金屬粉末注射成型技術(shù)在助插拔鎖緊裝置中的應(yīng)用*

侯江濤，劉召鋒，金 晶，陳奇海

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 洛陽歐祺精密零件制造有限公司，河南 洛陽 471031）

引 言

在某型雷達(dá)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣列組件（Digital Array Module, DAM）快速拆裝和緊固，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的快速助插拔鎖緊裝置，且將其大量投入使用。DAM助插拔鎖緊裝置主要由彎板、板、多個(gè)銷和安裝支耳部件（由支耳和銷組合鉚接成一體）組成。除了在DAM中應(yīng)用外，助插拔鎖緊裝置也在其他模塊級(jí)產(chǎn)品上有著廣泛的應(yīng)用，如某軍用飛機(jī)液冷模塊采用助插拔鎖緊裝置解決了液冷模塊快速安裝、鎖緊和拆卸的難題[1]。然而，組成助插拔鎖緊裝置的零件尺寸小，還帶有孔、槽、支臂等結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)加工過程中一般需經(jīng)過銑、車、鉆、磨等多道工序，而且還需多次裝夾，加工單個(gè)裝置的加工周期過長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本偏高。此外，為了滿足減重的要求，某雷達(dá)助插拔鎖緊裝置除了銷外，其余零件均屬于活動(dòng)部件，均采用高強(qiáng)度鋁合金，因此不宜采用防護(hù)性能更優(yōu)越的油漆進(jìn)行增強(qiáng)，而只能選擇鋁氧化的防腐蝕處理方式。在濕熱環(huán)境下，助插拔鎖緊裝置會(huì)出現(xiàn)典型的表面腐蝕現(xiàn)象[2]。

目前，針對(duì)助插拔鎖緊裝置這類具有大批量生產(chǎn)、低成本需求的零件制備，鑄造制備法是較為合適的選擇。壓力鑄造具有超高的生產(chǎn)效率，且生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜、高精度的零件，但壓鑄過程易裹挾氣體，導(dǎo)致壓鑄件中有氣孔產(chǎn)生，不利于零件的力學(xué)性能。除了壓力鑄造外，熔模鑄造的應(yīng)用較為廣泛。熔模鑄造對(duì)鑄造所使用的原材料要求低，鑄造得到的零件尺寸精度高，甚至可以達(dá)到無余量的生產(chǎn)要求，但在熔模鑄造過程中金屬液冷卻較慢，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部晶體粗大，力學(xué)性能下降。此外，熔模鑄造生產(chǎn)過程較復(fù)雜，且具體的小工序難度較大，生產(chǎn)過程中所消耗的蠟料及其他材料價(jià)格較貴，不利于降低成本[3]。所以，針對(duì)助插拔鎖緊裝置面臨的加工周期長(zhǎng)、成本高、耐蝕性差等問題，仍需尋找新的生產(chǎn)方法對(duì)其進(jìn)行改善。這對(duì)提高小尺寸、高強(qiáng)度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)類零件的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本也具有重要意義。

1 金屬粉末注射成型技術(shù)

金屬粉末注射成型（Metal Powder Injection Molding, MIM）技術(shù)是傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)結(jié)合塑料成型技術(shù)發(fā)展起來的一種零部件近凈成型技術(shù)[4]。由工程經(jīng)驗(yàn)可知，塑料注射成型技術(shù)可以高效地生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的制品，并保持低廉的生產(chǎn)成本。因此，吸收了塑料注射成型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的MIM技術(shù)，在制造形狀復(fù)雜、組織均勻、高性能、高強(qiáng)度、高表面質(zhì)量、高尺寸精度的近凈型產(chǎn)品方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[5-6]。

