椎間融合器金屬粉末注塑成型模具設計研究

汪傳生，胡紀全，朱 琳

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

金屬粉末注塑成型是一種將粘結劑和金屬粉末混合得到的增塑混合料注射到特定模具的一種成型加工方法[1-3]，是粉末冶金與聚合物注塑成型相結合發展起來的一種新型成型技術[4]。一些體積較小、外形復雜且用量較大的金屬制品很難用傳統加工手段大批量生產，尤其在醫療方面，結構復雜、體積較小的精密醫療物品難以用傳統加工手段加工且加工成本較高，例如外科手術所用的椎間融合器。

本工作主要研發兩套模具，一套為試樣模具，另一套為椎間融合器試驗模具。設計加工試樣模具的目的是測量金屬粉末注塑成型燒結后制品的力學強度及所用配方喂料的收縮率，根據所用配方喂料在最佳燒結溫度下的收縮率，反向將椎間融合器模型模腔放大。椎間融合器模具的設計思路與試樣模具基本一樣。本研究有利于促進體積較小、外形復雜且用量較大的金屬制品的批量工業化生產，特別是醫學界不銹鋼椎間融合器，可降低加工成本，進而降低醫療成本。

1 模具的生產流程

金屬粉末注塑成型模具的設計制作流程與普通塑料注射模具極其相似[5-7]，模具同樣由型芯和型腔兩部分組成。首先對成型件進行結構分析，用Moldflow軟件對成型件進行參數模擬分析（制品注塑可行性分析），以指導模具的設計方向，再用UG軟件進行模具整體設計，之后進行加工、裝配、試模和檢驗。

2 塑件可行性分析

金屬粉末注塑件常見缺陷如下。

（1）欠注。欠注是指由所用注塑機的壓力不足或者所用注射材料的流動性差等因素引起的物料未能注滿整個模具型腔而使注射制品出現不完整的情況。

欠注的原因為物料流動性差、制品壁厚過小、模具溫度太低和注射時間過短，可相應采取改善物料流動性或更換材料、增大壁厚、提升模具溫度、加大注射壓力和延長注射時間等措施加以 解決。

（2）熔接痕。物料在注射過程中于型腔中分成若干股料流后又匯合在一起，匯合處有可能出現線狀痕跡，即為熔接痕，影響制品的外觀質量甚至力學強度。

形成熔接痕的原因為注射壓力過低、注射速度過慢、料溫和模溫過低及料流股數太多，可相應采取增大注射壓力、加快注射速度、提高料溫和模溫及適當減少分流等措施加以解決。

（3）氣穴。在注射過程中，模腔內的空氣來不及排出，被物料包圍或者被壓縮到模具內壁處形成氣穴，引起制品表面欠注，影響制品的外觀質量甚至力學強度。

形成氣穴的原因為排氣不良、澆口位置不合適、注射速度太快和制品厚度變化過大，可相應采取加排氣孔或加深排氣孔、改變澆口位置、適當減慢注射速度、延長保壓時間和避免制品厚度急劇變化等措施加以解決。

（4）變形。變形是指成型制品冷卻后出現彎曲或扭曲，直接影響制品的外觀尺寸精度，甚至引起制品報廢。

變形的原因為制品冷卻不均勻、制品太熱和過早頂出、制品太薄和結構不合理及制品內部殘余應力，可相應采取模具水道均勻冷卻、延長保壓時間和適時頂出制品、改進制品壁厚和結構設計及改善成型條件等措施加以解決。

2.1 計算機輔助可行性分析

傳統模具的設計與制造僅依賴設計者的經驗，只有通過模具加工出來后試模才能知道是否有嚴重缺陷，有可能造成前期所設計的模具報廢，導致模具加工成本增加和生產周期延長。

計算機輔助模擬技術的發展使傳統注塑領域模具設計問題得到了解決。計算機輔助模擬技術對模具參數化設計有很大幫助，可以對注塑工藝進行優化設計，用模擬軟件的量化數字指標代替傳統的人為定性分析，可以大大減少對設計者主觀經驗的依賴。計算機輔助模擬技術的應用有利于提高模具的一次設計成功概率，節省資源，降低模具的總體成本[8-10]。

