关于复杂结构零件的金属粉末注射模具设计

1、工艺介绍

金属粉末注射模简称 MIM， 即 Metal Powder Injection Molding。它是一种用注射成型的方法制造复杂、 精密合金零件的跨学科先进技术。它使用特制的金属粉末 （微米级） 与高品质的高分子塑料聚合物混合形成的MIM喂料， 这种喂料能提供注射时的良好流动性， 通过注射模成型坯件。坯件经高效的脱脂和烧结， 合金零件密度可达到理论密度的99%。金属粉末注射成型制品密度均匀、 光洁度好， 一般无需后续加工， 原料利用率接近100%， 是21世纪最具革命意义的一种近净成型技术。图1所示制品为医疗设备牙矫型架内的一个加镍不锈钢金属零件， 制品批量较大， 结构复杂， 表面粗糙度值要求达到Ra0.80μm， 尺寸精度要求达到IT5 （GB/T1800.1-2009） ， 由于采用普通的机械制造方法加工难度大， 效率低， 且材料浪费多， 为节省成本， 采用金属粉末注射成型技术。

2、金属注射成型制品结构分析

金属粉末注射成型制品重量一般不超过250g ，但该制品尺寸较大， 重量约 350g， 最大外形尺寸：171.00×67×34.50mm， 平均壁厚为2.2mm， 制品重量是MIM注射模结构设计需面对的难点之一。另外， 制品结构复杂， 有4个地方需要侧向抽芯， 而且都在定模侧， 定模侧向抽芯是模具设计需面对的难点之二。

3、树脂和喂料配比及收缩率确定

加镍不锈钢金属粉末颗粒尺寸为0.2μm， 有机胶粘剂采用尼龙PA12， 它是金属粉末的载体， 作用是粘接金属粉末颗粒， 使喂料在注射机料筒中加热后具有流变性和润滑性。尼龙的优点是用量少， 和金属不会起化学反应， 脱脂时易去除。参考国外经验， 及过往本院的实验结果， 加镍不锈钢和PA粘接剂混合体积比例采用8：2。在脱脂的过程中， 零部件的体积不会在脱脂过程中发生改变， 但在烧结时零部件会发生13%~18%的收缩。因此收缩率比单纯的PA注射模大很多， 根据喂料配比， 模具成型尺寸采用15%收缩率。

4、模具结构设计

为了解决成型坯件重量较大得问题， 模具采用4个点浇口从型腔内均衡进料的浇注系统。模架规格为龙记简化细水口模坯，采用内置式定距分型机构。防止模具在运输过程打开， 造成安全事故， 生产时要将锁模扣拆除。

4.1 成型零件设计

“加镍不锈钢+尼龙PA12” 喂料对间隙很敏感， 很容易产生飞边。塑料零件产生飞边很容易清除掉， 但金属零件飞边就会如刀锋那样造成安全问题。所以MIM注射模成型零件设计和制造要求特别高， 尺寸精度和配合精度必须达到IT5以上。模具成型零件采用镶拼结构，为提高模具的刚性和强度， 确保成型制品尺寸精度。“加镍不锈钢+PA” 喂料与单一PA塑料熔体相比还有一个特点是对模具型腔摩擦力较大， 对成型零件钢材和型腔表面粗糙度要求很高， 模具成型零件必须采用耐磨性更好的钢材， 本模具采用模具钢S136H， 热处理硬度30～35HRC， 型腔表面抛光至Ra0.4μm， 以改善喂料的流动性， 提高模具寿命。很高的尺寸精度、 无飞边、 超高的表面质量， 所有这些要求都是MIM注射模必须满足的。

4.2 侧向抽芯机构设计

成型坯件既有两处外侧倒扣， 又有两处内侧倒扣，均需设计侧向抽芯抽芯机构。两个内侧抽芯距离均为1.7mm， 由于抽芯距离较短且内侧空间较小， 模具只能采用斜顶侧向抽芯抽芯机构。又因为内侧倒扣位置由定模成型， 故只能采用定模斜顶， 这是模具设计的难点和重点。因为定模侧没有注塑机顶棍的推力， 定模斜顶固定板只能采用弹簧推出， 并采用复位杆复位。斜顶侧向抽芯抽芯机构。斜顶固定板的推动距离要严格控制在25mm内， 防止两斜推杆推出时互相干涉。两斜顶的倾斜角度不宜太大， 本模取7°。

