基于熱流道技術(shù)的節(jié)能環(huán)金屬粉末注塑模設(shè)計(jì)

張維合，蔡婷婷，袁 媛，黃 坤

(廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083)

0 前言

醫(yī)療器械中的零件精度高、強(qiáng)度高、造型復(fù)雜，所使用的材料及制造工藝向來(lái)都是要求極為嚴(yán)格的。金屬粉末精密注射成型技術(shù)稱(chēng)為第五代金屬成型技術(shù)(前四代技術(shù)分別為鑄造技術(shù)、鍛造技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)和沖壓技術(shù))，又稱(chēng)Metal Injection Molding(MIM)技術(shù)，它可以用制造塑料零件的方法來(lái)生產(chǎn)不銹鋼等金屬零件，因其可以一次性生產(chǎn)形狀復(fù)雜的金屬零件，且周期短，精度高，材料利用率高，故在歐美日等國(guó)家的醫(yī)療器械上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。本文詳細(xì)介紹了一副某款醫(yī)用X射線攝影設(shè)備中不銹鋼節(jié)能環(huán)的金屬粉末注塑模具結(jié)構(gòu)，模具采用熱流道和側(cè)向抽芯技術(shù)，有一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，其成功經(jīng)驗(yàn)值得同行借鑒。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

節(jié)能環(huán)材料為不銹鋼，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，最大外形尺寸為107 mm×55 mm×25 mm，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)批量較大，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很困難，經(jīng)研究和分析，決定采用金屬粉末精密注射成型，成型后的坯件再經(jīng)過(guò)脫脂燒結(jié)最后得到圖示所示尺寸的零件。注射成型黏合劑為ABS樹(shù)脂，體積占比15 %。

根據(jù)注射成型原理，模具的分型面空間形狀較為復(fù)雜，必須有良好的定位機(jī)構(gòu)。其次，坯件有4處與脫模方向不一致的側(cè)向倒扣，必須采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。第三，坯件加強(qiáng)筋(其實(shí)主要起散熱作用)數(shù)量多，高度尺寸較大，熔料填充和坯件脫模都比較困難[2]。

(a)主視圖 (b)E-E剖視圖 (c)F-F剖視圖圖1 節(jié)能環(huán)零件圖Fig.1 Energy saving ring drawing

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坯件屬于細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，但二側(cè)有側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，模具只能采用1模1腔，模架采用標(biāo)準(zhǔn)二板模模架CT-2330-A70-B80，最大外形尺寸為長(zhǎng)300 mm，寬230 mm，高250 mm。為改善熔料填充，澆注系統(tǒng)采用單點(diǎn)開(kāi)放式熱流道[3]，側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)分別采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”和斜頂結(jié)構(gòu)。根據(jù)金屬粉末和ABS樹(shù)脂的配比，收縮率取13 %。模具詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.1 成型零件設(shè)計(jì)

成型坯件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加強(qiáng)筋多且高，為改善排氣，方便脫模，模具成型零件采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，動(dòng)模成型零件由動(dòng)模鑲件10、側(cè)抽芯7、23、29，斜頂36以及和動(dòng)模型芯34組成，定模成型零件由定模鑲件4、定模型芯27和加強(qiáng)筋鑲件28組成。由于“金屬粉末/ABS樹(shù)脂”熔料對(duì)模具型腔磨損較大，鑲件材料全部采用優(yōu)質(zhì)耐磨模具鋼S136H，而且對(duì)型腔表面進(jìn)行滲氮處理，以提高其耐磨度。又由于“金屬粉末/ABS樹(shù)脂”熔料流動(dòng)性較差，所有成型零件的成型面都必須拋光至粗糙度Ra0.4 μm，以減小流動(dòng)阻力[4]。

2.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

零件有四處與開(kāi)模方向不一致的倒扣結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行側(cè)向抽芯。模具側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是模具的主要結(jié)構(gòu)。其中外側(cè)3個(gè)倒扣S1、S2和S3均采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”組合側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，定位零件均采用DME定位夾[4]?；瑝K和側(cè)抽芯采用鑲拼結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺釘聯(lián)結(jié)，方便維修和保養(yǎng)。倒扣S4則采用“斜頂+導(dǎo)向底座”組合結(jié)構(gòu)，斜頂在抽芯過(guò)程中在導(dǎo)向底座的T形槽內(nèi)橫向滑動(dòng)。斜頂傾斜角度為6 °[5]，見(jiàn)圖2。S1、S2和S3在開(kāi)模過(guò)程中完成抽芯，S4則在坯件脫模過(guò)程中完成抽芯。

