金属注射成型零件的设计要点

目录

• 2.1 介绍

• 2.2 可用的材料和性能

•  2.3 尺寸能力

• 2.4 表面处理

• 2.5 工具工件

• 2.5.1 分模线

• 2.5.2 注塑模顶销迹印

• 2.5.3 浇口位置

• 2.6 设计考虑

• 2.6.1 用于烧结的平面

• 2.6.2 壁厚

• 2.6.3 拔模

• 2.6.4 螺纹

• 2.6.5 肋材与腹板

• 2.6.6 弧度

• 2.6.7 凸台

• 2.6.8 下切

• 2.6.9 装饰性功能

2.1 介绍

金属注射成型（MIM）是一种工艺，通过使用与塑料注射成型非常相似的工具和注射成型机，将粉末塑造成复杂的部件。因此，部件的复杂程度与塑料注射成型中的复杂程度相同。与注射成型工艺有关的人工制品（浇口、顶出销、分模线）也与塑料注射成型中的人工制品类似，必须在设计中加以考虑。然而，由于MIM工艺需要多个成型后排胶和烧结步骤，因此需要考虑一些设计因素，如横截面厚度和几何特征。

表格 2.1 MIM属性与其他制造技术的比较

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根据经验，小于约100克并适合手掌大小的元件可能是MIM技术的良好候选对象。平均尺寸为15克的MIM元件是常规的；但是，0.030克左右的元件也是可能的。表2.1对MIM工艺与其他制造工艺进行了比较。请注意，MIM仅限于较小的零件尺寸，可提供较薄的壁厚，具有良好的表面光洁度，并适合于大批量生产。表2.2回顾了MIM工艺的上限和下限规格。

表格 2.2 由MIM工艺产生的属性

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以下是一些一般的设计考虑，本章将详细讨论。

• 避免部件厚度超过5毫米（0.5英寸）。这是由MIM技术和合金决定的，例如4140和使用羰基粉末的合金比使用气体原子化粉末的合金有更厚的壁面。此外，还可以对粘合剂系统进行修改，以使更厚的部分能够脱脂。

• 避免质量超过100克的部件；然而，对于某些技术来说，300克是可能的。

• 避免长件没有草图。

• 避免直径小于1mm（0.0039in.）的孔。

• 避免使用比1毫米（0.0039英寸）更薄的壁，尽管在某些情况下可以使用0.030毫米的壁。

• 保持壁厚均匀；应避免将薄而细长的部分连接到厚的部分上，以增强成型过程中的流动性，避免下沉和空隙，并限制烧结过程中的变形。

• 取芯较厚的区域，以避免下沉、翘曲和脱脂缺陷。

• 避免尖角。所需半径大于05mm（0.002in.）。

• 设计时要有一个平坦的表面，以帮助烧结--否则需要定制陶瓷镶嵌器。

• 避免在封闭的空腔内--尽管可以使用一些技术，如化学或热可拆卸的聚合物芯，但并不常见。

• 避免内部暗挖--尽管可以使用前面提到的可折叠芯子或可抽取芯子，但并不常见。

• 带有凸起或凹陷字母的设计。

• 内外螺纹设计。

2.2 可用的材料和性能

MIM可用于医疗、军事、硬件、电子和航空航天应用的许多常见结构材料。如果有合适尺寸的粉末，<25μm，并且粉末的密度足够高，不改变合金的化学性质，就可以用MIM工艺制造材料。表2.3概述了可用的材料、应用以及使这些金属成为理想的具体特征。

表格 2.3 MIM材料、应用和特点概述

MIM性能优于大多数铸造产品，略低于锻造产品。由于加工方法的原因，铸造和MIM部件都具有微观结构孔隙或空隙，其中，由于液体冷却为固体，铸造空隙可能较大且局部，而MIM空隙通常很细，且在烧结后均匀分布在整个微观结构中。铸造材料的大的、局部的孔隙导致性能较差，而MIM细孔的分布特性为增强性能提供了更好的微观结构。热等静压可用于获得全密度。MIM工艺的另一个特点是，最终产品将在烧结操作后进行退火，因此，在机加工状态下表现出加工硬化强化的材料（即316L SS和MP35N）可能需要某种形式的烧结后操作，以提高MIM烧结操作后的强度。表2.4提供了许多MIM结构材料（钢和不锈钢）的典型数据。

