陳 超，廖秋慧，李大杰，潘超越，繆張弛

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600；2.岡奇電子有限公司，上海 201600）

0 引 言

粉末注射成型（power injection moulding，PIM）是特殊的成型技術(shù)，其結(jié)合粉末冶金及傳統(tǒng)注射成型的特色，兼具注射成型及燒結(jié)2種關(guān)鍵技術(shù)[1]。根據(jù)不同的粉末類型，將粉末注射成型分為陶瓷注射成型（ceramic injection moulding，CIM）及金屬注射成型（metal injection moulding，MIM）[2]。PIM 技術(shù)的產(chǎn)生使復(fù)雜外觀及難成型的零件能實現(xiàn)量產(chǎn)化，提升了粉末冶金的應(yīng)用范圍。在工業(yè)發(fā)展應(yīng)用上，MIM技術(shù)有廣闊的市場，在高科技3C零件、生物醫(yī)療器械、汽車零部件、航天器零部件及首飾與機(jī)械零件等領(lǐng)域，獲得了大量的應(yīng)用[3-6]。

MIM工藝主要包括將金屬粉末與高分子黏結(jié)劑混煉成進(jìn)料、注射成型、脫脂、燒結(jié)及后處理加工5個部分[7]。理論上燒結(jié)后零件尺寸公差應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求，后序加工僅對零件表面進(jìn)行處理，然而在MIM整個工藝過程中難免產(chǎn)生偏差，偏差產(chǎn)生越早，零件最終的尺寸精度、強(qiáng)度偏差越大，也會產(chǎn)生不良變形及外觀缺陷。雖然成型零件中出現(xiàn)的某些缺陷可以通過后續(xù)的整形、拋光等措施解決，但這會使成型工藝周期延長，不利于零件生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)收益。隨著計算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）技術(shù)的成熟，可針對成型過程中出現(xiàn)的各種問題及時糾錯，提升零件成型品質(zhì)，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本[8,9]，還可通過現(xiàn)場經(jīng)驗與模擬結(jié)果的相輔相成[10,11]，將MIM過程進(jìn)行較大的優(yōu)化。Moldex 3D是塑料注射成型中模流分析軟件，其PIM模塊可通過真實三維模擬分析技術(shù)[12]，幫助MIM開發(fā)者處理金屬注射零件設(shè)計與制造問題?，F(xiàn)以某金屬鉗口下顎為例，通過Moldex 3D設(shè)計注射模型，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，并分析零件缺陷的產(chǎn)生原因并對其進(jìn)行優(yōu)化。

1 零件分析

零件為五金工具鉗的下顎，體積約10 524.88 mm3，材料為Fe2Ni，理論質(zhì)量為 82.41 g。圖1所示為機(jī)加工零件裝配后的實物，尺寸如圖2所示。機(jī)加工零件的尺寸精度、外觀、致密性及力學(xué)性能均要優(yōu)于金屬注射成型的零件，但因機(jī)加工零件速度較慢，材料消耗較大，不適合量產(chǎn)，相比之下金屬注射成型產(chǎn)能大，材料消耗低，若能保證成型零件尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及外觀，該成型工藝為最優(yōu)選擇。

圖1 機(jī)加工零件實物

圖2 零件尺寸

零件為近似對稱結(jié)構(gòu)，其中凹槽內(nèi)有平面度要求，內(nèi)槽兩側(cè)壁厚不同，厚側(cè)為4.83 mm，薄側(cè)為3.40 mm，且薄側(cè)帶有半圓孔結(jié)構(gòu)，厚側(cè)為連續(xù)實體，但有圓弧結(jié)構(gòu)。另外鉗口平臺面A與裝配內(nèi)槽槽面B有垂直度要求，開發(fā)階段需要注意這些尺寸。零件壁厚比一般金屬注射零件（2～3 mm）厚，最厚處達(dá)到14.3 mm，易形成不良的收縮，凹槽兩側(cè)壁的壁厚突變會造成翹曲，影響零件后續(xù)裝配。

由于成型工藝中通過添加黏結(jié)劑使進(jìn)料具有良好的流動性能，而后又要去除黏結(jié)劑進(jìn)行燒結(jié)致密化處理，從注射毛坯到成品存在較大的體積收縮。在使用黏結(jié)劑質(zhì)量比為6.9%的注射進(jìn)料時，毛坯件到成品一般會收縮18%，再考慮注射成型零件的收縮率為0.5%，模具設(shè)計的型腔與最終成型的零件尺寸比為1.185∶1。