MIM技術(shù)的主要工藝過程如圖1所示。在完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的MIM模具，在一定溫度下，借助注射機(jī)將處于粘流態(tài)的金屬粉末與粘結(jié)劑的混合物注入模腔，冷卻定型出模后得到一定形狀尺寸的預(yù)制坯，再經(jīng)脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)得到具有一定機(jī)械物理性能的制品。在一般情況下，利用MIM技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品成型后無需后續(xù)加工。目前，MIM工藝的主要成型材料是不銹鋼、鈦合金、銅和可伐合金。不同材料主體的工藝方法相同，但具體工藝細(xì)節(jié)差異很大，其中不銹鋼材料最為成熟。常用的不銹鋼材料包括304L，316L和17-4PH。

圖1 MIM技術(shù)工藝流程圖

表1對(duì)比了MIM技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)。從表1可以看出，MIM工藝技術(shù)具有更低的加工成本、更大的設(shè)計(jì)自由度、最少的二次加工和更高的材料利用率，非常適合生產(chǎn)大批量、形狀復(fù)雜、小型或微尺寸的零件[4,7]。因此，針對(duì)某雷達(dá)中助插拔鎖緊裝置面臨的問題，選用不銹鋼材料，采用MIM工藝技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，可有效解決周期長(zhǎng)、成本高、腐蝕等問題。但新工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置結(jié)構(gòu)是否滿足減重、力學(xué)、環(huán)境適應(yīng)性等要求，還需要進(jìn)一步的分析。

表1 機(jī)械加工技術(shù)和MIM技術(shù)對(duì)比

2 金屬粉末注射成型技術(shù)在助插拔鎖緊裝置中的應(yīng)用

2.1 助插拔鎖緊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)DAM助插拔鎖緊裝置面臨的腐蝕和成本問題，可選用316L不銹鋼材料采用MIM技術(shù)加以解決。由于不銹鋼的密度比鋁合金的密度大，而且DAM具有結(jié)構(gòu)不可改變性，因此需要對(duì)助插拔鎖緊裝置進(jìn)行減重處理，即進(jìn)一步優(yōu)化助插拔鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要遵循以下原則：1）與原結(jié)構(gòu)接口完全一致；2）與原結(jié)構(gòu)重量基本一致；3）具備現(xiàn)場(chǎng)可更換結(jié)構(gòu)工藝條件。

根據(jù)MIM技術(shù)的特點(diǎn)，采用MIM技術(shù)生產(chǎn)的零件具有更大的設(shè)計(jì)自由度。因此，采用MIM技術(shù)生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置采用融合一體化設(shè)計(jì)，即對(duì)支耳和用于鉚接的銷進(jìn)行合并設(shè)計(jì)。由于助插拔鎖緊裝置的彎板和板是安裝在DAM殼體上的活動(dòng)部件，因此在接口不變的情況下，考慮2種材料的力學(xué)性能差異較大，實(shí)體部分采用筋、肋、孔分布法，既可保證剛強(qiáng)度，滿足接口狀態(tài)要求，也可達(dá)到減重的目的。為了更利于MIM技術(shù)的應(yīng)用，將助插拔鎖緊裝置所有組成零件的邊緣、過渡處均設(shè)計(jì)成圓滑狀或截面漸變狀，在減重的同時(shí)，也符合美觀的要求。同時(shí)，將銷材料變更為同樣具有較好塑性的不銹鋼材料，防止金屬間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。利用不同工藝技術(shù)生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置零件的三維效果圖如圖2所示。對(duì)比不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置的質(zhì)量，見表2。采用MIM技術(shù)生產(chǎn)的單套裝置的質(zhì)量?jī)H增加2.21 g，單只DAM的平均質(zhì)量仍在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，表明了DAM助插拔鎖緊裝置減重設(shè)計(jì)的有效性。圖3為新設(shè)計(jì)的助插拔鎖緊裝置實(shí)物圖。由此可以看出，MIM生產(chǎn)技術(shù)的引進(jìn)使助插拔鎖緊裝置一體化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，避免了多道次復(fù)雜加工和后期銷子的裝配。通過成本核算，采用機(jī)械加工生產(chǎn)的鎖緊裝置每套成本約為260 元，采用MIM技術(shù)制備的每套成本約為177 元（包含模具平攤費(fèi)用42 元/套），且隨著生產(chǎn)量的提高，其單價(jià)仍有下降空間。