表格 2.4 Typical MIM structural material properties

MIM是制备软磁材料的一种有吸引力的方法。MIM操作提供了处于退火状态的净形状部件，这是最佳磁响应的要求。表2.5提供了软磁应用的数据。每种不同的合金都具有物理特性，这使得它们非常适合不同的应用。2200合金具有与纯铁相似的磁性，但具有更大的强度。Fe-50Ni合金具有高磁导率和低矫顽磁场，是电机、开关和继电器的理想选择。Fe-3Si在交流和直流应用中均显示出低芯损耗和高电阻率。Fe-50Co合金具有非常高的磁饱和度，是高磁通密度应用的理想选择。最后，如果需要良好的磁响应和良好的耐腐蚀性，430L合金将是首选合金。

表格 2.5 MIM软磁合金特性

MIM是一种可行的铜生产技术。用MIM制造的铜表现出良好的导热性和导电性，因此，MIM铜是电连接器和热管理应用的一个可行选择。表2.6提供了与其他成型方法相比的铜数据。一般来说，MIM产品的电气和热性能受铁等金属污染的影响较大，而受密度的影响不大，只要达到烧结的闭孔条件（密度>93%）。

表格 2.6 铜性能比较

可控膨胀合金的目的是确保在材料改变温度时与其他材料有良好的配合和/或密封。表2.7提供了F-15合金的控制膨胀合金数据。F-15也被称为Kovar^TM;，由29%的镍、17%的钴和其余的铁组成。F-15的热膨胀系数与硼硅酸盐（Pyrex）和氧化铝陶瓷相当，主要用于密封应用。其他MIM控制膨胀合金，如合金36、合金42和合金48，基本上都是铁加上与合金号相匹配的镍，以调整热膨胀率。合金36在100℃之前的热膨胀系数为零，合金42在300℃之前的膨胀率较低，其热膨胀行为与许多软玻璃相似。合金48的热膨胀行为与苏打铅和苏打石灰玻璃相似。

表格 2.7 可控膨胀合金

MIM部件的植入是一个不断增长的市场，主要使用的合金是F-75、MP35N和钛基合金。表2.8提供了F-75和MP35N的MIM生物相容性合金数据。MIM钛的数据是存在的，但在很大程度上取决于产品的制造。MIM钛和MIM钛合金的性能容易受到碳和氧杂质的影响，因此，监测这些合金中的这些杂质是最重要的。

表格 2.8 生物植入合金

这里讨论的最后一类合金是钨基重合金，由于其密度高而备受关注。这些合金在军事、医疗、手机、惯性平衡和体育用品方面都有应用。一些具体的应用是惯性穿透器、手机振动重量、高尔夫球杆重量、医疗电极以及钓鱼和打猎的重量。表2.9提供了钨重合金数据。

表格 2.9 重型合金

 2.3 尺寸能力

MIM是一种可重复性很强的工艺，其变化范围在0.2%-0.5%。这种尺寸变化与部件从成型到烧结后经历的收缩和变形量有关。组件在成型过程中收缩了约1%，烧结后又收缩了15%-25%。另外，在烧结过程中用于支撑部件的陶瓷夹具可能会有变化，这就导致部件在不同的夹具上的变化。一些极端的情况下，如果特定的特征趋于扭曲，或者如果特征位于分型线、顶杆瑕疵或浇口瑕疵上，可能会有更大的变化性。如果部件的某一尺寸需要有很高的精度，该特征应该被嵌入一块钢中，而不是有浇口、分型线和顶出销的负面影响。另外，形成孔的芯钉可以通过隧道进入工具的远半部，以防止对关形成飞边，造成该区域内径的变化。一般来说，MIM的变异性优于熔模铸造，劣于高精度加工。

