金属粉末注射成型的模具设计

目录

• 5.1 介绍

• 5.2 注塑机的总体设计和功能

• 5.3 工具集的元素

• 5.4 工具设计选项

• 5.4.1 模具材料

• 5.4.2 超大尺寸设计

• 5.4.3 浇口选项和流通道

• 5.4.4 咬边设计

• 5.5 特殊功能和仪器设备

5.1 介绍

本章介绍金属注射成型（MIM）零件的模具。其目的是为MIM工艺工程师提供对MIM工具设计选项的基本理解。这将使他能够与工具设计师进行更深层次的沟通。有关MIM模具的更多详细信息，他应该参考大量专门用于塑料注射成型模具的专家文献，这些文献在大多数情况下也适用于MIM。首先，工艺工程师应熟悉注塑机的基本设计和主要功能。第5.2节介绍了这些功能。下一步是了解第5.3节中概述的工具组元素。根据这些知识，第5.4节中描述了各种通用模具设计选项。包括模具材料、超大尺寸设计、浇口选项和通风。咬边设计涉及使用挺杆、螺纹和可折叠型芯，也是本节的一部分。热流道模具和仪表等特殊功能包含在第5.5节中，最后第5.6节给出了一些可用支持软件和经济方面的信息。

5.2 注塑机的总体设计和功能

与注射成型技术在现代制造业中的重要地位相对应，世界范围内的注射成型机的选择是巨大的。尽管不同供应商的注塑机设计有很大差异，但它们都有一些共同的通用设计特征，这些特征是执行和控制注塑过程所必需的。基本部件是注射装置和合模装置，见图5.1。工具与合模装置相连。

图 5.1 注塑机的总体设计

注射单元和合模单元通常水平布置，如示意图所示。这通常是以全自动方式生产MIM零件的最方便的方式。许多机器允许注射单元和合模单元旋转到垂直位置。然后可以将插入件装入模具中，零件在弹出后不会自由下落。这对于From ASM可能是有利的。 ASM手册，第7卷，粉末金属技术和应用。美国俄亥俄州材料公园：ASM国际，第358页。经ASM国际许可转载。保留所有权利。

整个机器安装在一个刚性框架上。液压供应装置提供关闭合模装置所需的动力，并使合模装置抵抗模具中原料的压力而保持关闭。事实上，最大合模力是决定注塑机功率和尺寸的主要特征。机器的其他驱动装置通常是电动的。市场上也有全电动的机器。

压力和温度控制仪表用于监控过程，计算机控制机器的操作。模具下的收集箱可用于收集从模具中掉落的产品，也可安装篮子或传送带或拾取和放置处理系统。

注射单元基本上是一个带螺杆或柱塞的加热筒，该螺杆或柱塞在指向合模单元的端部将熔融原料输送到注射喷嘴。螺杆或柱塞的后端由电机驱动。

原料颗粒通过料斗送入加热桶。在桶内，原料被加热、压缩、均质化，最后注入模腔。筒体通常沿其轴线配备一个螺杆，当旋转时，螺杆对进料施加向前运动。前端的计量阀将下一次注射的精确量的原料与桶内的储液罐分离。熔融原料通过筒体热端的喷嘴注入模具。

机器的控制计算机允许在多个独立区域内调节桶温度。第一加热区用于快速熔化原料，因为熔融原料的耐磨性远低于固体颗粒。在以下区域，温度逐渐升高并在桶内均匀化。

熔化原料需要提高料筒温度，螺杆的作用对原料施加压力和扭矩，使其达到最佳粘度。如果温度过低，在模腔完全填充之前，原料可能会冻结。过高的温度会导致非常低的粘度，这会导致问题，例如熔融原料从喷嘴开口滴落，粘结剂通过模具部件之间的间隙挤出而导致形成的飞边增加，冷却时间延长等等，只是为了有足够的热量来牢固地填充模具腔。还应考虑到，由于螺杆和进料之间的摩擦力在料筒中产生了一些热量，因此所需的热量并非全部必须从外部引入。

