基于熱流道及二次脫模技術(shù)的金屬粉末注射模設(shè)計(jì)

張維合，蔡婷婷，袁 媛，黃 坤

(廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 東莞 523083)

0 前言

金屬粉末精密注射成型是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成型工藝相結(jié)合而形成的第五代金屬成型技術(shù)。它是將金屬粉末和塑料黏結(jié)劑混合后在模具中快速注射成型，再經(jīng)脫脂燒結(jié)，制成高精度、高密度、復(fù)雜的機(jī)械零件[1]。金屬粉末注射模具目前在醫(yī)療器械、信息家電產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，和普通的注射模具相比，其在成型零件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方面有一些特殊之處。

本文詳細(xì)介紹了某醫(yī)療設(shè)備中不銹鋼零件的金屬粉末精密注射模具，該模具采用熱流道及二次脫模技術(shù)，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技巧可供同行參考。

1 零件結(jié)構(gòu)及成型工藝分析

圖1為某醫(yī)療設(shè)備上的一個(gè)零件，材料為不銹鋼1Cr18Ni9，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用常規(guī)的機(jī)械加工方法獲得，故采用目前最先進(jìn)的金屬粉末精密注射成型技術(shù)。即將不銹鋼粉末和高分子樹脂聚酰胺(PA)按8.5∶1.5的體積比混合制成均勻的注射顆粒，采用注射成型技術(shù)，在注塑機(jī)上通過模具得到成型坯件，坯件經(jīng)脫脂處理及燒結(jié)致密化后，一次性得到如圖1所示的結(jié)構(gòu)和尺寸的零件。

由于采用金屬粉末注射成型，零件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面必須有合理的脫模斜度，加強(qiáng)筋厚度應(yīng)不超過相應(yīng)壁厚的0.7倍，盡量采用圓角過渡，圓角半徑一般取R≥0.5 mm[2]。

零件為筒狀結(jié)構(gòu)，對動模型芯包緊力較大，且外形有2處倒扣，成型坯件脫模較困難。

(a)主視圖 (b)E—E剖視圖 (c)F—F剖視圖圖1 零件圖Fig.1 Part drawing

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具為單型腔，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸，采用熱流道澆注系統(tǒng)，既可以改善喂料的流動性，又可以消除流道凝料，避免不銹鋼和樹脂的浪費(fèi)，以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在脫模方面，零件有多個(gè)側(cè)向孔，模具需要采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。為解決筒狀成型坯件對模具包緊力大的問題，模具采用二次脫模機(jī)構(gòu)。模具最大尺寸為600 mm×500 mmm×686 mm。詳細(xì)結(jié)構(gòu)件如圖2和圖3所示。

2.1 成型零件設(shè)計(jì)

聚酰胺采用美國杜邦高強(qiáng)度PA66 70G13L，由于坯件尚需脫脂燒結(jié)，收縮率取13 %。成型零件很復(fù)雜，為方便制造、排氣和維修，動、定模成型零件均采用鑲拼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)均設(shè)計(jì)了多個(gè)型芯，包括定模鑲件3、推板鑲件15、定模型芯4、動模型芯17和動模小鑲件18。

對于金屬粉末注射模具，成型零件鋼材在脆性和熱膨脹性方面必須滿足所成型的喂料的要求，與熔料接觸的所有部位都必須拋光至輪廓算術(shù)平均值Ra=0.8 μm。成型零件材料均采用高性能模具鋼S136H，調(diào)質(zhì)至硬度為35 HRC[3]。

2.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

成型坯件兩側(cè)有多個(gè)側(cè)孔，模具采用2個(gè)大型滑塊進(jìn)行側(cè)向抽芯。由于滑塊體積大，抽芯力較大，抽芯距離較長，為75 mm，故采用液壓油缸作為滑塊的驅(qū)動部件,詳見圖2。油缸規(guī)格為HOB150-140 kg，缸徑為50 mm,最大抽芯距離為80 mm，大于最長抽芯距離，滿足要求。

側(cè)向滑塊采用鑲拼式，分別由側(cè)向抽芯8、右側(cè)滑塊11、左側(cè)滑塊39、側(cè)向型芯10和41組成。鎖緊零件分別為楔緊塊9和40、鎖緊塊12和38。定位零件分別為擋塊13和37。滑塊的抽芯和復(fù)位均由油缸完成。