2 初始階段模擬方案設(shè)計

金屬注射階段的充填與塑料注射類似，主要區(qū)別在進(jìn)料。普通塑料注射中，進(jìn)料大多數(shù)以高分子材料為主或加輔助劑，有時為了降低成本或改良塑料特性會加入填充劑。在金屬注射進(jìn)料中，金屬粉末占據(jù)絕對含量（通常占進(jìn)料總體積的60%左右），高分子黏結(jié)劑在進(jìn)料中起提高粉末流動性及注射毛坯件保型性的作用。一般金屬粉末易發(fā)生團(tuán)聚，在高剪切條件下，會使原來混合進(jìn)料發(fā)生鐵塑分離的現(xiàn)象，影響零件成型尺寸及外觀[13]。因此金屬注射成型的澆口比塑料注射澆口更大（大多采用扇形澆口、潛伏式澆口），且澆口處流速不宜過快，這會使待成型零件整體的充填時間延長。

2.1 預(yù)設(shè)澆口位置

零件為近似對稱結(jié)構(gòu)，可將零件分型線設(shè)計在其對稱線上，澆口的大致位置也隨之確定。鉗口平臺面A為貼合面不宜作為澆口預(yù)設(shè)位置，在其他位置設(shè)計了4組澆口，分別在薄壁側(cè)（Ⅰ組）、厚壁側(cè)（Ⅱ組）、弧面中心線中部（Ⅲ組）以及鉗口尖端側(cè)（Ⅳ組），各組澆口均為7 mm2矩形截面澆口，最終將所有構(gòu)成系統(tǒng)生成BLM實體網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 4種澆口位置

2.2 材料選擇及成型參數(shù)

零件所用進(jìn)料金屬粉末為Fe2Ni混合粉末，質(zhì)量占比為93.1%，其余為巴西棕櫚蠟、高密度聚乙烯、石蠟、聚丙烯、熱塑性彈性體及硬脂酸混合而成的黏結(jié)劑。在Moldex 3D軟件選擇以材料CAEMIM-002為模板輸入進(jìn)料屬性，圖4所示為材料的黏度曲線及體積V受溫度T及壓力P的影響（pressure volume temperature，PVT）曲線。

圖4 CAE分析用進(jìn)料的黏度曲線與PVT曲線

由圖4可知，在剪切速率一定的情況下，溫度升高，黏度降低，但溫度對黏度的影響不大，而在恒定溫度下，材料的黏度隨剪切速率增大而降低，呈假塑性流體。材料的熔點（Tm）為92℃，因為材料中包含了低熔點的組分巴西棕櫚蠟與石蠟，使進(jìn)料的整體熔點降低，圖4（b）所示中曲線存在斷差是因為非結(jié)晶性的高分子組分與結(jié)晶性高分子組分混合造成的結(jié)果。為方便比較4種澆口的優(yōu)劣，根據(jù)材料的屬性，對初始階段的模擬設(shè)定了相同工藝參數(shù)，如表1所示，其中保壓時間由澆口固化時間得到，根據(jù)材料屬性及壁厚可推算材料合理的冷卻時間。

表1 主要成型工藝參數(shù)

3 初始階段模擬結(jié)果及分析

3.1 充填效果及熔接痕

圖5所示為4組初始設(shè)計模擬充填96%時的進(jìn)料流動前峰，觀察充填結(jié)果，4組模擬均能在2.2 s左右完成充填。4組進(jìn)料在薄壁側(cè)上端均形成了流動末端，圖 5（b）、（c）、（d）還在薄壁側(cè)半圓孔環(huán)路中形成流動末端，而圖5（a）并沒有在該處形成流動末端，進(jìn)料流動末端處為熔體溫度最低處。對于金屬注射成型，若末端冷卻過快，粉末充填不足，易在燒結(jié)零件上產(chǎn)生不良收縮，而位于末端的熔接觸處過冷，會在成型零件上產(chǎn)生熔接痕，不僅影響零件外觀，還可能會影響零件的正常使用。

圖5 充填96%時的進(jìn)料流動前峰

圖6所示為4組充填模擬易產(chǎn)生熔接痕的位置，圖6（a）僅在厚壁側(cè)長平面上產(chǎn)生較短的熔接痕，圖6（b）則在薄壁側(cè)孔邊薄片處產(chǎn)生一圈較長的熔接痕，圖6（c）、（d）在薄、厚壁上均產(chǎn)生較長的熔接痕。由于成型零件在熔接痕位置有力學(xué)性能要求，熔接痕會影響零件使用要求。熔接角為2股熔體前峰相遇時形成的角度，角度過?。ǎ?5°），則熔接痕更容易產(chǎn)生，對成型零件的影響也越大。4組模擬中，最大熔接角均在140°左右，最小熔接角各有差異，分別為94.8°、70.7°、61.8°及80.5°，說明圖6（b）、（c）若在流動末端冷卻過快，則該位置易受熔接痕影響。