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不銹鋼粉末價(jià)格昂貴，其粉末和ABS樹(shù)脂熔料導(dǎo)熱性好，凝固快，流動(dòng)性較差，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。模具為單型腔，型腔在模具中間，熔料只能從型腔中間進(jìn)入。模具澆注系統(tǒng)要么采用三板模架點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)，要么采用二板模架熱流道澆注系統(tǒng)。采用熱流道澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，其一是模架簡(jiǎn)單，不需要采用定距分型機(jī)構(gòu)；其二是完全消除了流道凝料，減少了金屬粉末廢料，大大節(jié)省了成本；其三是無(wú)流道，熔料直接進(jìn)入型腔，可以大大縮短熔料的填充時(shí)間和冷卻時(shí)間，從而大大提高了模具的勞動(dòng)生產(chǎn)率；其四是減少了熔料對(duì)模具的磨損，大大提高了模具的使用壽命和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[6]。但因“金屬粉末+ABS樹(shù)脂”熔料對(duì)熱射嘴的磨損較嚴(yán)重，采用熱流道有一定的風(fēng)險(xiǎn)，而國(guó)內(nèi)這方面研究成果又不多,實(shí)際應(yīng)用更少。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們采用單點(diǎn)式熱流道，開(kāi)放式熱射嘴(見(jiàn)圖2(b)，熱射嘴采用歐洲HASCO標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)側(cè)為超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，外側(cè)為淬火工具鋼[7]。

2.4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證成型坯件精度，金屬粉末注塑模具模腔內(nèi)的溫差不能超過(guò)±1. 5 °, 另外，金屬粉末和ABS樹(shù)脂混合熔料的導(dǎo)熱性比單純的ABS樹(shù)脂好很多，熔料熱量多且傳給模具的速度快，所以模具必須設(shè)計(jì)平衡且高效的冷卻系統(tǒng)，將成型周期控制在合理范圍內(nèi)。由于成型坯件在脫模之前始終包住動(dòng)模型芯及側(cè)向抽芯，故熔料主要熱量都傳給了動(dòng)模，模具的溫度控制系統(tǒng)也主要布置在動(dòng)模一側(cè)[8]。模具冷卻水路平面布置圖見(jiàn)圖3，剖視圖見(jiàn)圖2(b)和(c)。模具共設(shè)計(jì)了7組冷卻水路，其中動(dòng)模側(cè)共5股，包括動(dòng)模B板11、動(dòng)模鑲件10和3個(gè)側(cè)抽芯7、23和29各一股；定模側(cè)2股，包括定模A板3和定模鑲件4內(nèi)各一股。定模鑲件4和動(dòng)模鑲件10內(nèi)的水路由“直通式水管+隔片式水井”組成。定模A板3內(nèi)冷卻水路主要布置在熱射嘴附近，這個(gè)地方溫度較高。動(dòng)、定模冷卻水的出入口主要布置在非操作側(cè)，這樣不會(huì)影響成型坯件取出。模具內(nèi)所有直通式水管直徑取6 mm，水井直徑取10 mm[9]。實(shí)踐證明，模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，有效保證了坯件的尺寸精度和模具的勞動(dòng)生產(chǎn)率，成型周期成功控制在22 s之內(nèi)。

3 模具工作過(guò)程

(1)模具在注塑機(jī)上安裝后拆除鎖?？?2；(2)將不銹鋼粉末和ABS樹(shù)脂按8.5∶1.5體積比均勻混合，通過(guò)注塑機(jī)料筒加熱至200 °，經(jīng)開(kāi)放式熱射嘴26注入模具型腔；(3)冷卻固化后，模具從分型面I處打開(kāi)；(4)在開(kāi)模過(guò)程中，左右斜導(dǎo)柱5和下方斜導(dǎo)柱31分別撥動(dòng)左右滑塊6和下方滑塊30進(jìn)行側(cè)向抽芯；開(kāi)模距離350 mm，由注塑機(jī)控制；(5)完成開(kāi)模行程后，注塑機(jī)頂棍通過(guò)連接件17推動(dòng)推件固定板14和推件底板15，進(jìn)而推動(dòng)推桿12和斜頂36,一邊進(jìn)行內(nèi)側(cè)抽芯，一邊將成型坯件推離動(dòng)模；(6)坯件取出后，注塑機(jī)拉動(dòng)推件固定板及推桿、斜頂復(fù)位，接著推動(dòng)動(dòng)模合模，在合模過(guò)程中，楔緊塊8和32推動(dòng)滑塊復(fù)位，模具接著下一次注射成型。

4 結(jié)論

(1)模具采用熱流道澆注系統(tǒng)，成功解決了型腔復(fù)雜，熔料填充困難的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省了貴重的不銹鋼材料，降低了注射周期，提高了模具使用壽命，最終大大提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；

(2)模具采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”及斜頂側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，成功解決了坯件外形倒扣多，脫模困難的問(wèn)題；

(3)模具采用“直通式冷卻水管+隔片式水井”組合式溫度控制系統(tǒng)，成功解決了不銹鋼金屬粉末和ABS樹(shù)脂混料導(dǎo)熱快，模溫不均衡的問(wèn)題，成型坯件無(wú)變形，成型周期22 s，約為同類(lèi)型坯件成型周期的85 %；

(4)模具投產(chǎn)后，運(yùn)行平穩(wěn)安全，成型坯件經(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Ra0.8 μm,全部達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明模具結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑配比以及選取13 %的收縮率完全正確。