1—隔熱板 2—定模固定板 3—定模鑲件 4—定模型芯 5—熱射嘴 6—定位圈 7—定模A板 8—側(cè)向抽芯 9—右楔緊塊 10—側(cè)向型芯 11—滑塊 12—鎖緊塊 13—右擋塊 14—右側(cè)油缸 15—推板鑲件 16—動模小鑲件 17—動模型芯 18—動模鑲件 19—推管 20—撐柱 21—方鐵 22—定位銷 23—動模固定板 24—推管型芯 25—注塑機(jī)頂棍連接管 26—定位銷 27—行程開關(guān) 28—隔熱板 29—推件底板 30—推件固定板 31—限位釘 32、33—動模型芯 34—推板 35—動模小鑲件 36—左側(cè)油缸 37—左擋塊 38—鎖緊塊 39—左滑塊 40—左楔緊塊 41—側(cè)向型芯 42—行程開關(guān) 43—行程桿(a)動模排位圖 (b)A—A剖視圖圖2 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Injection mold schematic

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，模具采用熱流道澆注系統(tǒng)。對于金屬粉末注射成型，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘嵘渥斓囊蠹皽囟葏?shù)要求都較高，目前國內(nèi)這方面研究不多[4]。但相比于普通模具，金屬粉末模具采用熱流道具有巨大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。首先，本模具成型坯件為筒狀，單型腔，從型腔的頂部中心進(jìn)料是最佳途徑。如果不采用熱流道，就要采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，模具需增加2個(gè)分型面，結(jié)構(gòu)將大為復(fù)雜；其次，金屬粉末價(jià)格昂貴，采用點(diǎn)澆口將有大量流道凝料，這些凝料必須采用專用設(shè)備回收，而采用熱流道則無流道凝料，可以大大節(jié)約成本；第三，注射周期中約85 %的時(shí)間是模具的冷卻時(shí)間，若采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，因?yàn)榱鞯赖暮穸冗h(yuǎn)大于成型產(chǎn)品的壁厚，流道的冷卻時(shí)間遠(yuǎn)大于坯件冷卻時(shí)間，所以采用熱流道可以大大縮短成型周期；第四，金屬粉末和塑料黏結(jié)劑的混合料對普通流道和澆口的摩擦和磨損要遠(yuǎn)大于單純的塑料，采用熱流道可以大大降低模具的磨損，從而大大提高模具的使用壽命。但金屬粉末注射模熱流道澆注系統(tǒng)對熱射嘴要求較高，本模具采用了歐洲Hasco開放式熱射嘴Z34205/50-100，試模時(shí)取得了圓滿成功，成型坯件尺寸精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.4 脫模機(jī)構(gòu)和定距分型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于筒狀零件對動模型芯的包緊力較大，加之喂料又是不銹鋼和樹脂PA的混料，韌性較差，受力易變形開裂，故模具采用二次頂出機(jī)構(gòu)[5]。該機(jī)構(gòu)是在動模側(cè)增加一個(gè)分型面Ⅱ，在推桿和推管推動成型坯件脫模之前，動模型芯17、32和33先后退脫離成型坯件。這樣就大大減小了推桿、推管和推板(分型面2打開)對成型坯件的頂出力，有效保證了坯件的品質(zhì)。為保證動模型芯完全脫離坯件后推件再推坯件，模具設(shè)計(jì)了定距分型機(jī)構(gòu)，見圖3。該機(jī)構(gòu)主要由彈簧49、活動塊50、推塊51和推件擋塊52組成。

44—定模導(dǎo)套 45—導(dǎo)柱 46—定模型芯 47—動模型芯 48—推板導(dǎo)套 49—彈簧 50—活動塊 51—推塊 52—推件擋塊 53—推件板導(dǎo)柱 54—推件板導(dǎo)套 55—復(fù)位桿 56—復(fù)位塊 57—錐面定位塊 58—定模型芯(a)定距分型機(jī)構(gòu) (b)M向視圖圖3 模具定距分型機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)Fig.3 Fixed distance parting mechanism and guiding positioning system

