沙冰機碎冰刀的粉末冶金注射成形工藝研究*

黃樹發(fā)，陳禮仁，吳昊，王柱，王天雷

（1.江門市前通粉末冶金廠有限公司，廣東 江門 529000；2.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020）

0 引言

金屬注射成形（Metal Injection Molding，MIM）是將現(xiàn)代塑料注射成形技術引入粉末冶金領域而形成的一項成形新技術[1]，其基本工藝過程如圖1所示，先將微細金屬元素或預合金粉末與高分子有機粘結劑在一定溫度下按一定比例和工藝混合成均勻的粘塑性流體，在加熱狀態(tài)下經(jīng)注射成形機將其注入模腔內冷凝成形；然后用化學溶解或熱分解的方法將成形坯中的粘結劑脫除；最后經(jīng)燒結致密化形成高性能制品。MIM最大特點是可直接制造出具有尺寸精度高、組織均勻、性能優(yōu)異的最終形狀的零部件，且生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)自動化，材料利用率幾乎可達100%，生產(chǎn)成本為傳統(tǒng)成形工藝20%～60%。目前，采用MIM技術生產(chǎn)的產(chǎn)品已廣泛用于兵器、醫(yī)療、電子、汽車、農(nóng)機和家用電器等行業(yè)[2-6]。

圖1 金屬粉末注射成形的基本工藝

沙冰機是專門為制作沙冰、雞尾酒和冰鎮(zhèn)卡普奇諾等冰飲所提供沙冰的小型電器，全球市場需求量大，工作時刀葉通過高速撞擊、切割，將冰塊擊碎成細軟的沙冰。目前，市面上沙冰機的碎冰刀結構千差萬別，多為不同形狀葉片疊合組裝而成[7-8]，如圖2所示，其工作轉速通常為500～1500 r/min。多葉片組裝而成的冰刀加工工序多，制造成本較高，使用時組裝、清洗、維修保養(yǎng)繁瑣等。

圖2 葉片疊合組裝碎冰刀

針對多刀片組裝結構的存在問題，本文采用MIM技術制作的一體化的不銹鋼碎冰刀，如圖3所示。對其工藝參數(shù)的選擇進行了分析與研究，并設計了碎冰刀的金屬注射成形模。

圖3 一體式碎冰刀

1 零件的結構分析

一體式碎冰刀將原來多個不同形狀的葉片制成一個整體，結構簡單、工作可靠、清洗維護方便、大批量生產(chǎn)性價比高等特點。碎冰刀如圖4所示，主要有以下幾個特征：（1）四片刀葉設計成中心對稱，并按75°和105°周向非均勻分布，避免在碎冰工作時產(chǎn)生周期性沖擊，引起振動。（2）四片刀葉在旋轉方向設計成圓弧狀，其中兩片沿刃口開有矩形齒；（3）碎冰刀輪轂軸處有一寬4 mm、深2.5 mm的凹槽，一側帶有傾角；（4）內孔設計了7條均勻分布的高2.5 mm、寬3 mm的凸筋、凸筋螺旋角為30°（左旋），凸起部分，與驅動軸配合連接傳遞扭矩，有一定的精度要求。

圖4 碎冰刀的MIM零件結構

左旋的凸筋的主要作用：工作時，連接電機的驅動軸旋轉方向與碎冰刀要求的旋向一致時，碎冰刀受到冰塊的作用，周向力使其沿左旋凸筋朝下進一步鎖緊；當驅動軸旋轉方向與碎冰刀要求的旋向相反時，碎冰刀受到冰塊的作用，可自動與驅動軸分離，確保工作安全。碎冰刀要求的旋轉方向如圖4所示。

綜上所述，碎冰刀具有尺寸小、結構較復雜等特點，是一個典型的適合MIM技術制造的零件。采用MIM技術制造時，首先根據(jù)注射成形工藝特點對零件結構進行適當調整和修改，調整和修改后的零件如圖4所示。成形后的制品只需對刀葉進行磨削開刃和表面等離子拋光處理，工藝簡單，加工成本可大大降低。

2 碎冰刀粉末注射成形（MIM）工藝

MIM工藝主要包括：（1）首先選擇符合要求的金屬粉末和粘結劑，將金屬粉末和粘接劑在合適的溫度下混合均勻后制成一定大小的顆粒；（2）再將金屬粉末顆粒經(jīng)注射成形機注射成形，成形后的零件毛坯經(jīng)過脫脂處理；（3）最后燒結成致密化的產(chǎn)品。此外，由于MIM技術所用粉末一般較細，產(chǎn)品燒結后可達到很高的密度，因此，MIM產(chǎn)品的力學性能一般都優(yōu)于粉末冶金模壓和精密鑄造產(chǎn)品，主要適合小型零件，通常質量小于200 g。本文研究的碎冰刀質量為61 g，批量生產(chǎn)有較大的成本優(yōu)勢。