2.4 表面处理

MIM能产生显著的表面光洁度。通常情况下，可以达到0.8μm（32μin）Ra；特殊情况下，表面光洁度可以达到0.3-0.5μm（12-20μin）Ra。表面光洁度是所使用的粉末的大小和化学性质、烧结条件以及任何二次操作的函数，即喷珠或滚珠。由于点蚀，喷砂和喷珠往往会增加表面粗糙度，而翻滚往往会降低表面粗糙度。组件的表面粗糙度也会受到用于制造组件的工具的表面处理的影响。电火花加工(EDM)的凹坑可以转化为MIMed组件的成品。

2.5 工具工件

2.5.1 分模线

分模线是模具的两半相交的地方。通常情况下，这可以留下一条见证线，小到0.0003英寸，大到0.001英寸。这在很大程度上取决于工具的质量。图2.1显示了分模线的一个例子。在极端情况下，在磨损或制造不良的工具中，沿分模线会出现闪边。这些工具可以通过研磨或调整在成型操作中保持工具 "开放 "的工具特征，来消除这种飞边。如果模具磨损，则必须对分模线进行焊接，并通过电火花、硬铣或磨削等工艺重新制造模腔。

图2.1 MIM部件上的分模线瑕疵，显示出工具的两半合在一起的地方。

分模线的位置是保持低工具成本和确保尺寸界线不会干扰部件的功能或外观之间的折衷。最初定义分模线的位置是为了使工具尽可能简单。理想情况下，分型线的位置应确保所有特征都可以在工具的任一侧处理，而无需滑动。滑块大大提高了工具成本。但是，还必须考虑，当待测量的特征位于一块钢中时，可获得最大的尺寸重复性。设想分型线闪光可变性，导致分型线所在部件的尺寸可变性。此外，由于加工过程中模具表面上存在材料，刀具打开和关闭的位置在每个循环中都不相同。尽管很小，但这可能导致±0.0003英寸的微小变化。

关于分模线的另一个考虑与拔模角度有关。通常，拔模从长构件的分型线开始。这使得零件能够容易地从工具上拆下。分型线通常沿着一个平面以最小化成本；然而，分模线可以是阶梯形的，以适应不能以任何其他方式模制的特征，或者适应要求某些表面没有任何用于美观或功能应用的见证线的部件。

2.5.2 注塑模顶销迹印

需要顶出销才能从工具上拆下绿色部件。需要足够数量的这些销，以确保可以在不变形或开裂的情况下移除绿色部件。作为一个自然的结果，这些顶出销所在的见证标记是明显的。图2.2显示了典型的顶杆瑕疵。由于销和销所在的空腔之间的磨损，随着工具的老化，这些见证标记变得更加明显。应选择销的尺寸，以便在工具老化时打开销安装的空腔，以容纳较大的顶出销。

顶出销通常是圆形的，因为圆形顶出销有许多标准尺寸，并且型腔块中的顶出销外壳最容易EDM。矩形顶杆有时用于特殊情况；然而，与钢筋拐角相关的半径会导致薄截面钢的装配和长期完整性问题，因为这些拐角可以作为工具中裂纹萌生的应力集中器。顶出销位于需要最大顶出力的位置，例如靠近凸台、芯孔和肋。在选择顶杆位置时，还应考虑成品部件的外观和功能。

