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金属注射工艺MIM零件的可制造性设计


 

发布日期：[2024/4/28]
 
MIM零件的设计和塑料注射成型比较类似。
由于不受传统接金属成型工艺的限制，零件设计人员从一开始，就可以用新观点重新设想新零件，设想生产工艺怎样减少材料重量，如何将多个零件组合成一个零件或如何成型功能性和装饰性特征。
为使MIM零件（不管是以新设计的还是替代以前用其它工艺生产的零件）在设计过程中能充分发挥MIM工艺的优势，增强工艺性，提出下列设计准则。
一. 工艺性设计
最简单的MIM零件是用由两个半型模以平面结合密闭形成的型腔生产的。
其中，半型模是由装在另外半个型模中的留有均匀间隙的型芯组成，留有的均匀间隙是以为了成型壁厚均一的零件。
型芯成型的是零件内部的结构特征，而型腔成型的是零件外部的结构特征。
设计的所有结构特征都必须是能从型腔中脱出和能用顶杆从型芯上脱出凝固的成型零件。
MIM零件的复杂程度增大时，可以增加滑块、型芯及塑料注射成型中通常使用的其他工具来成形。
在增加零件结构特征的同时，零件的复杂程度增大，这时，由于可消除一般和后续加工或组装作业相关的工具和技术装备运转费用，从而使MIM零件可获得经济利益。
在设计的每一个阶段，对这些利益与成本相互之间都必须小心权衡。
在设计MIM零件时，要想充分获得这种工艺上的所有利益，必须考虑到下列关键点：壁厚均一，厚度过渡段，去芯孔，脱模斜度，加强肋与辐板，倒角与倒圆，螺纹，孔与槽，根切，浇注系统，分型线，装饰性特征，烧结支撑等。
以下将分别说明。
1.1 壁厚均一
可能的话，整个MIM零件的壁厚都应该一样。厚度不同会导致扭曲、内应力、孔洞、开裂和凹痕。另外还会导致收缩不均匀，影响尺寸公差与控制。
零件厚度最好在1.3~6.3mm范围内。
为了使MIM零件壁厚均一，给出了几种常用的改变形状的方法。
1.2 厚度过渡段
有些场合下无法满足壁厚均一，则不同厚度之间应该设计成逐渐过渡。
1.3 去芯孔
利用去芯孔可将横断面减少到准则极限之内，达到均一壁厚，减少材料消耗和减少或消除切削加工作业。
优先方向是平行于开模的方向，换言之，是垂直于分型线的方向。
因为型芯杆是支撑在两端的，所以最好用通孔，不用盲孔，盲孔使用的是悬臂杆。
1.4 脱模斜度
脱模斜度是表面上的小角度，要平行于模型零件的移动方向。
对于芯杆，要特别精确。
脱模斜度是为了便于脱出与顶出成型的零件胚料。脱模斜度一般是0.5度~2度。实际的脱模斜度大小随着成型的孔或凹进的深度以及零件的复杂程度增大或型芯个数的增多而增大。
1.5 加强肋与辐板
加强肋与辐板用于补强较薄的壁与避免厚截面。
除了增高壁厚的强度与刚度，还可改善材料的流动与限制扭曲。
加强肋的厚度不得超过毗连的壁的厚度。结构上需要较厚的加强肋处，应该用多条加强肋来代替。
推荐的加强肋的比例。在保持零件的功能性强度下，如何利用加强肋和去芯孔来较少重量。
1.6 倒角与倒圆
倒角与倒圆可减小结构特征交汇处的应力；消除了可能会导致模型结构特征开裂腐蚀的尖角，便于注射料流入模型中和有助于零件从型腔中脱出，有利于成型作业的进行。
1.7 螺纹
内、外螺纹用MIM工艺都能成型，可是，和拧下型芯相比，用丝锥攻的螺纹比较精密，成本较合算。
为了除掉拧出成型螺纹的模型构件，成型螺纹的模型部分，外螺纹最好位于模型构建的分型线上。
为了保持螺纹直径的螺纹公差，一般都规定在分型线上有一0.127mm的小平面，这可保证将模型适当密封，可减小分型线的痕迹，可避免在螺纹根部产生毛刺，从而可减少模型的维修。
1.8 孔与槽
孔与槽，除了减少零件质量与成型均一壁厚外，还是MIM零件的一种有用的功能性结构特征，而且一般并不会增高零件价格。
可是，增加孔与槽会增大模具的复杂性，这需要增加模具成本。垂直于分型线的孔最容易成型，费用最低。和分型线平行的孔，虽然容易成型，但需要增加滑块或液压缸，这都会增大前期模具制造的成本。
