張維合，成永濤，胥永林

（廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083）

1 引言

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(fù)雜、精密合金零件的跨學(xué)科先進(jìn)技術(shù)。它使用特制的金屬粉末（微米級(jí)）與高品質(zhì)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(shí)的良好流動(dòng)性，通過注射模成型坯件。坯件經(jīng)高效的脫脂和燒結(jié)，合金零件密度可達(dá)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(xù)加工，原料利用率接近100%，是21世紀(jì)最具革命意義的一種近凈成型技術(shù)[1]。圖1所示制品為醫(yī)療設(shè)備牙矯型架內(nèi)的一個(gè)加鎳不銹鋼金屬零件，制品批量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面粗糙度值要求達(dá)到Ra0.80μm，尺寸精度要求達(dá)到IT5（GB/T1800.1-2009），由于采用普通的機(jī)械制造方法加工難度大，效率低，且材料浪費(fèi)多，為節(jié)省成本，采用金屬粉末注射成型技術(shù)。

圖1 制品結(jié)構(gòu)圖

2 制品結(jié)構(gòu)分析

金屬粉末注射成型制品重量一般不超過250g[2]，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需面對(duì)的難點(diǎn)之一。另外，制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有4個(gè)地方需要側(cè)向抽芯，而且都在定模側(cè)，定模側(cè)向抽芯是模具設(shè)計(jì)需面對(duì)的難點(diǎn)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(jī)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(jī)料筒中加熱后具有流變性和潤滑性。尼龍的優(yōu)點(diǎn)是用量少，和金屬不會(huì)起化學(xué)反應(yīng)，脫脂時(shí)易去除[3]。參考國外經(jīng)驗(yàn)，及過往本院的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)在脫脂過程中發(fā)生改變，但在燒結(jié)時(shí)零部件會(huì)發(fā)生13%～18%的收縮。因此收縮率比單純的PA注射模大很多，根據(jù)喂料配比，模具成型尺寸采用15%收縮率。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決成型坯件重量較大得問題，模具采用4個(gè)點(diǎn)澆口從型腔內(nèi)均衡進(jìn)料的澆注系統(tǒng)。模架規(guī)格為龍記簡化細(xì)水口模坯3045-FCH-A130-B90-400，采用內(nèi)置式定距分型機(jī)構(gòu)。如圖2所示，鎖?？?7是防止模具在運(yùn)輸過程打開，造成安全事故，生產(chǎn)時(shí)要將鎖?？鄄鸪?/p>

圖2 注射模結(jié)構(gòu)圖

兩處外側(cè)倒扣也由定模成型，為保證外觀質(zhì)量，均采用定模側(cè)向抽芯，如圖2c、圖2b、圖2e、圖2f、圖2g所示。該機(jī)構(gòu)的核心零件是定?；瑝K16、定?；瑝K31、T形扣鎖緊塊3和T形扣鎖緊塊12，其中T形扣鎖緊塊3和12既是驅(qū)動(dòng)零件，又是鎖緊零件,鎖緊角度取18°。在抽芯過程中，鎖緊塊始終在滑塊的T形槽內(nèi)，故無須再設(shè)計(jì)滑塊定位零件。

4.1 成型零件設(shè)計(jì)

“加鎳不銹鋼+尼龍PA12”喂料對(duì)間隙很敏感，很容易產(chǎn)生飛邊。塑料零件產(chǎn)生飛邊很容易清除掉，但金屬零件飛邊就會(huì)如刀鋒那樣造成安全問題。所以MIM注射模成型零件設(shè)計(jì)和制造要求特別高，尺寸精度和配合精度必須達(dá)到IT5以上[4]。模具成型零件采用鑲拼結(jié)構(gòu)，由動(dòng)模鑲件17、動(dòng)模型芯18、定模鑲件33和4個(gè)側(cè)抽芯組成，為提高模具的剛性和強(qiáng)度，確保成型制品尺寸精度，鑲件的分型面設(shè)計(jì)了4個(gè)定位角，如圖3所示。“加鎳不銹鋼+PA”喂料與單一PA塑料熔體相比還有一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)模具型腔摩擦力較大，對(duì)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(dòng)性，提高模具壽命。很高的尺寸精度、無飛邊、超高的表面質(zhì)量，所有這些要求都是MIM注射模必須滿足的。

圖3 模具成型零件立體圖

4.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

成型坯件既有兩處外側(cè)倒扣，又有兩處內(nèi)側(cè)倒扣，均需設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯抽芯機(jī)構(gòu)。兩個(gè)內(nèi)側(cè)抽芯距離均為1.7mm，由于抽芯距離較短且內(nèi)側(cè)空間較小，模具只能采用斜頂側(cè)向抽芯抽芯機(jī)構(gòu)，如圖2c中A-A剖視圖所示。又因?yàn)閮?nèi)側(cè)倒扣位置由定模成型，故只能采用定模斜頂，這是模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。斜頂10固定在定模內(nèi)的斜頂固定板37和斜頂?shù)装?6上，如圖2b中B-B剖視圖所示。因?yàn)槎?cè)沒有注塑機(jī)頂棍的推力，定模斜頂固定板只能采用彈簧38推出，并采用復(fù)位桿35復(fù)位，數(shù)量均為4根[5]。斜頂側(cè)向抽芯抽芯機(jī)構(gòu)除斜頂4和10、驅(qū)動(dòng)零件彈簧38和復(fù)位桿35外，還包括斜頂固定板37，斜頂?shù)装?6。斜頂固定板的推動(dòng)距離要嚴(yán)格控制在25mm內(nèi)，防止兩斜推桿推出時(shí)互相干涉。兩斜頂?shù)膬A斜角度不宜太大，本模取7°。

