鎂合金半固態(tài)注射成型在筆記本電腦上應(yīng)用

陶永亮，任登安，趙 勇，婁夢(mèng)妮

（1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.重慶工信職業(yè)學(xué)院，重慶 400043；3.重慶市輕工業(yè)學(xué)校，重慶 400709；4.重慶勝云模具制造有限公司，重慶 402260）

1 引言

重慶筆記本電腦（簡(jiǎn)稱筆電）產(chǎn)業(yè)源于2008年，從2014起重慶筆電產(chǎn)量連續(xù)7年位居全球第一，2020年產(chǎn)量創(chuàng)新高，突破7,000萬臺(tái)。新冠疫情催生“宅經(jīng)濟(jì)”，全球筆電需求量增大，重慶筆電產(chǎn)量創(chuàng)新高，產(chǎn)值也是首次突破3,000億元[1]。2021年前8個(gè)月，重慶筆電出口5,185.9萬臺(tái)，占同期全國(guó)筆記本電腦出口重量的36.3%[2]。重慶已落戶了惠普、宏碁、華碩等品牌商，富士康、廣達(dá)、英業(yè)達(dá)、仁寶、緯創(chuàng)、和碩等主流筆電代工廠均在重慶有生產(chǎn)及研發(fā)基地。規(guī)模以上電子信息企業(yè)達(dá)到639家，基本上實(shí)現(xiàn)了本地化生產(chǎn)和配套[3]。筆電產(chǎn)業(yè)在重慶成為汽車之后新的支柱產(chǎn)業(yè)，并較好地產(chǎn)生集聚效應(yīng)，成為全球重要的筆電生產(chǎn)基地。同時(shí)為鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)給重慶筆電業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 鎂合金半固態(tài)注射成型基本概況

2.1 鎂合金介紹

鎂合金作為最輕的工程金屬材料，鎂合金的密度1.74～1.85g/cm3、比鋁合金輕36%、比鋅合金輕73%、僅為鋼的1/4左右，其比強(qiáng)度和比剛度較高，另具有優(yōu)良的阻尼性、電磁屏蔽性、減振性、切削加工性和拋光與表面處理性能。從鎂合金的性能特點(diǎn)來看，選材符合目前筆電的輕薄風(fēng)格。缺點(diǎn)：耐蝕性差，燃點(diǎn)低，材料強(qiáng)度偏低，另外鎂很活潑，表面易氧化，如要實(shí)現(xiàn)高光效果，非常之難，有一定的技術(shù)要求[4]。傳統(tǒng)的鎂合金成型主要熱室壓鑄，冷室壓鑄，半固態(tài)壓鑄等[5]。目前宏碁有一款筆電采用全新鎂合金材質(zhì)半固態(tài)射出成型工藝，加工零件A/D面為鎂鋰合金，C面為鎂鋁合金。

2.2 半固態(tài)射出成型原理

金屬半固態(tài)現(xiàn)象是麻省理工大學(xué)弗萊明斯教授1971年發(fā)現(xiàn)[6]。鎂合金半固態(tài)射出成型工藝研發(fā)僅30年，成熟裝備制造僅20年，長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，在安全環(huán)保要求下對(duì)鎂合金加工工藝應(yīng)用尤為重要。我國(guó)鎂合金半固態(tài)注射成型工藝起步比較晚，以鎂合金半固態(tài)注射成型為核心的加工生產(chǎn)路線，與傳統(tǒng)壓鑄路線有極大的區(qū)別?！叭缢芰献⑺馨愫?jiǎn)易快捷，如塑料注塑般安全環(huán)?！?，技術(shù)呈現(xiàn)“安、精、節(jié)、高、密、簡(jiǎn)、智”的特點(diǎn)[7]。鎂合金半固態(tài)射出成型設(shè)備原來是國(guó)外制造多，現(xiàn)在也有國(guó)內(nèi)廠家研制成功并推向市場(chǎng)。加工設(shè)備如圖1所示。

