複雑な構(gòu)造の部品の金屬粉末注入成形模具の設(shè)計(jì)について

 

発売日：[2024/6/21]
 

1、技術(shù)紹介
金屬粉末射出ダイはMIM、すなわちMetal Powder Injection Moldingと略稱される。射出成形の方法で複雑で精密な合金部品を製造する學(xué)際的な先進(jìn)技術(shù)である。それは特製の金屬粉末（ミクロン級(jí)）と高品質(zhì)の高分子プラスチックポリマーを混合して形成されたMIMフィードを使用して、このフィードは射出時(shí)の良好な流動(dòng)性を提供して、射出型を通じてブランクを成形することができます。ブランクは高効率の脫脂と焼結(jié)を経て、合金部品の密度は理論密度の99%に達(dá)することができる。金屬粉末射出成形製品は密度が均一で、光沢度がよく、一般的には後続加工が必要なく、原料利用率は100%に近く、21世紀(jì)で最も革命的な意義を持つ近浄成形技術(shù)である。図1に示す製品は醫(yī)療設(shè)備の歯列矯正型フレーム內(nèi)のニッケル入りステンレス鋼金具であり、製品のロットが大きく、構(gòu)造が複雑で、表面粗さ値の要求がRa 0.80μmに達(dá)し、寸法精度の要求がIT 5（GB/T 1800.1-2009）に達(dá)し、普通の機(jī)械製造方法を採(cǎi)用して加工が難しく、効率が低く、材料の浪費(fèi)が多く、コストを節(jié)約するために、金屬粉末射出成形技術(shù)を採(cǎi)用した。
2、金屬射出成形製品の構(gòu)造分析
金屬粉末射出成形製品の重量は一般的に250 gを超えないが、この製品はサイズが大きく、重量は約350 g、最大外形寸法：171.00×67×34.50 mm、平均肉厚は2.2 mmで、製品の重量はMIM射出型構(gòu)造設(shè)計(jì)が直面する難點(diǎn)の一つである。また、製品の構(gòu)造は複雑で、4つの場(chǎng)所が橫引きコアを必要とし、しかもすべて定型側(cè)にあり、定型側(cè)引きコアは金型設(shè)計(jì)が直面しなければならない難點(diǎn)の2つである。
3、樹脂とフィードの配合比と収縮率の確定
ニッケル入りステンレス鋼金屬粉末の粒子サイズは0.2μmで、有機(jī)接著剤はナイロンPA 12を採(cǎi)用し、それは金屬粉末の擔(dān)體であり、作用は金屬粉末粒子を接著し、フィードを注射機(jī)のシリンダー中で加熱した後にレオロジー性と潤(rùn)滑性を持たせる。ナイロンの利點(diǎn)は、使用量が少なく、金屬と化學(xué)反応せず、脫脂時(shí)に除去しやすいことです。海外の経験、および當(dāng)院の過去の実験結(jié)果を參考にして、ニッケルステンレス鋼とPA接著剤の混合體積割合は8：2を採(cǎi)用した。脫脂の過程で、部品の體積は脫脂の過程で変化することはありませんが、焼結(jié)時(shí)に部品は13%~ 18%の収縮が発生します。そのため収縮率は単純なPA射出型よりずっと大きく、フィード配合比に基づいて、型成形寸法は15%収縮率を採(cǎi)用した。
4、金型構(gòu)造設(shè)計(jì)
成形ブランクの重量が大きいという問題を解決するために、金型は4つの點(diǎn)ゲートを用いてキャビティ內(nèi)から均等に供給する注入システムを採(cǎi)用した。モールドフレームの規(guī)格は竜記簡(jiǎn)略化細(xì)水口モールドであり、內(nèi)蔵式定距分型機(jī)構(gòu)を採(cǎi)用している。金型が輸送中に開き、安全事故を引き起こすことを防止し、生産時(shí)に金型ロックバックルを取り外す。
4.1成形部品の設(shè)計(jì)
「ニッケル入りステンレス鋼+ナイロンPA 12」フィードは隙間に敏感で、バリが発生しやすい。プラスチック部品にバリが発生すると簡(jiǎn)単に除去されますが、金屬部品のバリは刃先のように安全上の問題になります。そのため、MIM射出成形部品の設(shè)計(jì)と製造要求は特に高く、寸法精度と配合精度はIT 5以上に達(dá)しなければならない。金型成形部品はインサート構(gòu)造を採(cǎi)用し、金型の剛性と強(qiáng)度を高め、成形製品の寸法精度を確保する?！弗衰氓饱肴毪辚攻匹螗欹逛?PA」フィードは単一PAプラスチック溶融物と比べて、金型キャビティに対する摩擦力が大きく、成形部品の鋼材とキャビティ表面の粗さに対する要求が高く、金型成形部品は耐摩耗性の良い鋼材を採(cǎi)用しなければならない。本金型は金型鋼S 136 H、熱処理硬度30～35 HRC、キャビティ表面をRa 0.4μmまで研磨し、フィードの流動(dòng)性を改善し、金型壽命を高める。非常に高い寸法精度、バリなし、超高表面品質(zhì)、これらの要求はすべてMIM射出ダイが満足しなければならない。
4.2側(cè)面抽心機(jī)構(gòu)の設(shè)計(jì)