圖6 各組熔接痕分布

熔接痕處溫度分布如圖7所示，當(dāng)溫度高于進(jìn)料熔融溫度時，溫度越高產(chǎn)生熔接痕的幾率越小，對成型零件的影響也越??；若溫度低于或接近于零件熔融溫度時，溫度越低，熔接痕越容易產(chǎn)生，影響零件成型質(zhì)量。4組熔接痕處溫度均高于進(jìn)料熔融溫度，說明4組熔接痕位置可通過較高的熔體溫度降低熔接痕的影響。其中圖7（c）具有最高的平均熔接痕溫度（169℃），下限溫度也最高（161℃），這是由于從澆口至熔接痕位置的流動距離最短，溫度損失最低。綜合流動及熔接痕分析，4組均為合理設(shè)計，其中Ⅰ組受熔接痕影響最小，可作為首選設(shè)計。

圖7 各組熔接痕處溫度分布

3.2 收縮變形

金屬注射成型與普通注射成型類似，同樣存在凹痕影響。一般凹痕產(chǎn)生在厚度較厚的區(qū)域，由于在冷卻階段與模壁接觸的熔體率先冷卻硬化，而內(nèi)部熔體才開始冷卻，因收縮拉扯表面冷卻熔體而造成凹痕。觀察4組凹痕位移指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)成型零件可能產(chǎn)生凹痕的位置及深度，4組模擬凹痕位置幾乎一致，如圖8所示，色標(biāo)由淺色至深色表示凹痕位移由小至大，最小凹痕為0顯示深色。產(chǎn)生凹痕的位置位于零件壁厚較厚的側(cè)平面至半腰處、壁厚突變的外槽兩側(cè)壁、半圓弧面處、平臺面A中部及其延伸曲面以及凹槽內(nèi)部。

圖8 凹痕位置

通過分析各組凹痕位移分布比較凹痕位移量差異，圖9所示為各組凹痕位移量分布，Ⅲ組凹痕位移無論是平均值（0.007 8 mm），還是最大凹痕位移量（0.056 7 mm）都小于其他3組，其他3組平均值均為0.00 87 mm，最大凹痕位移量分別為0.063 5、0.064 2、0.063 5 mm。這是由于Ⅲ組的澆口最接近待成型零件中心，澆口至流動末端的距離最近，即流長比最小，澆口至產(chǎn)生凹痕處的距離也最短，保壓階段澆口至產(chǎn)生凹痕處的壓力損失也更小，能更有效地補縮，減小凹痕帶來的影響。

圖9 各組凹痕位移量分布

不同于普通注射成型的是金屬注射成型中，黏結(jié)劑中高分子因含量不多，所造成的凹痕影響也難以主導(dǎo)最終成型零件的變形量，而金屬粉末占據(jù)進(jìn)料的大量體積，其粉末顆粒在注射過程中沒有任何變化。粉末與黏結(jié)劑之間只是簡單的混合，兩者之間并沒有產(chǎn)生實質(zhì)性的連接體，在熔體流速過快時會產(chǎn)生粉末與黏結(jié)劑兩相分離的現(xiàn)象，導(dǎo)致局部區(qū)域內(nèi)粉末濃度下降，部分區(qū)域內(nèi)粉末濃度又偏高，這種情況下，雖然注射成型的毛坯件在尺寸上并沒有明顯的偏差，但毛坯件實際上已是非均質(zhì)，經(jīng)歷燒結(jié)工藝后，黏結(jié)劑被完全去除，原本粉末不均勻的問題才出現(xiàn)。一般粉末濃度高的區(qū)域產(chǎn)生的過大尺寸可經(jīng)過后處理去除，而低粉末濃度的區(qū)域造成的缺料、不良收縮等會影響零件成型質(zhì)量且無法挽回。通過粉末濃度模擬模塊，可以了解注射階段成型零件各區(qū)域大致的粉末濃度。為探討低粉末濃度區(qū)域，將4組色標(biāo)均顯示60%粉末濃度以下的區(qū)域，如圖10所示。

圖10 各組粉末濃度小于60%區(qū)域

通過比較粉末濃度數(shù)值，Ⅲ組的粉末濃度最均勻，在59.867%～60.191%；而Ⅳ組差異最大，在58.508%～61.076%。在低粉末濃度區(qū)域分布上可以觀察到Ⅰ、Ⅱ組主要分布在凹槽兩側(cè)壁上，且在半圓弧薄壁處粉末分布最低，表明Ⅰ、Ⅱ組燒結(jié)階段在該處可能因粉末濃度不足導(dǎo)致不良收縮。Ⅲ組在凹槽兩側(cè)壁處的低粉末濃度區(qū)域明顯減少，在該處不良收縮的影響也更小，而其低濃度粉末區(qū)域主要集中在澆口端附近，該處并非尺寸要求較高處，造成的外觀不良可以通過后處理改善。Ⅳ組低粉末濃度區(qū)域覆蓋了整個成型零件，該設(shè)計不可取。