内部的连通孔可以成型。
可能的话，应将一个孔做成D型孔，以在芯杆上作出一平面，从而增强模具的密封性，否则需要将配合零件作出圆弧曲面，其薄刃边会产生异常磨损。
1.9根切
用对开式模具，外部根切在分型线上很容易成型，制造这种形状需要增加模具零件，增大模具成本和降低生产率。
一些内部根切可用滑块制作，另外一些可用活动型芯成形。
在大多数MIM零件设计中，由于存在增加成本和可能产生飞边的问题，设计人员可能会决定取消内部根切。
1.10浇注系统
注射料是通过浇口进入模具型腔的，鉴于MIM注射料的金属含量高，MIM的这些浇口一般都比塑料注射成型的大很多。
由于浇口通常会在成品零件从成型型腔脱出来的地方留下痕迹，因此，浇口的设置需要对要求的工艺性、功能、尺寸控制及美学进行平衡。
浇口最好设置在模具分型线上，如图10所示，这样设置，可使注射料流动的路径冲击型腔壁或芯杆。
另外，壁厚不同的零件，通常将浇口设置在最厚的横截面处，以使注射料从厚截面处流向薄截面处。这样设置浇口可消除孔、凹槽、应力集中及零件表面上的流线。
若想用多型腔生产零件，还必须考虑到浇口的大小和设置，以保证在充填速率均衡的情况下，供给每一型腔的注射料量相同。
1.11分型线
可能的话，所有结构特征的取向都应该垂直于分型线，以便成形的零件从模具中取出。
通常，将分型线变成了零件表面的证示线，这是两个对半模型拼合的必然结果。
在上半个模型中成形整个零件的几何形状，这时，分型线就只能沿着零件的底边了，并没有产生分型线。平常，可将模型设计成沿不引人注意的边缘分离，从而将分型线“隐匿”起来。
分型线最好位于一个平面上，可是，有时候为了成型所需要的结构特征，必须改变简单形状。
增大零件的复杂性，虽然会增加模具的制造和维修费用，但将该结构特征进行浇注成形时，成本可能是降低的，否则，需要进行切削加工或组装作业。
1.12装饰性特征
标记、压花、零件数及模号、穴号识别标记，均很容易成形在零件的适当位置，而且不会增大零件成本。
这些特征可以使突出的或凹进的，MIM工艺可以制作出高水平的特征细节，包括较尖锐的金刚石压花。
1.13烧结件支撑
MIM零件生坯在脱脂和烧结过程中，约收缩20%，为将可能产生的扭曲变形减小到最低限度，MIM烧结时必须将MIM零件进行适当的支撑。
通常，将MIM零件放置在平板陶瓷或托盘上。
最好将烧结用的平板或托盘设计成有大的平面或有几个零件结构特征公用的平面，从而可使用标准支架。跨距长、有悬臂或有易损处的MIM零件，可能需要用零件的专用支架或固定装置来支撑。这些生产费用都是很高的。
二. 烧结后续加工
鉴于MIM工艺的公差位于±(0.3%-0.5%)之间，许多零件都烧结到了最终尺寸，倘若零件的某一结构特征的公差比较紧密，可进行后续的机械加工。
MIM零件材料可进行切削加工、攻螺纹、钻孔、拉精整、磨削或像锻造件一样进行焊接。
为了改进强度、硬度计耐磨性，MIM零件也可以进行热处理。
另外，由于MIM零件通常都将相互连通的孔隙度限制在0.2%以下，因此，进行常规的着色与电镀时，不需要进行特殊的表面制备。
三. 结束语
零件作为粉末冶金零件成型工艺的一种新型成型技术，经过几十年的发展，已从个别、少数零件的实验开发，发展到了具有大规模生产的阶段。
从MPIF每年举办的粉末冶金零件设计获奖的MIM零件项目，可以明显看出MIM零件在北美发展的趋势。
从1997~2001年，MPIF在粉末冶金零件竞赛中每年评出的获奖零件为15~18个。在获奖零件的类别一栏中，从1997~2004年都是用MIM表示，但从2005年开始将获奖的MIM零件分成了航空航天/军工、医疗/牙科、手动工具/娱乐、电子/电气、五金/用具、工业电机/控制装置及其他类供7类。
这些表明，MIM零件的生产在北美已进入一个渐进式发展阶段。

在中国大陆，得益于电子数码产品对MIM件的强大的需求，大大小大小的MIM企业分布全国，集中于长三角、珠三角及北京和周边地区。在中国大陆大力推广MIM零件的基本知识与生产应用，特别是在更多的领域的应用，实为当务之急。