動(dòng)性，又可以消除流道凝料，避免不銹鋼和樹(shù)脂的浪費(fèi)，以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在脫模方面，零件有多個(gè)側(cè)向孔，模具需要采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。為解決筒狀成型坯件對(duì)模具包緊力大的問(wèn)題，模具采用二次脫模機(jī)構(gòu)。模具最大尺寸為600 mm×500 mmm×686 mm。詳細(xì)結(jié)構(gòu)件如圖2和圖3所示。

2.1 成型零件設(shè)計(jì)

聚酰胺采用美國(guó)杜邦高強(qiáng)度PA66 70G13L，由于坯件尚需脫脂燒結(jié)，收縮率取13 %。成型零件很復(fù)雜，為方便制造、排氣和維修，動(dòng)、定模成型零件均采用鑲拼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)均設(shè)計(jì)了多個(gè)型芯，包括定模鑲件3、推板鑲件15、定模型芯4、動(dòng)模型芯17和動(dòng)模小鑲件18。

對(duì)于金屬粉末注射模具，成型零件鋼材在脆性和熱膨脹性方面必須滿足所成型的喂料的要求，與熔料接觸的所有部位都必須拋光至輪廓算術(shù)平均值Ra=0.8 μm。成型零件材料均采用高性能模具鋼S136H，調(diào)質(zhì)至硬度為35 HRC[3]。

2.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

成型坯件兩側(cè)有多個(gè)側(cè)孔，模具采用2個(gè)大型滑塊進(jìn)行側(cè)向抽芯。由于滑塊體積大，抽芯力較大，抽芯距離較長(zhǎng)，為75 mm，故采用液壓油缸作為滑塊的驅(qū)動(dòng)部件,詳見(jiàn)圖2。油缸規(guī)格為HOB150-140 kg，缸徑為50 mm,最大抽芯距離為80 mm，大于最長(zhǎng)抽芯距離，滿足要求。

側(cè)向滑塊采用鑲拼式，分別由側(cè)向抽芯8、右側(cè)滑塊11、左側(cè)滑塊39、側(cè)向型芯10和41組成。鎖緊零件分別為楔緊塊9和40、鎖緊塊12和38。定位零件分別為擋塊13和37?；瑝K的抽芯和復(fù)位均由油缸完成。

1—隔熱板 2—定模固定板 3—定模鑲件 4—定模型芯 5—熱射嘴 6—定位圈 7—定模A板 8—側(cè)向抽芯 9—右楔緊塊 10—側(cè)向型芯 11—滑塊 12—鎖緊塊 13—右擋塊 14—右側(cè)油缸 15—推板鑲件 16—?jiǎng)幽Ｐ¤偧?17—?jiǎng)幽Ｐ托?18—?jiǎng)幽ｈ偧?19—推管 20—撐柱 21—方鐵 22—定位銷 23—?jiǎng)幽９潭ò?24—推管型芯 25—注塑機(jī)頂棍連接管 26—定位銷 27—行程開(kāi)關(guān) 28—隔熱板 29—推件底板 30—推件固定板 31—限位釘 32、33—?jiǎng)幽Ｐ托?34—推板 35—?jiǎng)幽Ｐ¤偧?36—左側(cè)油缸 37—左擋塊 38—鎖緊塊 39—左滑塊 40—左楔緊塊 41—側(cè)向型芯 42—行程開(kāi)關(guān) 43—行程桿(a)動(dòng)模排位圖 (b)A—A剖視圖圖2 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Injection mold schematic