研究粉末濃度差異的原因，可將充填過程中的進(jìn)料視為懸浮液，黏結(jié)劑為混合液體，粉末顆粒為懸浮顆粒粒子，剪切誘導(dǎo)了粒子遷移[14]。在不考慮懸浮液顆粒沉降及顆粒布朗運動，且流動充分的情況下，流體在管截面不同同心圓處流速不同，但其分布維持不變，如圖11所示，圓管截面下流體流速成一梯度，管中心流速最大，管壁處流速最小，截面的流動波前呈拋物線狀。

圖11 粉末流動狀態(tài)

流體的速度越大，粒子濃度越大，顆粒半徑越大，粒子的遷移現(xiàn)象越明顯，粉末濃度分布也越不均勻。另外金屬粉末粒徑在實際狀況中并不是均勻粒徑的顆粒，是一個多元的懸浮液體系，小粒徑的粒子會在高剪切的管壁附近聚集，大粒徑的粒子逐漸開始下沉，這使粉末的最終濃度分布更復(fù)雜。

3.3 翹 曲

金屬注射成型同樣受成型條件、模具冷卻、零件外形設(shè)計和進(jìn)料特性等因素的影響導(dǎo)致成型零件不均勻收縮的翹曲現(xiàn)象。當(dāng)成型零件是配合件且因變形量超過公差時，成型零件將無法正常組裝，必須控制成型零件所允許的翹曲量值。該零件的裝配主要在凹槽處，必須考慮凹槽兩側(cè)壁內(nèi)縮狀況，圖12所示為4組側(cè)壁相對方向上的翹曲位移量分布及變形量最大位置，發(fā)現(xiàn)Ⅲ組具有最小的翹曲位移量，但在其兩側(cè)壁位移最大量超過了0.05 mm，這僅是注射階段所產(chǎn)生的翹曲，再在燒結(jié)階段體積收縮后，翹曲量將增大，達(dá)不到設(shè)計要求。通過更改注射工藝，翹曲量不一定會得到改善，需要對后續(xù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，如增設(shè)起支撐作用的隨形墊塊。

圖12 各組翹曲位移量

通過對4組模擬結(jié)果進(jìn)行比較，4組熔體均可以完全充填型腔且不受熔接痕的影響，但考慮變形及翹曲因素，Ⅲ組為最優(yōu)設(shè)計。另外考慮凹槽兩側(cè)壁過大的翹曲量，增設(shè)隨形的燒結(jié)墊塊設(shè)計，用于防止該處不良變形的產(chǎn)生。墊塊與待成型零件1模2腔注射，注射完成后立即在墊塊表面噴涂微米級氧化鋁粉并裝配至凹槽。墊塊不僅起支撐作用，還可使零件豎起燒結(jié)，使燒結(jié)空間得到優(yōu)化，提高了燒結(jié)爐的利用率。墊塊與成型零件有相同的收縮率，為成型零件均勻收縮提供了保證，圖13所示為設(shè)計的隨形墊塊、流道及其裝配。

對最終成型零件進(jìn)行尺寸測量并裝配，外槽處平整且符合要求，配合件可順暢通過凹槽，但在平臺面A處與配合件之間沒有完全貼合，存在約0.37 mm的間隙，且整體尺寸縮短約0.29 mm，如圖14所示。究其原因可能是成型零件厚度過大，導(dǎo)致較大收縮量造成的，通過對成型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如表2所示，將澆口增加至9 mm2，試模后的成型零件如圖15所示，間隙縮小了40%，尺寸偏短量改善了24%，但仍然在公差外，需要通過后續(xù)修改模具來改善。

圖15 優(yōu)化零件

4 結(jié)束語

（1）通過對成型厚壁金屬零件注射階段的模流分析，預(yù)測了成型零件可能存在的熔接痕、凹痕及翹曲，比較4組設(shè)計可能存在的成型零件缺陷，得到了最優(yōu)設(shè)計。

（2）成型厚壁金屬注射零件所產(chǎn)生的不良收縮主要由黏結(jié)劑的收縮、粉末濃度不均勻造成，而粉末濃度不均勻的主要原因是壁厚變化或進(jìn)澆口附近熔體流速過快等因素造成剪切誘導(dǎo)粒子遷移效應(yīng)引起的。

（3）成型金屬注射毛坯件存在較大翹曲變形時，可加裝同材質(zhì)的隨形墊塊，墊塊簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可起到支撐作用，整個工藝過程中能有效控制成型零件的翹曲變形。