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金屬注射工藝MIM零件的可制造性設(shè)計


 

發(fā)布日期：[2024/4/28]
 
MIM零件的設(shè)計和塑料注射成型比較類似。
由于不受傳統(tǒng)接金屬成型工藝的限制，零件設(shè)計人員從一開始，就可以用新觀點重新設(shè)想新零件，設(shè)想生產(chǎn)工藝怎樣減少材料重量，如何將多個零件組合成一個零件或如何成型功能性和裝飾性特征。
為使MIM零件（不管是以新設(shè)計的還是替代以前用其它工藝生產(chǎn)的零件）在設(shè)計過程中能充分發(fā)揮MIM工藝的優(yōu)勢，增強工藝性，提出下列設(shè)計準(zhǔn)則。
一. 工藝性設(shè)計
最簡單的MIM零件是用由兩個半型模以平面結(jié)合密閉形成的型腔生產(chǎn)的。
其中，半型模是由裝在另外半個型模中的留有均勻間隙的型芯組成，留有的均勻間隙是以為了成型壁厚均一的零件。
型芯成型的是零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，而型腔成型的是零件外部的結(jié)構(gòu)特征。
設(shè)計的所有結(jié)構(gòu)特征都必須是能從型腔中脫出和能用頂桿從型芯上脫出凝固的成型零件。
MIM零件的復(fù)雜程度增大時，可以增加滑塊、型芯及塑料注射成型中通常使用的其他工具來成形。
在增加零件結(jié)構(gòu)特征的同時，零件的復(fù)雜程度增大，這時，由于可消除一般和后續(xù)加工或組裝作業(yè)相關(guān)的工具和技術(shù)裝備運轉(zhuǎn)費用，從而使MIM零件可獲得經(jīng)濟利益。
在設(shè)計的每一個階段，對這些利益與成本相互之間都必須小心權(quán)衡。
在設(shè)計MIM零件時，要想充分獲得這種工藝上的所有利益，必須考慮到下列關(guān)鍵點：壁厚均一，厚度過渡段，去芯孔，脫模斜度，加強肋與輻板，倒角與倒圓，螺紋，孔與槽，根切，澆注系統(tǒng)，分型線，裝飾性特征，燒結(jié)支撐等。
以下將分別說明。
1.1 壁厚均一
可能的話，整個MIM零件的壁厚都應(yīng)該一樣。厚度不同會導(dǎo)致扭曲、內(nèi)應(yīng)力、孔洞、開裂和凹痕。另外還會導(dǎo)致收縮不均勻，影響尺寸公差與控制。
零件厚度最好在1.3~6.3mm范圍內(nèi)。
為了使MIM零件壁厚均一，給出了幾種常用的改變形狀的方法。
1.2 厚度過渡段
有些場合下無法滿足壁厚均一，則不同厚度之間應(yīng)該設(shè)計成逐漸過渡。
1.3 去芯孔
利用去芯孔可將橫斷面減少到準(zhǔn)則極限之內(nèi)，達到均一壁厚，減少材料消耗和減少或消除切削加工作業(yè)。
優(yōu)先方向是平行于開模的方向，換言之，是垂直于分型線的方向。
因為型芯桿是支撐在兩端的，所以最好用通孔，不用盲孔，盲孔使用的是懸臂桿。
1.4 脫模斜度
脫模斜度是表面上的小角度，要平行于模型零件的移動方向。
對于芯桿，要特別精確。
脫模斜度是為了便于脫出與頂出成型的零件胚料。脫模斜度一般是0.5度~2度。實際的脫模斜度大小隨著成型的孔或凹進的深度以及零件的復(fù)雜程度增大或型芯個數(shù)的增多而增大。
1.5 加強肋與輻板
加強肋與輻板用于補強較薄的壁與避免厚截面。
除了增高壁厚的強度與剛度，還可改善材料的流動與限制扭曲。
加強肋的厚度不得超過毗連的壁的厚度。結(jié)構(gòu)上需要較厚的加強肋處，應(yīng)該用多條加強肋來代替。
推薦的加強肋的比例。在保持零件的功能性強度下，如何利用加強肋和去芯孔來較少重量。
1.6 倒角與倒圓
倒角與倒圓可減小結(jié)構(gòu)特征交匯處的應(yīng)力；消除了可能會導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)特征開裂腐蝕的尖角，便于注射料流入模型中和有助于零件從型腔中脫出，有利于成型作業(yè)的進行。
1.7 螺紋
內(nèi)、外螺紋用MIM工藝都能成型，可是，和擰下型芯相比，用絲錐攻的螺紋比較精密，成本較合算。
為了除掉擰出成型螺紋的模型構(gòu)件，成型螺紋的模型部分，外螺紋最好位于模型構(gòu)建的分型線上。
為了保持螺紋直徑的螺紋公差，一般都規(guī)定在分型線上有一0.127mm的小平面，這可保證將模型適當(dāng)密封，可減小分型線的痕跡，可避免在螺紋根部產(chǎn)生毛刺，從而可減少模型的維修。
1.8 孔與槽
孔與槽，除了減少零件質(zhì)量與成型均一壁厚外，還是MIM零件的一種有用的功能性結(jié)構(gòu)特征，而且一般并不會增高零件價格。
可是，增加孔與槽會增大模具的復(fù)雜性，這需要增加模具成本。垂直于分型線的孔最容易成型，費用最低。和分型線平行的孔，雖然容易成型，但需要增加滑塊或液壓缸，這都會增大前期模具制造的成本。