2.5 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具有2個(gè)分型面，推板、推件固定板、推件底板都是活動板，除此之外還有兩側(cè)活動的大滑塊，為保證模具的精度和壽命，所有活動零件都必須沿著既定的軌跡運(yùn)行[6]。為此在動、定模之間設(shè)計(jì)了4根長導(dǎo)柱45和與之相配合的8支導(dǎo)套44和48，在推件板上也設(shè)計(jì)了4支短導(dǎo)柱53和與之配合的4支導(dǎo)套54。

在定位方面，動定模分型面之間設(shè)計(jì)了4副錐面定位塊57，在相互固定不動的模板之間都設(shè)計(jì)了定位銷。

2.6 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(a)定模 (b)動模 (c)滑塊圖4 模具冷卻水路示意圖Fig.4 Temperature control system

對于金屬粉末注射模具，應(yīng)設(shè)計(jì)良好的溫度控制系統(tǒng), 盡量保證各型腔均勻填充和冷卻,模腔內(nèi)的溫差不宜超過± 1. 5 (°)[7]。如圖4所示模具的動模和定模各設(shè)計(jì)了2股獨(dú)立的冷卻水路，冷卻水路由“直通式水管和隔片式水井”組成。兩側(cè)滑塊也都各設(shè)計(jì)了1股獨(dú)立的冷卻水路。

3 模具工作原理

喂料經(jīng)熱射嘴5進(jìn)入型腔，經(jīng)保壓、冷卻及固化后，模具在注塑機(jī)作用下打開。由于成型坯件對動模的包緊力大于對定模的黏附力，模具先從分型面Ⅰ處打開，坯件脫離定模。分型面Ⅰ的開模距離為400 mm，由注塑機(jī)控制。分型面Ⅰ完成開模行程后，油缸啟動，帶動兩側(cè)滑塊抽芯，抽芯距離為75 mm，由擋塊13和37控制。完成抽芯距離后，觸桿43推動行程開關(guān)42，行程開關(guān)發(fā)出指令，注塑機(jī)頂棍啟動，推動推件固定板29、30，在頂塊51的作用下，推板34和所有推桿和推管19同時(shí)運(yùn)動，將坯件推離動模型芯17。同時(shí)運(yùn)動48 mm后，活動塊49被推塊50推入推板34，脫離頂塊51，分型面Ⅱ打開，在限位釘31作用下，分型面Ⅱ打開距離為50 mm，之后推塊停止運(yùn)動，而推桿和推管在注塑機(jī)頂棍推動下繼續(xù)運(yùn)動，將坯件推離推管型芯和動模型芯16、35。合模之前，油缸先推動兩側(cè)滑塊復(fù)位，注塑機(jī)油缸拉動推件板20復(fù)位，當(dāng)推件板20完成復(fù)位后觸動行程開關(guān)27，注塑機(jī)再推動動模合模，模具繼續(xù)下一次注射成型。

4 結(jié)論

(1)模具采用熱流道澆注系統(tǒng)，對于金屬粉末注射模具是一次成功的嘗試，該研究成果有一定的指導(dǎo)和借鑒意義；

(2)模具采用二次脫模結(jié)構(gòu)，成功解決了筒狀零件脫模力大、金屬粉末坯件強(qiáng)度不高、易變形的問題；二次脫模機(jī)構(gòu)新穎實(shí)用，大大提高了模具運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性；

(3)該模具注射成型時(shí)，喂料溫度為180 ℃,注塑機(jī)機(jī)筒4段加熱區(qū)間分別為180、175、170 和165 ℃，注射壓力為70 MPa；模具采用 “直通式冷卻水管+隔片式冷卻水井”組合結(jié)構(gòu)，冷卻充分且均衡，成功將模具溫度控制在50～55 ℃，坯件尺寸精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；經(jīng)燒結(jié)后線性尺寸公差達(dá)到了基本尺寸的±0.4 %范圍之內(nèi)，角度的公差達(dá)到了± 0.5 °，表面粗糙度達(dá)到0.8；模具試模一次成功，投產(chǎn)后運(yùn)行平穩(wěn)安全，坯件品質(zhì)和注射周期均達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

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