圖2 不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置零件結(jié)構(gòu)對(duì)比

表2 不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置零件質(zhì)量對(duì)比 g

圖3 MIM技術(shù)生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置零件實(shí)物圖

2.2 助插拔鎖緊裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

為了驗(yàn)證用MIM技術(shù)生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求，需對(duì)其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步力學(xué)分析。對(duì)DAM助插拔鎖緊裝置的使用狀態(tài)進(jìn)行Pro/E建模，如圖4所示。模型包括鎖緊件和DAM，并有鋁合金制件和不銹鋼制件2種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。采用HyperMesh軟件建立的有限元模型包括實(shí)體單元和殼單元，如圖5所示。模型采用的材料屬性見表3。

圖4 不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置應(yīng)用狀態(tài)下的三維模型

圖5 不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置應(yīng)用狀態(tài)下的有限元模型

表3 不同工藝所用材料屬性

采用不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置的力學(xué)仿真分析結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：機(jī)加工制件的最大應(yīng)力位于助插拔鎖緊裝置彎鉤連接上方的承力區(qū)內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力值為112 MPa；MIM制件的最大應(yīng)力位于助插拔鎖緊裝置彎鉤連接上方的承力區(qū)，最大應(yīng)力僅為67 MPa，表明MIM制件具有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，即可有效降低助插拔鎖緊裝置在使用過程中所承載的應(yīng)力。由計(jì)算可知，2種工藝制件在使用過程中的安全系數(shù)（材料抗拉強(qiáng)度與承載最大應(yīng)力的比值）分別為4.48和7.46，說明2種工藝的鎖緊件均具有較大的安全系數(shù)。但鎖緊件采用MIM技術(shù)時(shí)，在使用時(shí)承載的最大應(yīng)力較小，因而具有更大的安全系數(shù)，表明MIM鎖緊件的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能更優(yōu)。

圖6 不同工藝生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置應(yīng)力分布圖

2.3 助插拔鎖緊裝置環(huán)境適應(yīng)性分析

對(duì)于采用MIM技術(shù)的助插拔鎖緊裝置能否替換原設(shè)計(jì)應(yīng)用于某雷達(dá)，另一個(gè)重要指標(biāo)是其環(huán)境適應(yīng)性是否達(dá)標(biāo)。環(huán)境適應(yīng)性要求較多，主要包括環(huán)境溫度（包括貯存溫度和工作溫度）要求、耐低氣壓要求、耐濕熱要求（包含升溫階段、高溫高濕階段和降溫階段）、防霉菌要求（主要霉菌菌種為黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀曲霉和球毛殼霉）、防鹽霧要求、抗振動(dòng)要求、耐沖擊要求、耐溫度沖擊要求、溫度-高度關(guān)系要求等。采用MIM技術(shù)生產(chǎn)的助插拔鎖緊裝置所用的不銹鋼材料本身具有非常好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，而且所有組件均由同種材料制備而成，在濕熱環(huán)境中不會(huì)自身形成原電池，避免了電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。因此采用不銹鋼材制備的助插拔鎖緊裝置具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，后續(xù)進(jìn)行的環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，即其各項(xiàng)環(huán)境性指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)束語

MIM技術(shù)在零件制備中具有加工成本低，可持續(xù)、大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。本文通過重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用MIM技術(shù)制備了316L(A)材質(zhì)的DAM助插拔鎖緊裝置，在滿足重量要求的基礎(chǔ)上成功解決了某雷達(dá)中助插拔鎖緊裝置面臨的加工周期長(zhǎng)、成本高、耐蝕性差等問題。MIM技術(shù)在助插拔鎖緊裝置制備中的成功應(yīng)用，進(jìn)一步拓寬了其在小尺寸、高強(qiáng)度、復(fù)雜外形零件制備中的應(yīng)用。MIM技術(shù)將朝著能制備大尺寸、高強(qiáng)度、復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)件，具有很強(qiáng)的原材料適應(yīng)性及制備過程高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，因此在汽車、航空、航天領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。