4.3 定距分型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，模具必須采用三板模模架，開模時(shí)共有3個(gè)分模面，其中定模側(cè)有兩個(gè)。為了保證流道凝料能夠自動(dòng)脫模以及定模側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)在動(dòng)、定模打開之前完成抽芯，模具3個(gè)分模面的打開順序及打開距離應(yīng)受到嚴(yán)格控制，所以模具必須設(shè)計(jì)定距分型機(jī)構(gòu)。該模具采用內(nèi)置式定距分型機(jī)構(gòu)，由小拉桿48、限位釘43和尼龍塞39組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2b和圖2d所示。其中尼龍塞39保證定模板13和動(dòng)模板19最后打開，小拉桿48保證定模板13和脫料板2開模距離為145mm，這個(gè)距離可以使流道凝料順利脫落，同時(shí)使斜頂4、斜頂10和定?；瑝K16、定模滑塊31順利完成側(cè)向抽芯。限位釘43保證脫料板2和定模座板1的打開距離為12mm，這個(gè)距離可以保證拉料銷脫離流道凝料。

4.4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)設(shè)計(jì)難度更大[6]。根據(jù)制品形狀，定模采用1股直通式冷卻水道，動(dòng)模采用3股冷卻水道，其中1股為直通式冷卻水道，2股為“直通式水管+隔片式水井”冷卻水道，水道直徑取φ12mm，水井直徑取φ20mm，圖4是模具溫度控制系統(tǒng)的示意圖。

圖4 模具溫度控制系統(tǒng)示意圖

4.5 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在金屬粉末注射模中，脫模和冷卻都是關(guān)鍵問題[7]。完成側(cè)向抽芯之后，成型坯件最后由推桿和推管推離動(dòng)模，其中直徑φ6mm的推桿3支，直徑φ4mm的推桿8支，直徑φ3mm的推桿4支，直徑φ2mm的推桿4支。推管的規(guī)格有兩種，包括2支φ3.5×φ5.5×160mm和4支φ2.2×φ4.5×160mm。如圖5所示，圖5中除了推管其它都是推桿。這種組合脫模機(jī)構(gòu)充分且有效，保證了坯件脫模時(shí)安全平穩(wěn)不變形[8]。

圖5 模具脫模系統(tǒng)位置圖

4.6 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jù)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(gè)深度就會(huì)產(chǎn)生飛邊[9]。好的喂料在之后的凝固過程中，收縮率極低。為了盡量加強(qiáng)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(dòng)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(jī)料筒里加熱至150℃，變成一種黏稠的槳狀物質(zhì)，在高壓下通過點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)注入模具型腔?？刂谱⑸錅囟取⒛＞邷囟?、注射壓力、保壓時(shí)間等成型參數(shù)對(duì)獲得穩(wěn)定的生坯品質(zhì)至關(guān)重要。

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

（4）開模。在定距分型機(jī)構(gòu)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打開時(shí)模具完成3項(xiàng)任務(wù)：①澆注系統(tǒng)凝料和塑件分離；②T型扣壓塊3和12帶動(dòng)定?；瑝K16和31進(jìn)行定模外側(cè)抽芯；③彈簧38推動(dòng)定模斜頂固定板37，進(jìn)而推動(dòng)斜頂4和斜頂10完成定模內(nèi)側(cè)抽芯。分型面I的開模距離為145mm，由小拉桿48控制。分型面II處打開時(shí)，模具完成外側(cè)抽芯，同時(shí)脫料板2將流道凝料推離模具推離模具，實(shí)現(xiàn)模具自動(dòng)脫澆。分型面II的開模距離為12mm,由限位釘43控制。分型面III打開時(shí)，動(dòng)模板19、定模板13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 結(jié)語

（1）相對(duì)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(fù)雜的制品，且效率高，沒有材料浪費(fèi)，是典型的精密制造和綠色制造技術(shù)。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(dá)350g，對(duì)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(nèi)、外側(cè)同時(shí)抽芯風(fēng)險(xiǎn)很大，本次成功也是模具結(jié)構(gòu)大膽創(chuàng)新的一次較大突破。

（3）模具結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，試模一次成功，模具投產(chǎn)后運(yùn)行安全平穩(wěn)，成型周期28s，每日產(chǎn)量可達(dá)2,300件。成型坯件經(jīng)脫脂燒結(jié)后尺寸精度達(dá)到了IT5（GB/T1800.1-2009），表面粗糙度值達(dá)到了Ra0.8μm，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。