图 5.2 进料螺杆（Arburg）的剖面和横截面示意图。

螺杆通常设计为在向前输送时减少进料体积。螺杆轮廓示意图如图5.2所示。原料进入进料区，在那里加热并塑化。旋转螺杆将原料输送至压缩区，在该压缩区。第三部分是计量区，在这里实现进一步的均匀化。原料通过旋转螺杆进行剪切、均质和压缩。螺杆的旋转决定了料筒内的压力，螺杆的前后移动可在每次成型循环中将明确数量的原料注入模具。螺杆前端的止回阀可防止熔融原料被压回到桶中。

5.3 工具集的元素

在其最简单的形式中，粉末注射成型工具组如图5.3所示。它由一组钢板组成，两端都有夹板。前夹板牢固地安装在面向注射单元的一侧；它有时被称为固定板。该中心孔由定位环围绕，当原料通过浇口衬套注入模具时，注射单元的喷嘴居中。前夹板后面的两个模腔板包含一个或多个模腔，这些模腔被加工到它们之间的空间中。前空腔板与前夹板一起固定，后空腔板连接到后夹板。模具的静止侧称为A侧，移动侧称为B侧。

图 5.3 用于金属注射成型的工具组的基本元素。

来自ASM。(2008). ASM手册，第7卷，粉末金属技术和应用。美国俄亥俄州材料公园：ASM国际，第357页。经ASM国际许可转载。保留所有权利。

模具型腔的温度由热水或油控制，热水或油通过型腔板内的冷却通道循环。冷却通道的正确设计和最佳模具温度在很大程度上取决于原料的类型，需要一些经验。不可能给出任何一般指导方针。模具温度必须足够低以快速冷冻原料，并且足够高以允许在原料开始冻结之前完全填充所有模具腔。巴斯夫Catamold通常使用油加热，因为其高温要求，而蜡/聚合物和水溶性系统通常能很好地控制水温。

模腔板在成型过程中关闭，然后在成型零件固化后彼此分离，以便零件可以被弹出。模具型腔的设计应确保后型腔板的粘合力高于前型腔板。这样，当板分离时，模制件将粘在后板上，并可由顶出销顶出；否则，零件不会从模具上脱落。一些工具在A侧有弹簧加载的顶出销，以确保模具打开时零件仍在B侧。

前空腔板与前夹板牢固连接时，后空腔板由支撑板固定到位。它通过间隔块连接到后夹板。模具关闭时，两个型腔板的准确位置由工具组拐角处的四个导销保证。隔板上的孔为移动元件（如顶出销和回位销）留出了空间。它们的端部连接到推料板上，推料板在隔板内移动，并由推料板固定板固定到位。根据模制部件的尺寸和数量，可能需要几个顶出销。当零件弹出时，中心顶出销用于将直浇道从直浇道衬套中拉出。

模具设计师在分析模具和零件之间的粘合力的基础上，决定顶出销的数量及其位置。这包括考虑冷却过程中的收缩。由于这种收缩，零件通常很容易从其外部轮廓上脱落，但可能会粘在内部轮廓上。具有较大附着力的区域可以是平坦表面或复杂几何形状。

脱模可由拔模角支撑。这些是与模具打开方向平行的表面上的角度。1度的角度通常就足够了。

介绍了构成每个注塑工具组一部分的基本要素。这些组件中的大多数都是标准化的，可以从专业供应商处以中等成本购买。MIM零件制造商依靠这些供应商来节省成本并保持模具的高质量标准。只有模腔板必须定制制造。

对于更复杂的零件几何形状，模具型腔可能包括型芯、可伸缩滑块、螺纹等。有时会在两个型腔板之间引入额外的板，以提供更大的灵活性来定位浇口。这就是所谓的三板模具；例如，零件中心的浇口位置需要三板模具。

5.4 工具设计选项

虽然MIM原料的注射成型通常与热塑性塑料的注射成型非常相似，但在谈论模具设计时，应记住一些区别。MIM原料易碎，经常粘在分型线上。因此，MIM工具需要比塑料注射成型工具更紧，以防止闪光。