圖1 半固態(tài)射出成型設(shè)備（JSW）示意圖

其成型原理：鎂合金半固態(tài)注射成型設(shè)備與注塑成型機(jī)工作原理相近[8]。首先將鎂合金錠加工切制成細(xì)顆粒狀，鎂合金顆粒原料依靠負(fù)壓、重力作用下輸送到料筒中，在料筒熱熔并旋轉(zhuǎn)的螺桿使合金顆粒向模具方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其通過料筒的加熱部位時(shí)，合金顆粒呈現(xiàn)適合注射的熔融態(tài)或半固態(tài)，通過精確的溫度控制和螺桿的剪切作用形成的一種含有固相成份（半固體的枝晶組織的合金轉(zhuǎn)變成顆粒狀初生相組織），將鎂合金加熱至582±2℃，以高速0～5m/s將半固態(tài)漿料注入封閉的模具型腔中成型[9～10]，加工原理如圖2所示。目前廣泛應(yīng)用于筆電外觀件生產(chǎn)，并具有較好地散熱性。

圖2 半固態(tài)鎂合金射出成型示意圖（宜鎂泰）

鎂合金件的成型工藝比較簡(jiǎn)單，其為原料鎂合金錠→鎂合金顆?！牍虘B(tài)注射成型→少量機(jī)加工→表面處理→著色噴涂→成品。而半固態(tài)注射成型由塑膠射出成型衍生應(yīng)用在金屬的成型制程，其工藝流程：噴涂脫模劑→合?！涑觥尚汀〕龀尚图?。這半固態(tài)注射成型工藝中融合了注塑特點(diǎn)和壓鑄特點(diǎn)，料筒加熱螺桿進(jìn)料和噴嘴等屬于注塑特點(diǎn)，高速注射系統(tǒng)（氮?dú)馄垦b置起到聚蓄能量作用）和模具結(jié)構(gòu)等屬于熱室壓鑄模具特點(diǎn)[11]。半固態(tài)注射成型工藝更加類似于注塑成型工藝，被公認(rèn)是21世紀(jì)最發(fā)展前途的制造工藝之一。

現(xiàn)在筆電零件等采用半固態(tài)射出成型產(chǎn)品具有組織均勻，無縮孔縮松缺陷等優(yōu)勢(shì)，其綜合力學(xué)性能與鍛件相近，高于傳統(tǒng)壓鑄件，通過半固態(tài)成型技術(shù)增加強(qiáng)鎂合金等輕合金的力學(xué)性能。

2.3 鎂合金半固態(tài)注射成型優(yōu)點(diǎn)

鎂合金半固態(tài)注射成型優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的壓鑄成型相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)。①安全：與壓鑄相比，沒有高溫熔煉金屬設(shè)置和金屬液轉(zhuǎn)移，杜絕工傷等事故；②環(huán)境：不用熔煉爐，無煙氣火焰、無熔煉殘?jiān)鼊趧?dòng)環(huán)境好；③精密：產(chǎn)品精度達(dá)0.01mm，后加工量很小，空腔零件最薄0.3mm，一件產(chǎn)品上最厚最薄可相差100倍；④節(jié)約：不要完全液化，不需熔化鎂合金和不要保溫，能耗降低60%，模具熱沖擊減小，模具壽命延長(zhǎng)2～4倍，余料可以回用，工作場(chǎng)地比壓鑄節(jié)約30%；⑤高產(chǎn)：?jiǎn)螜C(jī)產(chǎn)能高效，可以連續(xù)生產(chǎn)；⑥密度：金相組織致密，產(chǎn)品缺陷少，力學(xué)指標(biāo)比壓鑄提升20%；⑦穩(wěn)定：耗材壽命長(zhǎng)，機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定檢修周期可達(dá)20萬次；⑧簡(jiǎn)單：復(fù)雜金屬件中最為簡(jiǎn)捷成型工藝；⑨智能：自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無人操作，遠(yuǎn)程維護(hù)等[12]。