图2.2 MIM部件上的顶出销。

2.5.3 浇口位置

浇口是MIM原料流入型腔的位置。因此，成品上的该位置将出现瑕疵。浇口通常位于部件的最厚部分，其位置可确保整个部件上有均匀的填充压力，以防止脱脂和烧结过程中的变形。浇口的位置通常使流入型腔的材料撞击到销或另一个壁上，以防止熔融原料喷射穿过型腔，从而导致表面流动缺陷。浇口位置的其他考虑因素是放置在非连续或二次加工位置。图2.3-2.6显示了不同的栅极配置。图2.3显示了沿分型线定位的典型拉环浇口瑕疵。图2.4显示了一个凹进的凸耳栅极瑕疵，以防止任何栅极痕迹干扰设备操作的功能。图2.5显示了隧道（也称为次门）缺陷。图2.6显示了由三板工具或热浇道生产的中心浇口。这种类型的浇口用于确保沿组件长度方向的均匀填充密度，该组件为圆形鼻杯。

图2.3 MIM组件上沿分模线的浇口瑕疵。

图2.4 沿分模线凹陷的浇口瑕疵。

图2.5 浇口通道瑕疵

图2.6 中心浇口缺陷定位，以确保均匀的填料压力和同心度。

2.6 设计考虑

2.6.1 用于烧结的平面

在设计MIM部件时，应考虑的关键特征之一是在烧结操作中如何对部件进行固定或设置。如果没有提供足够的支持，MIM 材料在热脱胶和烧结操作过程中很容易发生变形。为了消除变形，在零件上设计了一个平面，用于烧结，这也使得低成本的标准平面夹具得以利用。对于大多数MIM材料来说，夹具通常是陶瓷的，上面可能有孔，以适应部件沿平面可能有的凸起。

如果无法在部件中设计平面，可以使用符合部件形状的轮廓夹具。该陶瓷夹具通常设计用于模制成型的生态部件尺寸。一些夹具可以具有适应生坯尺寸和烧结尺寸的特征。在这种设计中，部件从生态支架收缩到烧结态支架。一般来说，由于热脱脂操作期间聚合物的软化是整个MIM过程中组件的最弱状态，因此在绿色状态下需要最大量的支撑。轮廓陶瓷夹具的替代方案包括使用“模制”;支架来支撑实际部件，烧结后可通过二次操作将其移除。另一种技术是使用切割的陶瓷垫片，该陶瓷垫片被切割成烧结部件的期望高度尺寸。

2.6.2 壁厚

壁厚应尽可能保持均匀，以避免在加工过程中部件的翘曲和随后的尺寸变化。翘曲可能是由于成型操作过程中填料压力的变化、热脱脂过程中粘合剂去除时间的差异以及烧结操作过程中热质量的差异导致的横截面厚度的差异造成的。与大横截面厚度相关的其他问题包括下沉、空隙的可能性以及与粘合剂移除困难相关的气泡缺陷。

应避免壁厚>15mm（0.6in.），壁厚低于10mm（0.4in.）为理想。在较薄的一端，一些技术可以达到25-50μm（0.001-0.002in.）的壁厚。这些可以在较短的跨度内实现，但随着跨度的增加，由于无法填充或由于空气夹杂，成功的可能性就会降低。此外，非常薄（<0.005in.）的截面会在相邻的厚截面之前烧结，导致薄截面的烧结受到限制，随后薄截面被撕裂和变形。

期望截面厚度为一比一。如果由于设计限制，这是不可能的，则应考虑使用与构件上的薄截面厚度相同的腹板对厚截面进行取芯。不同的壁厚设计考虑如图2.7所示。通常，厚度变化不应小于组件主体的60%。如果由于设计考虑而不允许均匀的壁厚，则壁厚的过渡应遵循厚度变化的三倍距离，如图2.8所示。

图2.7 壁厚方面良好和不良做法的说明。

图2.8 厚度过渡建议说明。

2.6.3 拔模

拔模是任何类型的注塑模具的标准要求，以确保部件容易从模具中脱出，但在长截面中尤为必要。如图2.9所示，拔模是指工具尺寸或平行于工具运动方向的角度的变化。拔模应规定为设计允许的最大拔模；然而，由于一些粘合剂可以用作润滑剂，MIM可以具有最小的拔模力。作为名义建议，应指定0.5-2度的吃水深度。当构件元素的长度变长或表面有纹理时，应使用更大的拔模。通常，拔模被选择为在拔模影响的尺寸公差范围内。由于在成型操作的冷却阶段，MIM材料会从壁收缩，因此外部尺寸不需要任何拔模或最小拔模。