5.4.1 模具材料

MIM粉末是不可压缩的，因此与常规热塑性材料相比。进料可通过重复的模具打开和关闭进一步损坏分型线上的模具。因此，模具型腔和成型机筒中的侵蚀风险增加。预防措施是在机筒内部和螺杆表面涂上耐磨涂层，并在与原料直接接触的所有工具零件上使用高耐磨材料，如工具钢和硬质合金。

5.4.2 超大尺寸设计

在注射成型后的加工步骤中，即在移除粘合剂期间，特别是在烧结期间，MIM部件的显著收缩必须在模具尺寸中进行预测。收缩率根据经验确定为长26-30mm、宽4-6mm的矩形棒的线性收缩率，并给出了模腔尺寸。当测量了模腔L0的长度和烧结棒L的长度时，收缩δ可计算为

δ值通常乘以100，得出收缩率百分比。虽然收缩是材料的一个特征，但工具设计者更喜欢使用工具型腔膨胀系数Z，它是模具尺寸L0与最终零件尺寸L的比值。

由于这两个参数在数学上非常相似，因此应注意不要混淆它们。应注意的是，收缩率δ与模具型腔L0的尺寸有关，型腔膨胀系数Z与最终零件尺寸L有关。由于零件尺寸总是较小，型腔扩张系数表明收缩率比实际值大。例如，型腔扩展系数Z¼1.18对应于收缩率δ¼15.25%。

刀具型腔膨胀系数Z可根据以下公式从收缩率计算得出：

通过使用膨胀系数，模具设计者将根据L0¼Z * L膨胀所有线性尺寸和半径，角度一般不改变。外部尺寸最初被设置为公差带的下端，内部尺寸被设置为上限。

图 5.4 护耳式浇口 (左), 次阀 (中)和三板工具 (右) 

然后，可以在第一个样品烧结后校正模具型腔，并允许一些工具磨损。这也称为“钢安全”状态。当需要紧密的零件公差时，通常需要对模具尺寸进行微调。

5.4.3 浇口选项和流通道

浇口是一个直径约为6mm的锥形通道，其锥度为5度。进料速度因生长直径而降低。在浇口的末端有一个小凹口，其中沉积了已经冷却的原料流的前部。跑步者从这里分叉到两侧。如果总流道横截面与最大浇口横截面相似，则可实现连续流动。流道设计和模具型腔的位置应确保原料施加在模具上的力相对于模具的中心轴线对称，以尽量减少飞边的形成。

原料进入模腔的点称为浇口。这是整个工具系统中横截面最小、流速和压力最高的点。可以在每个模腔上设计一个或多个浇口。

浇口位置是控制模腔内熔融原料流动的最重要措施。由于流道通常位于模具分型平面内，因此最简单的选择是将浇口也放置在分型平面中。这是拉板闸门，见图5.4。材料流应朝向相对的壁，以便原料连续填充空腔而不喷射。它还应设计在零件的最厚部分，以便原料流的横截面始终保持恒定或减小。如果横截面增加，模具中的压力和流动速度将急剧下降，因此很难完全无缺陷地填充型腔。

喷射现象发生在液体在高压下高速离开安全壳进入自由空间；例如，在日常生活中，它被称为花园软管效应。液体被分散成细小的液滴。如果这种情况发生在模具中，模制零件很可能会含有气泡，导致烧结后的内部缺陷、焊缝和表面缺陷。必须尽一切努力避免这种情况。

通过设计穿过型腔板的短通道，浇口可以从分型面位移几毫米。这是次门，也称为隧道门。子闸门通道不能超过几毫米，因为进料在如此小的横截面中冻结得非常快。如果需要在离分型面很远的地方安装浇口，则需要三个板工具。然后，流道和浇口通过第三板被引导到模具型腔。三板模具的另一个优点是，当零件被弹出时，浇口和流道会自动切断并与零件分离。

当在一个零件上设计多个浇口时，熔融原料从所有浇口同时进入模具型腔。这减少了填充模腔所需的时间，但也给零件质量带来了风险。当两股原料流合并时，冻结前沿区域可能不会完全焊接在一起。结果是在零件表面形成所谓的焊缝。只要原料完全焊接在一起，焊缝通常只是一种光学缺陷，但它们也可能表示内部缺陷。