3 筆電零件應(yīng)用案例

3.1 筆電零件注射成型情況

鎂合金半固態(tài)注射成型主要有料筒和模具溫度的控制，料筒溫度在530℃～610℃。模具溫度在270℃～320℃，需要油溫機(jī)，模具上要有油路循環(huán)系統(tǒng)。筆電產(chǎn)品屬于薄壁件產(chǎn)品，熔融溶體進(jìn)入模腔時(shí)，溶體冷卻速度快，為了滿足產(chǎn)品的要求，注射速度也是控制的重點(diǎn)，設(shè)備具備0～5m/s注射速度調(diào)整與控制范圍[13]。筆電零件中用鎂合金半固態(tài)射出成型有A/D面（A/D殼）為鎂鋰合金，C面（鍵盤面板）為鎂鋁合金。其模具結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)熱室壓鑄模有著相似之處。模具上也是有偏心進(jìn)料，有分流錐，有排氣槽和集渣包等，也需要考慮熱平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[14]，只是在注射力上沒有傳統(tǒng)熱室壓鑄的大。如圖3所示。

圖3a為筆電的D底盒產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，注射成型工藝上不會(huì)遇到較多的困難，模具上排氣和集渣包設(shè)置不是很多，進(jìn)料系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。圖3b為筆電的C鍵盤面板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，有許多網(wǎng)格化的細(xì)小筋格，給注射成型工藝帶來較多的困難，每個(gè)細(xì)小筋格不能有熔接痕（也稱接縫線，是強(qiáng)度薄弱的地方）是這個(gè)產(chǎn)品成型的難點(diǎn)，能做到?jīng)]有熔接痕，就要在模具上做到進(jìn)料均勻，排氣通暢，輔助于工藝上調(diào)整，能夠達(dá)到要求。因此，C鍵盤面板模具的進(jìn)料系統(tǒng)、排氣和集渣包等設(shè)置比D底盒模具要多，并且復(fù)雜多了，注射工藝的調(diào)整也有一定的難度。目前筆電零件中用鎂合金半固態(tài)射出成型有A/D面（A/D殼），C面（鍵盤面板），具體成品如圖4所示。

圖3 鎂合金射出成型筆電零件示意圖

圖4 鎂合金半固態(tài)注射成型筆電產(chǎn)品示意圖（艾邦會(huì)展）

3.2 筆電零件注射成型后加工

鎂合金半固態(tài)注射成型筆電產(chǎn)品，從注射脫模出來需要一定的后加工，先去毛刺飛邊檢驗(yàn)等，進(jìn)入機(jī)加工，把模具上不能完成的工序通過機(jī)加工（包括CNC）來完成，達(dá)到裝配要求。隨后是作表面處理，起著提高材料表面質(zhì)量、抗腐性、耐磨性，賦予材料表面的特殊性能。其有陽極氧化[15]，噴漆，納米涂層[16]，表面做拉絲效果等工藝[17]，這些工藝的選用都是根據(jù)客戶的喜好而選擇，通過表面處理后產(chǎn)品進(jìn)行筆電組裝，進(jìn)入市場(chǎng)。如圖5所示。

圖5 鎂合金半固態(tài)射出成型A面拉絲（網(wǎng)絡(luò)照片）

4 結(jié)束語

鎂合金半固態(tài)注射成型是一項(xiàng)新型加工工藝，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的制造工藝之一。目前鎂合金半固態(tài)注射成型不僅在筆電上獲得應(yīng)用，而且在航空、軍工、高鐵、5G、無人機(jī)、汽車、醫(yī)療、戶外康體等領(lǐng)域輕量化零件生產(chǎn)的最佳裝備，優(yōu)勢(shì)凸出具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用到鎂合金半固態(tài)注射成型工藝，主要加工設(shè)備有進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)，尤其是國(guó)產(chǎn)設(shè)備研發(fā)具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，大幅度降低設(shè)備購置費(fèi)用、使用成本和產(chǎn)品制造成本，工藝技術(shù)日趨完善。目前，重慶已是筆電生產(chǎn)基地，應(yīng)用鎂合金半固態(tài)注射成型加工有了新的開端（少數(shù)廠家應(yīng)用），有些部分鎂合金產(chǎn)品通過外地輸入重慶，這對(duì)重慶來說也是一次機(jī)遇和挑戰(zhàn)，無論是模具開發(fā)，還是產(chǎn)品的加工等，我們也期盼早日遍地開花。