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，模具采用熱流道澆注系統(tǒng)。對(duì)于金屬粉末注射成型，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘?duì)熱射嘴的要求及溫度參數(shù)要求都較高，目前國(guó)內(nèi)這方面研究不多[4]。但相比于普通模具，金屬粉末模具采用熱流道具有巨大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。首先，本模具成型坯件為筒狀，單型腔，從型腔的頂部中心進(jìn)料是最佳途徑。如果不采用熱流道，就要采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，模具需增加2個(gè)分型面，結(jié)構(gòu)將大為復(fù)雜；其次，金屬粉末價(jià)格昂貴，采用點(diǎn)澆口將有大量流道凝料，這些凝料必須采用專用設(shè)備回收，而采用熱流道則無(wú)流道凝料，可以大大節(jié)約成本；第三，注射周期中約85 %的時(shí)間是模具的冷卻時(shí)間，若采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，因?yàn)榱鞯赖暮穸冗h(yuǎn)大于成型產(chǎn)品的壁厚，流道的冷卻時(shí)間遠(yuǎn)大于坯件冷卻時(shí)間，所以采用熱流道可以大大縮短成型周期；第四，金屬粉末和塑料黏結(jié)劑的混合料對(duì)普通流道和澆口的摩擦和磨損要遠(yuǎn)大于單純的塑料，采用熱流道可以大大降低模具的磨損，從而大大提高模具的使用壽命。但金屬粉末注射模熱流道澆注系統(tǒng)對(duì)熱射嘴要求較高，本模具采用了歐洲Hasco開(kāi)放式熱射嘴Z34205/50-100，試模時(shí)取得了圓滿成功，成型坯件尺寸精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.4 脫模機(jī)構(gòu)和定距分型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于筒狀零件對(duì)動(dòng)模型芯的包緊力較大，加之喂料又是不銹鋼和樹(shù)脂PA的混料，韌性較差，受力易變形開(kāi)裂，故模具采用二次頂出機(jī)構(gòu)[5]。該機(jī)構(gòu)是在動(dòng)模側(cè)增加一個(gè)分型面Ⅱ，在推桿和推管推動(dòng)成型坯件脫模之前，動(dòng)模型芯17、32和33先后退脫離成型坯件。這樣就大大減小了推桿、推管和推板(分型面2打開(kāi))對(duì)成型坯件的頂出力，有效保證了坯件的品質(zhì)。為保證動(dòng)模型芯完全脫離坯件后推件再推坯件，模具設(shè)計(jì)了定距分型機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖3。該機(jī)構(gòu)主要由彈簧49、活動(dòng)塊50、推塊51和推件擋塊52組成。

44—定模導(dǎo)套 45—導(dǎo)柱 46—定模型芯 47—?jiǎng)幽Ｐ托?48—推板導(dǎo)套 49—彈簧 50—活動(dòng)塊 51—推塊 52—推件擋塊 53—推件板導(dǎo)柱 54—推件板導(dǎo)套 55—復(fù)位桿 56—復(fù)位塊 57—錐面定位塊 58—定模型芯(a)定距分型機(jī)構(gòu) (b)M向視圖圖3 模具定距分型機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)Fig.3 Fixed distance parting mechanism and guiding positioning system

2.5 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具有2個(gè)分型面，推板、推件固定板、推件底板都是活動(dòng)板，除此之外還有兩側(cè)活動(dòng)的大滑塊，為保證模具的精度和壽命，所有活動(dòng)零件都必須沿著既定的軌跡運(yùn)行[6]。為此在動(dòng)、定模之間設(shè)計(jì)了4根長(zhǎng)導(dǎo)柱45和與之相配合的8支導(dǎo)套44和48，在推件板上也設(shè)計(jì)了4支短導(dǎo)柱53和與之配合的4支導(dǎo)套54。

在定位方面，動(dòng)定模分型面之間設(shè)計(jì)了4副錐面定位塊57，在相互固定不動(dòng)的模板之間都設(shè)計(jì)了定位銷。

2.6 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(a)定模 (b)動(dòng)模 (c)滑塊圖4 模具冷卻水路示意圖Fig.4 Temperature control system

對(duì)于金屬粉末注射模具，應(yīng)設(shè)計(jì)良好的溫度控制系統(tǒng), 盡量保證各型腔均勻填充和冷卻,模腔內(nèi)的溫差不宜超過(guò)± 1. 5 (°)[7]。如圖4所示模具的動(dòng)模和定模各設(shè)計(jì)了2股獨(dú)立的冷卻水路，冷卻水路由“直通式水管和隔片式水井”組成。兩側(cè)滑塊也都各設(shè)計(jì)了1股獨(dú)立的冷卻水路。