如果存在原料在腔完全填充之前冻结的风险，即如果流动路径长和/或壁厚小，则特别建议使用多个闸门。浇口位置必须确保各种原料流完全结合，无焊缝，无空气滞留。

浇口和流道材料很容易在浇口处断裂，并与压坯分离。然而，零件在断裂表面会表现出一些不规则性。如有可能，浇口处的零件表面应设计得略低于相邻表面，以免妨碍零件的功能。如果这是不可能的，浇口区域必须在注射成型后机械压平。

模具分型线是两个型腔板分开的模制零件上留下的痕迹。模具设计师将尝试放置分型线，以使组件的功能不会受到负面影响。在某些情况下，出于功能或美观的原因，必须以机械方式去除分型线。

当原料被压入模具时，模具腔充满空气。因此，适当的通风非常重要；i、 例如，模具设计师必须预见空气离开模具的方式。空气通常可以通过顶出销和空腔板之间的间隙或在分型面和其他地方逸出，但如有必要，将0.005-0.01mm深的通风通道磨成分型面。

对于浇口和排气口的正确设计，有必要彻底了解模腔内的原料流。排气口最好位于最后填充的空腔末端。如果空气被困在模腔内，则无法完全填充进料。

间隙和通风孔不仅发挥了将空气排出模具的有用功能，还为原料挤出提供了机会。结果是在生坯上形成闪光，这是不希望的，并且需要额外的工作，例如随后的去毛刺。在可能的情况下，所有必要的二次操作通常在生零件上进行，而不是在烧结部件上进行，因为生零件更柔软，更容易加工。

5.4.4 咬边设计

MIM零件中的咬边要求模具元件在弹出过程中沿与开口运动横向的方向移动。这可以通过连接到前夹板的角销来实现。示例如图5.5所示。当模具打开时（此处为垂直方向），带有角销的块被迫侧向移动，带有咬边的零件被释放并可以弹出。

图 5.5 咬边可以通过横向移动元件（动态）来成形。

生产带有咬边的零件的另一种选择是将角提升器连接到顶出板上，并使其随着顶出运动向前移动，如图5.6所示。提升器的端部形成咬边并随着顶出移动侧向移动，从而释放零件。

图 5.6 用于成型咬边的角升降机（动态）。

刀具部件在微小角度下的横向运动原理可以以多种方式应用。图5.7显示了一个升降机的例子，该升降机由两个连接到顶料板的半部组成。当升降器在弹出过程中向上移动时，两个半部相互靠近并释放零件。

图 5.7 带有咬边（左）和模具设计（动态）的零件。

甚至更复杂的内部几何特征，包括咬边，也可以使用可折叠型芯。这些是相对复杂的工具元件，当其内部支撑元件被抽出时。图5.8所示的芯由一个内部支撑元件和六个外部元件组成。当模具打开时，内部支撑件被抽出，外部元件向内移动并释放零件。这些岩芯通常可能有12%的咬边，在某些情况下甚至可能有17%。

图 5.8 成型（顶部）和弹出位置（底部）的可折叠型芯

MIM零件中的内螺纹通过螺纹芯棒成形。在零件从模具中弹出之前，将其拧下。图5.9显示了多腔模具的示例。如图5.10所示，可使用齿轮箱同时拧下该套螺纹芯。

图 5.9 带有内螺纹（左）和螺纹型芯的零件，在具有四个型腔（动态）的模具中。

图 5.10 用于同步拧松的耳机（动态）

5.5 特殊功能和仪器设备

进入模具的原料流可以想象成从火山上流下的熔岩流。里面是液体，而与环境接触的表面是固体。当原料接触到浇口和流道的冷壁时，立即形成一层冷冻原料的薄皮。然后热的、熔化的原料在流道的核心部分流动。冻皮最终会变厚，熔融核心的横截面会缩小，对进一步供应原料的阻力会增加。当流道的横截面完全冻结时，就不可能进一步维持模具内的注射压力。