2.1 粉末選擇

MIM對粉末的要求較高，制備方法主要有羰基法、超高壓水霧化法和高壓惰性氣體霧化法等[9-10]。碎冰刀因其使用環(huán)境，要求具有一定的耐腐蝕性和強度，因此選用材料為不銹鋼630，主要成分如表1所示，不銹鋼粉末的物理性質如表2所示。

表1 不銹鋼630材料成分配比（wt%）

表2 不銹鋼630粉末的物理性質

表3 不銹鋼630粉末的力學性能

2.2 粘結劑選擇和脫脂工藝的確定

粘結劑具有增強粉體流動性和維持坯塊形狀的兩個基本職能。碎冰刀的粘結劑采用熱塑性粘結劑，其配方為80%～90%的POM（聚甲醛），除此之外還有HLPE、EVA、SA等。脫脂方法為催化脫脂，在一定的溫度下通入催化劑，并通入氮氣作為保護氣氛脫除POM。脫脂速率過快易造成產(chǎn)品開裂、表面發(fā)麻等缺陷，一般脫脂速率按1～2 mm/h，脫脂工藝參數(shù)控制如圖5所示。

圖5 碎冰刀脫脂/燒結工藝圖

2.3 注射料的混煉、制粒和成形

確定粉末和粘結劑后，將粉末和粘結劑按50%的裝載量（體積分數(shù)）在雙行星混煉機上混煉1.5 h，混煉溫度為(170±10)℃。使粉末和粘結劑充分混合。然后在單螺桿擠出裝置上制粒，溫度在110～130℃。制粒完成后，采用MIM-130型注射機注射成形。

2.4 尺寸確定和尺寸精度控制

零件線收縮率LS（Linear Shrinkage）可表示為：

式中：Di為成形坯的密度；Df為燒結體密度；WL為成形坯從成形至燒結后失重的分數(shù)。

由式（1）可知，零件線收縮率和成形坯和燒結體密度以及成形坯從成形至燒結后失重的分數(shù)有關，成形坯和燒結體密度可由試驗得出，成形坯從成形至燒結后失重的分數(shù)和裝載量有關。由于碎冰刀徑向尺寸比軸向尺寸大，后續(xù)無機加工，其余尺寸對零件工作性能影響不大，因此，注射模具設計時線收縮率按16.5%設計。對尺寸要求較高的零件，可用試驗方法精確得出零件各個方向的線收縮率。

對式（1）微分，得：

最大線收縮率偏差，即尺寸公差maxdLS可用下式計算：

式（3）將制品尺寸精度與MIM過程的各工序聯(lián)系起來了。

為滿足零件尺寸精度要求，需控制上述各步驟中坯塊密度和失重的偏差。

2.5 預燒結和燒結

脫脂完成后需在真空燒結爐內進行燒結，燒結過程可分為以下4階段，如圖5所示。（1）負壓脫脂。主要是用于去除催化脫脂殘留的POM及其它粘接劑，通入氮氣作為保護氣體進行加熱，脫脂升溫速率一般控制在2～4℃/min。（2）真空燒結。燒結時爐內真空度為20 Pa，溫度為800～1050℃，燒結時間為140 min，實現(xiàn)粉末冶金零件的除氧除碳。（3）分壓燒結。分壓燒結與真空燒結在同一燒結爐中進行，通入氬氣作為保護氣體，溫度控制在1050～1300℃，燒結時間為450 min，溫升速率一般控制在2～4℃/min，實現(xiàn)產(chǎn)品金屬化、致密化。（4）強制冷卻。

2.6 后處理工藝

后處理工藝包括：對碎冰刀刃口的磨削開刃；等離子表面拋光處理。

3 碎冰刀注射成形模具

3.1 模具設計

MIM注射成形模具除了要考慮金屬粉末的流動性能外，還要考慮制件脫模后的燒結和脫脂工藝。在選取收縮率，確定尺寸精度、型腔粗糙度、模具的強度剛度、模具材料和制件的脫模等系統(tǒng)等[11-12]。碎冰刀注射模為1模1腔，澆注系統(tǒng)采用2個點澆口，三板模共有2個分模面Ⅰ與Ⅱ，模具結構如圖6所示。

圖6 碎冰刀模具結構

3.1.1 注射成形零件設計

由于制件體積不但在注射成形時會收縮，燒結脫脂時還會大大收縮[4]，所以模具收縮率取為16.5%；為減小脫模力、易于脫模，脫模斜度選取為2°；型腔粗糙度取Ra0.4μm；尺寸精度不同，模具各零件配合精度要求高，喂料對縫隙敏感，制件極易產(chǎn)生飛邊，因而要求在分型面加工精度要高，貼合要緊密；由于喂料中有金屬粉末，使型腔摩擦力和磨損更大，須采用耐磨鋼材，并淬火或表面滲氮處理。模仁采用DC53鋼材，淬火至HRC52～54。模架材料為S50C。