成形ブランクには2カ所の外側(cè)バックルと2カ所の內(nèi)側(cè)バックルがあり、いずれも側(cè)面抽心抽心機(jī)構(gòu)を設(shè)計(jì)する必要がある。2つの內(nèi)側(cè)抽心距離はいずれも1.7 mmで、抽心距離が短く、內(nèi)側(cè)空間が小さいため、金型は斜め頂側(cè)方向抽心機(jī)構(gòu)しか採(cǎi)用できない。また、內(nèi)側(cè)バックル位置は固定金型で成形されているため、固定金型の斜頂しか採(cǎi)用できず、これは金型設(shè)計(jì)の難點(diǎn)と重點(diǎn)である。固定金型側(cè)に射出成形機(jī)の頂棒の推力がないため、固定金型の斜頂固定板はばねで押し出し、リセットレバーでリセットするしかない。斜頂側(cè)方向抽心抽心機(jī)構(gòu)。斜頂固定板の押し付け距離は25 mm內(nèi)に厳密に制御し、両斜プッシュロッドの押し出し時(shí)の相互干渉を防止しなければならない。両斜頂の傾斜角度はあまり大きくしてはならず、本型は7°をとる。
射出金型構(gòu)造は以下を含む：固定金型座板、材料除去板、12.T形締結(jié)ブロック、斜頂、ピン、斜頂臺(tái)座、支柱、斜頂臺(tái)座、ピン、ゲートカバー、固定金型、ばね、耐摩耗ブロック、固定金型スライダ、動(dòng)金型インサート、動(dòng)金型コア、動(dòng)金型板、ガイド柱、プッシュロッド固定板、プッシュロッド底板、動(dòng)金型座板、リセットロッド、側(cè)抽心、固定金型インサート、固定金型インサート、斜頂?shù)装?、斜頂固定板、ナイロンプラグ、プッシュチューブ、位置決めブロック下、位置決めブロック上、ストッパ釘、型締、小引棒。2カ所の外側(cè)バックルも固定金型から成形され、外観品質(zhì)を保証するために、いずれも固定金型側(cè)方向中抜きを採(cǎi)用した。コア抜き中、ロックブロックは常にスライダのT字溝內(nèi)にあるので、スライダ位置決め部品を設(shè)計(jì)する必要はありません。
4.3定距離分離機(jī)構(gòu)の設(shè)計(jì)
金型は點(diǎn)ゲート鋳造システムを採(cǎi)用し、金型は三板ダイセットを採(cǎi)用しなければならず、型開時(shí)には3つの離型面があり、その中の定型側(cè)には2つがある。流路凝集剤が自動(dòng)的に離型できることを保証するために、金型3つの離型面の開順と開距離は厳格に制御されなければならないので、金型は定距離離型機(jī)構(gòu)を設(shè)計(jì)しなければならない。この金型は內(nèi)蔵式定距分型機(jī)構(gòu)を採(cǎi)用し、流路凝集剤を順調(diào)に脫落させるとともに、斜頂、定型スライダを順調(diào)に橫方向抽心を完成させ、抽気ピンが流路凝集剤から離脫することを保証する。
4.4溫度制御システムの設(shè)計(jì)
金屬粉末は比熱が大きく、金型が成形過程で吸収する熱は通常のナイロン射出型より多いため、溫度制御システムの設(shè)計(jì)はより困難である。製品の形狀に応じて、固定金型は1本の直通式冷卻水路を採(cǎi)用し、可動(dòng)金型は3本の冷卻水路を採(cǎi)用した。
4.5離型機(jī)構(gòu)の設(shè)計(jì)
金屬粉末射出型では、離型と冷卻が重要な問題である。橫方向芯抜きが完了した後、成形ブランクは最後にプッシュロッドとプッシュパイプによって離型され、この組み合わせの離型機(jī)構(gòu)は十分かつ有効で、ブランクが離型する時(shí)の安全で安定して変形しないことを保証した。
4.6排気システム設(shè)計(jì)
MIM射出ダイは、排気溝の深さに関して通常の射出ダイとは大きく異なる。一般的な射出型はその成形プラスチックによって、排気溝の深さは一般的に0.02?0.06 mmをとり、MIM射出型の排気溝の深さは一般的に0.0025?0.005 mmの間であり、この深さを超えるとバリが発生する。良いフィードはその後の凝固過程で収縮率が極めて低い。成形品の形狀保持力をできるだけ強(qiáng)化するために、金屬粉末充填剤を大量に使用することができ、その使用量は體積の70%に近いことが多い。高充填フィードの良好な流動(dòng)性を得るために、低分子量のプラスチックPAを採(cǎi)用し、MIMフィードに高い飛辺感度を持たせ、多くの充填ナイロン材料が示す特性に類似している。
5金型作業(yè)プロセス
（1）混合物。ニッケル入りステンレス鋼金屬粉末とナイロンPA 12を體積8：2で均一に混合し、フィードを得た。
（2）射出成形。フィードを射出成形機(jī)の材料カートリッジに入れて150℃に加熱し、粘稠なパドル狀物質(zhì)になり、高圧下で點(diǎn)ゲート注入システムを通じて金型キャビティに注入した。射出溫度、金型溫度、射出圧力、保圧時(shí)間などの成形パラメータを制御することは、安定した生地品質(zhì)を得るために重要である。
（3）冷卻硬化。フィードがキャビティに満杯になった後、保圧と冷卻を経て、未加工品に硬化した後、金型は射出成形機(jī)の牽引下で型開きする。
（4）型開き。定距離分離機(jī)構(gòu)の作用の下で、金型は分離面I、分離面II、分離面IIIの順に開く。分離面Iの型開き距離は145 mmで、小タイロッドによって制御される。離型面IIで開くと、金型は外側(cè)抽心を完了し、同時(shí)に離型板は流路凝集材を金型から押し出し、金型の自動(dòng)離型を?qū)g現(xiàn)する。分離面IIの型開き距離は12 mmであり、ストッパピンによって制御される。分離面IIIが開くと、可動(dòng)テンプレート、固定テンプレートが分離され、成形ブランクが固定モデルキャビティから離脫する。型開ストロークを完了した後、プッシュロッドは成形ブランクを金型に押し出し、1回の射出成形を完了する。