一种更先进的技术使用电加热的热流道喷嘴，使整个供料系统的原料温度长期保持在冰点以上。热流道喷嘴是预先制造的部件，与模具结合在一起。它们配备了一个电源和一个用于温度控制的热电偶。除了图5.11所示的单个喷嘴外，也有用于多腔模具的分流板。

图 5.11 热流道喷射喷嘴

热流道技术可以使注射压力传输到更远的距离。朝向模腔的浇口可以在模腔填满后用针密封。必须仔细分析热流道模具内的温度分布，以确保模具型腔的温度足以使产品迅速冻结，并且仍然保持流道的液体。

热流道模具在模具的注塑侧有一个特殊的设计，见图5.12，注塑是从顶部开始的。浇口被热流道喷嘴所取代，其尖端构成了模具型腔的一部分。

图 5.12 单一热流道模具的设计

在冷流道技术中，整个浇口，即包括流道和直浇道的模制零件，在凝固后从模具中排出，直浇道和流道材料被回收（即，将其粉碎并添加到新鲜原料中）。热流道模具的制造成本更高，但通过减少原料浪费可以节省成本，有时还可以缩短成型周期，因为模腔通常比流道冻结得更快。然而，对于非常高的产量来说，显著较高的成本是合理的。

MIM零件的质量在很大程度上取决于注射成型工艺的一致性。因此，最好是尽可能地减少模具中的温度和压力变化。在有多个模腔的情况下，最好采用对称布置，即原料进入每个模腔的路径是相同的。传感器可用于直接测量模腔内的温度和压力。通过将这些信息反馈给控制计算机，可以调整料筒温度和注射压力，以保持模具温度和压力在狭窄范围内恒定。

5.6 支持软件和经济方面

在模具制造领域，MIM行业可以依靠庞大的塑料注射成型行业及其供应商。模具设计者、模具制造者、标准化模具部件的供应商、传感器元件和仪器、模具设计软件、模拟甚至计算软件的资源是巨大的。

尽管注塑机的参数对零件质量有很大影响，但在注塑过程中，对MIM产品的质量最重要的因素肯定是模具的质量，对模具的设计和制造要给予最大的考虑。

由于经济原因，独立的模具设计师往往同时为塑料注射成型商和粉末注射成型商工作，但他们不参与后续的制造过程。因此，他们通常不能收到有关其模具性能的直接反馈，也不能立即对其模具的任何缺点作出反应。从长远来看，这可能是MIM的一个不利因素。现在甚至出现了从劳动力成本低的国家进口模具的趋势。位于荷兰鹿特丹的发展中国家进口促进中心（CBI）最近的一项调查指出，2007年欧洲对工具、模具的需求达116亿欧元，该年所有工具的8.5%是从发展中国家进口的。

基于计算机模拟的模具填充研究可以成为模具设计中的一个重要工具。这种软件必须特别适用于MIM原料，因为与热塑性粘合剂相比，金属粉末颗粒的密度很高，在注塑过程中会导致意想不到的效果。使用两相计算机模型预测直径为50毫米的轮子上的模具填充阶段的实验发现，绿色密实的密度并不均匀。图5.1（见第222和223页之间的颜色部分）显示了该零件在25%、50%、75%和100%的模具填充时的情况。不同的颜色代表原料中粉末的体积分数。较高的粉末体积分数意味着较高的绿色密实度。

这种影响被解释为以下几点。注射过程中原料的流速非常高，以至于流动方向的改变会对粉末颗粒产生相当大的作用力，因为它们的惯性力矩很大，这就导致了粉末/粘结剂的偏析，造成了生坯密度的变化。密度变化的后果是烧结过程中收缩不均匀，因此烧结件的尺寸精度较低。

在许多情况下，经济方面对模具设计也有很大影响。模具型腔的数量、使用油式热流道或冷流道模具以及其他变量不仅取决于技术考虑，而且还取决于经济和效率问题。使用计算机计算软件可以根据模腔的数量、仪器设备等计算出模具制造成本。用户可以快速评估许多参数的最经济组合，甚至确定所需的注射压力、锁模力和周期时间。先进的模具计算软件不仅能提供模具的成本，还能提供最重要的成型参数和注塑步骤的制造成本。