3.1.2 排氣系統(tǒng)設計

排氣系統(tǒng)的設計對MIM注射模非常重要，不銹鋼粉末的塑料熔體對縫隙極其敏感，很易產(chǎn)生飛邊，因此排氣系統(tǒng)的深度比普通注塑模具小很多，否則就會出飛邊[13-14]。本文設計的MIM注射模具排氣槽采用電極加工，排氣槽深度均取0.01～0.02 mm，寬度為10 mm，可確保零件成型時沒有毛刺。

3.1.3 抽芯機構

本模具有2個抽芯機構：（1）側向抽芯機構。由斜導柱5、斜滑塊6，頸部成形抽芯9等組成。開模時，動模部分向后移動，注塑機上的開模力通過斜導柱帶動側型芯滑塊，使其在動模板的導滑槽內向外滑動，直至側型芯滑塊與制件完全脫開，完成側向抽芯動作。制件仍在型芯上，隨著動模繼續(xù)后移，直到模具頂桿與模具推板接觸，推出機構開始工作，推桿將制件從型芯上推出。（2）螺旋芯子抽芯機構。該機構由螺旋芯子12、螺旋銅套13、螺旋芯子固定板14等組成。螺旋芯子的成形部位與導向部位的旋向與螺旋角一致，如圖7所示。

圖7 螺旋芯子

3.1.4 澆注系統(tǒng)設計

該模具為1模1腔，為了減小流動阻力，澆注系統(tǒng)采用2個點澆口，位置如圖4所示。熔體由點澆口直接進入模具型腔，點澆口流道細部直徑為φ2.5 mm。

3.1.5 脫模系統(tǒng)設計

注射成形的坯件的塑性和剛性都較差，必須合理布置推出頂桿，否則很容易坯件變形甚至斷裂。根據(jù)制件的結構特點，模具采用了由5根頂桿組成的聯(lián)合推出機構，其中頂桿14安放在中心位置，通過螺旋芯子11的中心通孔頂?shù)街萍闹行奈恢?，另?根分別頂?shù)街萍~片端部垃圾包（是成形后需去除工藝位置，如圖8所示）。實驗證明，5根頂桿的分布可確保制件推出平穩(wěn)，無損壞。

圖8 垃圾包位置

3.2 模具工作過程

模具工作具體過程如下：

（1）喂料“金屬粉末+POM等”在高壓下通過點澆口注入模具型腔，同時嚴格控制注射溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間等，完成生坯成形；

（2）完成填充及冷卻成形后，分摸面Ⅱ打處開，帶動螺旋芯子12左移，由于受到固定的螺旋銅套約束，左移的螺旋芯子在移動同時進行旋轉，芯子成形部位與生坯脫離；

（3）完成螺旋芯子與生坯脫離后，分摸面Ⅰ處分開，中模向左移動，注塑機上的開模力通過斜導柱帶動側型芯滑塊，使其在動模板的導滑槽內向外滑動，直至頸部成形抽芯與生坯完全脫開，完成側向抽芯動作；

（4）側向抽芯完成后，制件仍在型芯上，隨著動模繼續(xù)左移，直到模具頂桿與模具推板接觸，推出機構開始工作，推桿將生坯從型芯上推出，完成全部開模行程；

（6）模具完成一次注射成形后，注塑機推動動模合模，斜導柱推動滑塊及側向抽芯復位，復位桿58推動推件固定板及全部推件復位；模具接著下一循環(huán)的注射成形。

4 碎冰刀力學性能和尺寸精度

制件完成后，結構尺寸均滿足精度要求，對其進行力學性能試驗，結果如表2所示，基本達到了機械加工零件的性能指標。滿足使用要求。其余部位無需機械加工。

表4 不銹鋼630碎冰刀的力學性能

表5 不銹鋼630碎冰刀用戶驗收檢測報告（部分數(shù)據(jù)）

5 結束語

（1）MIM是一種能夠制造復雜異形零件的高新技術，生產(chǎn)的產(chǎn)品由于組織均勻，性能優(yōu)異，尺寸精度高，幾乎不需要進行二次機械加工，適用于小尺寸、非對稱、任意曲面、復雜零件的制造，具有廣闊的發(fā)展前景。

（2）用MIM技術制造的一體式碎冰刀與組合式碎冰刀相比較，工藝大大簡化，成本低，力學性能和尺寸精度滿足使用要求，表明本文采用的粘貼劑配方、裝載量、脫脂和燒結等工藝參數(shù)設計合理。

（3）碎冰刀金屬粉末注射模采用側向抽芯和螺旋芯子抽芯方法解決了脫模困難問題，實際生產(chǎn)證明了該設計的合理性。

（4）對制品碎冰刀檢測表明，其致密度達99%，表面粗糙度值達Ra0.8～1.2μm，尺寸精度和力學性能等均達到客戶要求的指標。