內(nèi)部的連通孔可以成型。
可能的話，應(yīng)將一個孔做成D型孔，以在芯桿上作出一平面，從而增強模具的密封性，否則需要將配合零件作出圓弧曲面，其薄刃邊會產(chǎn)生異常磨損。
1.9根切
用對開式模具，外部根切在分型線上很容易成型，制造這種形狀需要增加模具零件，增大模具成本和降低生產(chǎn)率。
一些內(nèi)部根切可用滑塊制作，另外一些可用活動型芯成形。
在大多數(shù)MIM零件設(shè)計中，由于存在增加成本和可能產(chǎn)生飛邊的問題，設(shè)計人員可能會決定取消內(nèi)部根切。
1.10澆注系統(tǒng)
注射料是通過澆口進入模具型腔的，鑒于MIM注射料的金屬含量高，MIM的這些澆口一般都比塑料注射成型的大很多。
由于澆口通常會在成品零件從成型型腔脫出來的地方留下痕跡，因此，澆口的設(shè)置需要對要求的工藝性、功能、尺寸控制及美學(xué)進行平衡。
澆口最好設(shè)置在模具分型線上，如圖10所示，這樣設(shè)置，可使注射料流動的路徑?jīng)_擊型腔壁或芯桿。
另外，壁厚不同的零件，通常將澆口設(shè)置在最厚的橫截面處，以使注射料從厚截面處流向薄截面處。這樣設(shè)置澆口可消除孔、凹槽、應(yīng)力集中及零件表面上的流線。
若想用多型腔生產(chǎn)零件，還必須考慮到澆口的大小和設(shè)置，以保證在充填速率均衡的情況下，供給每一型腔的注射料量相同。
1.11分型線
可能的話，所有結(jié)構(gòu)特征的取向都應(yīng)該垂直于分型線，以便成形的零件從模具中取出。
通常，將分型線變成了零件表面的證示線，這是兩個對半模型拼合的必然結(jié)果。
在上半個模型中成形整個零件的幾何形狀，這時，分型線就只能沿著零件的底邊了，并沒有產(chǎn)生分型線。平常，可將模型設(shè)計成沿不引人注意的邊緣分離，從而將分型線“隱匿”起來。
分型線最好位于一個平面上，可是，有時候為了成型所需要的結(jié)構(gòu)特征，必須改變簡單形狀。
增大零件的復(fù)雜性，雖然會增加模具的制造和維修費用，但將該結(jié)構(gòu)特征進行澆注成形時，成本可能是降低的，否則，需要進行切削加工或組裝作業(yè)。
1.12裝飾性特征
標(biāo)記、壓花、零件數(shù)及模號、穴號識別標(biāo)記，均很容易成形在零件的適當(dāng)位置，而且不會增大零件成本。
這些特征可以使突出的或凹進的，MIM工藝可以制作出高水平的特征細節(jié)，包括較尖銳的金剛石壓花。
1.13燒結(jié)件支撐
MIM零件生坯在脫脂和燒結(jié)過程中，約收縮20%，為將可能產(chǎn)生的扭曲變形減小到最低限度，MIM燒結(jié)時必須將MIM零件進行適當(dāng)?shù)闹巍?
通常，將MIM零件放置在平板陶瓷或托盤上。
最好將燒結(jié)用的平板或托盤設(shè)計成有大的平面或有幾個零件結(jié)構(gòu)特征公用的平面，從而可使用標(biāo)準(zhǔn)支架?？缇嚅L、有懸臂或有易損處的MIM零件，可能需要用零件的專用支架或固定裝置來支撐。這些生產(chǎn)費用都是很高的。
二. 燒結(jié)后續(xù)加工
鑒于MIM工藝的公差位于±(0.3%-0.5%)之間，許多零件都燒結(jié)到了最終尺寸，倘若零件的某一結(jié)構(gòu)特征的公差比較緊密，可進行后續(xù)的機械加工。
MIM零件材料可進行切削加工、攻螺紋、鉆孔、拉精整、磨削或像鍛造件一樣進行焊接。
為了改進強度、硬度計耐磨性，MIM零件也可以進行熱處理。
另外，由于MIM零件通常都將相互連通的孔隙度限制在0.2%以下，因此，進行常規(guī)的著色與電鍍時，不需要進行特殊的表面制備。
三. 結(jié)束語
零件作為粉末冶金零件成型工藝的一種新型成型技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已從個別、少數(shù)零件的實驗開發(fā)，發(fā)展到了具有大規(guī)模生產(chǎn)的階段。
從MPIF每年舉辦的粉末冶金零件設(shè)計獲獎的MIM零件項目，可以明顯看出MIM零件在北美發(fā)展的趨勢。
從1997~2001年，MPIF在粉末冶金零件競賽中每年評出的獲獎零件為15~18個。在獲獎零件的類別一欄中，從1997~2004年都是用MIM表示，但從2005年開始將獲獎的MIM零件分成了航空航天/軍工、醫(yī)療/牙科、手動工具/娛樂、電子/電氣、五金/用具、工業(yè)電機/控制裝置及其他類供7類。
這些表明，MIM零件的生產(chǎn)在北美已進入一個漸進式發(fā)展階段。

在中國大陸，得益于電子數(shù)碼產(chǎn)品對MIM件的強大的需求，大大小大小的MIM企業(yè)分布全國，集中于長三角、珠三角及北京和周邊地區(qū)。在中國大陸大力推廣MIM零件的基本知識與生產(chǎn)應(yīng)用，特別是在更多的領(lǐng)域的應(yīng)用，實為當(dāng)務(wù)之急。