注射模结构包含：定模座板、脱料板、12.T形扣压块、斜顶、销、斜顶底座、撑柱、斜顶底座、销、浇口套、定模板、弹簧、耐磨块、定模滑块、动模镶件、动模型芯、动模板、导柱、推杆固定板、导套、推杆底板、动模座板、复位杆、侧抽芯、定模镶件、定模板镶件、斜顶底板、斜顶固定板、尼龙塞、推管、定位块下、定位块上、限位钉、锁模扣、小拉杆。两处外侧倒扣也由定模成型， 为保证外观质量，均采用定模侧向抽芯。在抽芯过程中， 锁紧块始终在滑块的T形槽内，故无须再设计滑块定位零件。

4.3 定距分型机构设计

模具采用点浇口浇注系统， 模具必须采用三板模模架， 开模时共有3个分模面， 其中定模侧有两个。为了保证流道凝料能够自动脱模以及定模侧向抽芯机构在动、 定模打开之前完成抽芯， 模具3个分模面的打开顺序及打开距离应受到严格控制， 所以模具必须设计定距分型机构。该模具采用内置式定距分型机构，使流道凝料顺利脱落， 同时使斜顶、定模滑块顺利完成侧向抽芯，保证拉料销脱离流道凝料。

4.4 温度控制系统设计

由于金属粉末比热较大， 模具在成型过程中吸收的热量比普通的尼龙注射模更多， 因此温度控制系统设计难度更大。根据制品形状， 定模采用1股直通式冷却水道， 动模采用3股冷却水道。

4.5 脱模机构设计

在金属粉末注射模中， 脱模和冷却都是关键问题。完成侧向抽芯之后， 成型坯件最后由推杆和推管推离动模， 这种组合脱模机构充分且有效， 保证了坯件脱模时安全平稳不变形 。

4.6 排气系统设计

MIM注射模在排气槽深度方面与普通注射模有很大的不同。普通注射模根据其成型塑料的不同， 排气槽深度一般取0.02～0.06mm， 而MIM注射模的排气槽深度一般在0.0025～0.005mm之间， 大过这个深度就会产生飞边。好的喂料在之后的凝固过程中， 收缩率极低。为了尽量加强成型制品形状保持力度， 可以大量使用金属粉末填充剂， 其用量往往接近体积的70%。为了能够获得高填充喂料的良好流动性， 采用了低分子量的塑料PA， 使MIM喂料具有很高的飞边灵敏度， 类似于许多填充尼龙材料所显示的特性。

5 模具工作过程

（1） 混料。将加镍不锈钢金属粉末和尼龙PA12按体积8 : 2均匀混合， 得到喂料。

（2） 注射成型。将喂料放入注塑机料筒里加热至150℃， 变成一种黏稠的桨状物质， 在高压下通过点浇口浇注系统注入模具型腔。控制注射温度、 模具温度、注射压力、 保压时间等成型参数对获得稳定的生坯品质至关重要。

（3） 冷却固化。喂料注满型腔后， 经保压和冷却，固化为坯件后， 模具在注塑机拉动下开模。

（4） 开模。在定距分型机构的作用下， 模具依次从分型面I、 分型面II和分型面III处打开。分型面I的开模距离为145mm， 由小拉杆控制。分型面II处打开时， 模具完成外侧抽芯， 同时脱料板将流道凝料推离模具推离模具， 实现模具自动脱浇。分型面II的开模距离为12mm,由限位钉控制。分型面III打开时， 动模板、 定模板分离， 成型坯件脱离定模型腔。完成开模行程后推杆将推杆将成型坯件推出模具， 完成一次注射成型。

6 总结

（1） 相对于其它金属成型方式， 金属粉末注射成型能制造形状更为复杂的制品， 且效率高， 没有材料浪费，是典型的精密制造和绿色制造技术。但制品大小受到一定的限制， 一般不超过250g。本次成型的制品重达350g， 对金属粉末注射成型是一次突破和成功的尝试。

（2） “镍基不锈钢+PA” 喂料与纯尼龙PA相比塑性较差， 模具采用定模内、 外侧同时抽芯风险很大， 本次成功也是模具结构大胆创新的一次较大突破。

（3） 模具结构先进合理， 试模一次成功， 模具投产后运行安全平稳， 成型周期28s， 每日产量可达2,300件。成型坯件经脱脂烧结后尺寸精度达到了IT5 （GB/T1800.1-2009） ， 表面粗糙度值达到了Ra0.8μm， 均达到了设计要求。

---转载自《模具制造》月刊，作者：张维合， 成永涛， 胥永林（广东科技学院）