图2.9 内部和外部拔模角度的图示，便于从工具上拆下部件。

在成型过程中，MIM 材料收缩到的特征通常是为了便于从模具上取出部件。例如，芯钉具有0.5-1度的拔模或锥度，最大直径尺寸深入工具，小直径尺寸位于芯钉末端。这使得零件能够以最小的摩擦力轻松地从销轴上滑下，因为在初始弹出时，零件从所有表面上都被释放出来。一个部件可能在模具的固定半边上有拔模，以便在开模时容易脱模，而在模具的可动半边上可能没有任何拔模；这是为了确保部件保持在可动半边上，这样就可以用顶出器从模具上持续地取出部件，成型机可以在自动循环中连续运行。模具分模线的位置可以在两个不同的方向上分割牵伸，以尽量减少零件一侧到另一侧的尺寸变化。不同的内径拔模如图2.10所示；与销轴只在一个方向拔模的配置相比，在中间相遇的拔模对尺寸的要求更低。反向牵伸也被用于一些新颖的应用中，将部件从模具固定半边的模具特征中拉出，否则就无法在成型机的移动半边形成。

图2.10 两个拔模内径与一个未拔模内径的比较。

2.6.4 螺纹

使用MIM生成螺纹是可能的。如图2.11所示，外螺纹的生产通常采用一条贯穿整个螺纹的分模线，而且很经济。这条分模线可以包括每一条螺纹，也可以沿其长度方向有一个0.005-0.010英寸的平面，从而在分模线旁边的两个侧面产生不完整的螺纹。如果分模线被设计为产生完整的螺纹，那么随着工具的磨损，分模线的闪光会干扰螺纹的功能。如图2.12所示，当使用平面提供良好的工具关闭条件时，可以防止飞边或残留物干扰螺纹；但是，这可能会导致某些应用的螺纹接合强度不足。另外，在成型后的成型过程中，在顶出阶段之前或期间，使用气动或液压驱动装置将螺纹工具件旋进旋出，以形成外螺纹。内螺纹是完全通过使用模仿螺纹的超大核心来生产的。在这种类型的模具中，气动或液压驱动装置被用来在成型后、顶出阶段之前或期间，作为成型过程的一部分，将螺纹型芯旋转进去和取出。这种模具方法很昂贵，因此只限于大批量应用。

图2.11 由金属注射成型产生的外螺纹。

图2.12 螺纹配置为平头，以防止闪光干扰螺纹操作。

使用MIM工艺时，螺纹质量是一个值得关注的问题。模制的螺纹比机械加工的螺纹要差。MIM容易出现各向异性的收缩，这可能导致整个部件的收缩率相差几十分之一，这在严格的螺纹公差上表现为干扰。对于MIM来说，粗螺纹比细螺纹更实用。由于MIM螺纹的潜在差异性，应尽量减少螺纹啮合长度，以减少螺纹与匹配部件的干涉。当使用外螺纹时，应使用e、f和g公差等级。如果设计了内螺纹，应在设计中规定G级公差。一般来说，内螺纹螺距直径应偏大，外螺纹螺距直径应偏小，以保持功能，同时允许轻微各向异性收缩和变形。

2.6.5 肋材与腹板

肋材和腹板被用来加固薄的部分，也可作为厚部分的替代。肋材通过增加惯性矩来提高弯曲刚度（弯曲刚度=E（杨氏模量）×I（惯性矩）。因此，肋材有助于加强MIM部件的加工和应用。加工过程中的加强有助于提高尺寸稳定性并防止翘曲。肋材还有助于加强薄片上的流动。但是，如果肋材太厚，可能会在肋材与部件主体配合的对面平面上造成凹陷，如图2.13所示。如果使用了错误的肋材厚度，还可能导致翘曲。理想情况下，肋材的厚度应该是其所在截面尺寸的40%-60%，高度不应超过肋材厚度的三倍。另外，这些肋材在其底部应该有一个良好的半径，以防止开裂。图2.14说明了最佳的肋材设计做法。如果两根肋材相交，局部厚度将大于单独的肋材，因此可以在这个交汇处使用取芯。用于加固的夹层也应遵循这些相同的设计规则。