3 模具工作原理

喂料經(jīng)熱射嘴5進(jìn)入型腔，經(jīng)保壓、冷卻及固化后，模具在注塑機(jī)作用下打開(kāi)。由于成型坯件對(duì)動(dòng)模的包緊力大于對(duì)定模的黏附力，模具先從分型面Ⅰ處打開(kāi)，坯件脫離定模。分型面Ⅰ的開(kāi)模距離為400 mm，由注塑機(jī)控制。分型面Ⅰ完成開(kāi)模行程后，油缸啟動(dòng)，帶動(dòng)兩側(cè)滑塊抽芯，抽芯距離為75 mm，由擋塊13和37控制。完成抽芯距離后，觸桿43推動(dòng)行程開(kāi)關(guān)42，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出指令，注塑機(jī)頂棍啟動(dòng)，推動(dòng)推件固定板29、30，在頂塊51的作用下，推板34和所有推桿和推管19同時(shí)運(yùn)動(dòng)，將坯件推離動(dòng)模型芯17。同時(shí)運(yùn)動(dòng)48 mm后，活動(dòng)塊49被推塊50推入推板34，脫離頂塊51，分型面Ⅱ打開(kāi)，在限位釘31作用下，分型面Ⅱ打開(kāi)距離為50 mm，之后推塊停止運(yùn)動(dòng)，而推桿和推管在注塑機(jī)頂棍推動(dòng)下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，將坯件推離推管型芯和動(dòng)模型芯16、35。合模之前，油缸先推動(dòng)兩側(cè)滑塊復(fù)位，注塑機(jī)油缸拉動(dòng)推件板20復(fù)位，當(dāng)推件板20完成復(fù)位后觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)27，注塑機(jī)再推動(dòng)動(dòng)模合模，模具繼續(xù)下一次注射成型。

4 結(jié)論

(1)模具采用熱流道澆注系統(tǒng)，對(duì)于金屬粉末注射模具是一次成功的嘗試，該研究成果有一定的指導(dǎo)和借鑒意義；

(2)模具采用二次脫模結(jié)構(gòu)，成功解決了筒狀零件脫模力大、金屬粉末坯件強(qiáng)度不高、易變形的問(wèn)題；二次脫模機(jī)構(gòu)新穎實(shí)用，大大提高了模具運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性；

(3)該模具注射成型時(shí)，喂料溫度為180 ℃,注塑機(jī)機(jī)筒4段加熱區(qū)間分別為180、175、170 和165 ℃，注射壓力為70 MPa；模具采用 “直通式冷卻水管+隔片式冷卻水井”組合結(jié)構(gòu)，冷卻充分且均衡，成功將模具溫度控制在50～55 ℃，坯件尺寸精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；經(jīng)燒結(jié)后線性尺寸公差達(dá)到了基本尺寸的±0.4 %范圍之內(nèi)，角度的公差達(dá)到了± 0.5 °，表面粗糙度達(dá)到0.8；模具試模一次成功，投產(chǎn)后運(yùn)行平穩(wěn)安全，坯件品質(zhì)和注射周期均達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張維合.注塑成型實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：183-212.

[2] 張維合.注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015:112-132.

[3] 張維合.注塑模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技巧與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011:117-153.

[4] 黃詩(shī)君. 金屬粉末注射成型工藝[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2015,17(6)：58-60.

HUANG S J. Metal Powder Injection Molding Process[J]. Modern Plastics Processing and Applications, 2015,17(6)：58-60.

[5] 胡紅軍. 金屬粉末注射成型模設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2015,31(1)：40-43.

HU H J. Design and Application of the Mould for Metal Injection[J].Die and Mould Industry，2015,31(1)：40-43.

[6] 劉慶東.前模滑塊注射模設(shè)計(jì)[J].中國(guó)塑料，2015,29(9)：100-103.

LIU Q D.Design of the Slide on Stationary Mould Fixed Half[J]. China Plastics, 2015,29(9)：100-103.

[7] 劉 勇.玩具鳥(niǎo)屋注射模設(shè)計(jì)及改進(jìn)[J].模具工業(yè)，2016,42(7)：50-52.

LIU Y. Design and Improvement of Injection Mould for Bird House[J] Die & Mould Industry，2016,42(7)：50-52.