6まとめ

（1）他の金屬成形方式に比べて、金屬粉末射出成形は形狀がより複雑な製品を製造することができ、しかも効率が高く、材料の浪費(fèi)がなく、典型的な精密製造と緑色製造技術(shù)である。しかし、製品の大きさは一定の制限を受けており、一般的には250 gを超えない。今回成形された製品の重さは350 gに達(dá)し、金屬粉末の射出成形は突破と成功の試みである。
（2）「ニッケル系ステンレス鋼＋PA」フィードは純ナイロンPAに比べて塑性が悪く、金型に定型內(nèi)、外側(cè)を採(cǎi)用すると同時(shí)に芯抜きのリスクが大きく、今回の成功も金型構(gòu)造の大膽な革新の大きな突破である。
（3）金型の構(gòu)造は先進(jìn)的で合理的で、試験型は一回成功し、金型の生産開始後の運(yùn)行は安全で安定で、成形周期は28 s、一日の生産量は2300件に達(dá)することができる。成形ブランクは脫脂焼結(jié)後の寸法精度はIT 5（GB/T 1800.1-2009）に達(dá)し、表面粗さ値はRa 0.8μmに達(dá)し、いずれも設(shè)計(jì)要求に達(dá)した。

---『金型製造』月刊より転載、著者：張維合、成永濤、胥永林（広東科學(xué)技術(shù)學(xué)院）