图2.13 比较MIM部件的肋材设计厚度的好坏做法。请注意，过大的肋材会导致形成凹陷。

图2.14 MIM模具中肋材的设计规则。

2.6.6 弧度

弧度或圆角是 MIM 工艺的一个固有优势。它们对 MIM 的可加工性也很重要，原因有三：消除应力、成型时的部件填充以及简化模具设计。最重要的是，成型的 MIM 材料通常很脆，对 "缺口敏感"，因此，半径或圆角可消除应力集中器，防止在顶出及后续处理和热处理过程中出现裂纹。从图2.15可以看出，应力集中系数（K）逐渐增加，直到半径与厚度（R/T）之比达到0.4。因此，实际应力是K乘以计算应力。理想情况下，R/T比率应该保持在0.5或以下，如图2.16所示。作为一般规则，应规定内角的半径大于0.005英寸；然而，在一些特殊应用中可以规定更小的半径。在成型过程中，半径还能使材料在模具中更好地流动，减少不能完全填满尖角的可能性。在模具制造中，半径在大多数情况下比尖角更容易生产。如果使用多块钢，例如在层压模具中，可以获得一个尖角。通过在设计上不设置半径而有利于模具成本的一种情况是，当一个零件的几何形状只能在模具的一半中形成，而另一个模具的一半没有模具特征，基本上是平的；这样，在分模线上形成一个尖角，模具就简化了，成本就降低了。

图2.15 应力集中系数（K）是半径与厚度比（R/T）的函数。

图2.16 MIM加工半径的设计考虑。

2.6.7 凸台

凸台通常易于在MIM组件中使用，可以提供焊接、对准/索引、烧结支撑以及与其他组件接合的点。凸台的壁厚设计应与腹板相似，其中凸台厚度与局部壁厚之间的比值优选为0.4-0.6，以防止部件局部壁形成凹陷和变形。由于MIM方法要求取厚截面的芯，因此螺栓的结构支撑损失要求局部区域具有圆形凸台，以适应螺栓连接的附加载荷。

2.6.8 下切

在部件上可以进行外部下切，如果暗切在拉动方向或与刀具分切线成90度，则不会过度增加刀具的成本。如果沿分模线方向，也可以通过使用工具滑块将其添加到部件上。通过使用可折叠的芯子或使用可浸出的聚合物芯子，可以进行内部暗切。对可折叠芯子的设计限制是要有一个相当大的芯子，可以有一个小的可折叠芯子特征。内部空腔也可以通过使用牺牲性聚合物来制造，在随后的MIM操作中可以通过化学或热方式去除。聚合物芯材的选择必须使其能承受后续MIM包覆成型的温度，并能方便地通过热力或用不影响MIM材料骨干聚合物的溶剂去除。

2.6.9 装饰性功能

装饰性或功能性特征可以很容易地放在感兴趣的部件上。这些特征可能是滚花、纹理、刻字、标志、零件编号、空腔标识等。刻字特征的最低成本模具是在最终部件上凸起的字样。这些特征是通过简单地雕刻在工具腔或工具部件上产生的。如果需要凹陷的字母或特征，则必须使用电极或硬车来去除材料，以留下空腔特征所在的钢。一个有趣的选择是使用凸起的特征来提供部件上的颜色对比。例如，一个部件可以有一个黑色的氧化处理，并接受随后的研磨凸起特征，以提供一个黑底银色的处理。图2.17显示了一个MIM制造的字样的例子。

图2.17 通过MIM加工生产的字母。