Moldflow是應用最廣泛、專業功能最強大的一款注射模具有限元模擬軟件，本研究選擇該軟件進行輔助分析。

將試樣和椎間融合器三維模型以.igs文件形式導入Moldflow軟件中，選用表面網格類型劃分網格，最大縱橫比不大于6，匹配率大于90%，如圖1所示。

圖1 模具模腔的有限元網格劃分

在做充填分析之前，需要設置Moldflow的各種物性參數。首先設置分析順序，選擇實驗設計（充填），其次在材料選擇中自定義材料參數，完成工藝參數設置后，分別對試樣和椎間融合器模型進行充填試驗模擬，得出相應的最佳澆口位置和氣穴位置。

2.2 最佳澆口位置分析

進行金屬粉末注塑成型模具設計時，澆口位置一般根據以下原則確定：（1）盡量縮短注射距離；（2）澆口盡量開設在塑件的厚壁處；（3）避免或者減少熔接痕的產生；（4）根據實際塑件外觀質量及排氣等因素選擇澆口位置。Moldflow分析給出的澆口參考位置如圖2所示。

圖2 模具的最佳澆口位置

試樣模具選用有限元分析給出的最佳澆口位置作為澆口點即可。對于椎間融合器模具，不能選用內部澆口位置，因為其內部有抽芯結構，且其上下表面都有棱角，是主要工作表面，所以只能將澆口設在外表面。椎間融合器的上面及兩個側面都有一個孔，也需要抽芯。綜合考慮，椎間融合器的澆口選在下表面。

2.3 氣穴分析

本設計試樣模具的氣穴產生在分型面處，不必考慮氣穴問題。而椎間融合器模具的氣穴可能產生在上下兩個凸棱處。

減少椎間融合器模具氣穴的方法有很多種，從結構上消除氣穴的效果最好，例如使氣穴發生在分型面處。有些氣穴位置難以避免，可以在模具加工時鉆出細小的排氣槽，使氣體充滿排氣槽，而制品表面或者內部沒有氣穴。在控制注塑工藝條件方面，可以提高物料溫度或者在高溫下利用導流減少氣穴，這種方法幾乎可以做到沒有 氣穴。

由以上分析可知，試樣和椎間融合器都可以開模具，適合采用模具加工。

3 模具設計

3.1 注塑機的選擇

在設計注射模具時，需要選擇合適的注塑機，根據注塑機的關鍵尺寸及注射噴嘴形式確定注射模具的尺寸。注塑機的性能、模具與注塑機的配合等是影響注塑制品質量的重要因素。

本研究尚屬于試驗階段，無需大批量生產，試樣模具和椎間融合器模具設計成一模一腔即可。設計注塑模具時，需要了解注塑機的注塑容量、噴嘴結構及孔徑、鎖模力和格林柱間距（即模具合模高度）等參數。注塑機選擇主要考慮注塑容量、鎖模力和模具高度。

3.1.1 注塑容量

注塑容量代表注塑機可以注塑最大注塑件的體積，是注塑機螺桿最大推進行程所能注射出物料的最大容量，直接反映注塑機的注塑能力。

通常情況下，注塑機注塑容量（Vz）按下式 計算：

式中，Vs表示模具模腔內注塑件和澆注系統的體積容量總和，0.8為注塑機注塑容量的利用系數。試樣形狀相對簡單，但是椎間融合器形狀復雜，難以通過常規方法計算其體積，采用UG自帶的分析模塊進行計算，得到試樣的Vs約為6.28 cm3，Vz≥7.85 cm3；椎 間 融 合 器 的Vs約 為0.38 cm3，Vz≥0.475 cm3。由于注射量很小，并且椎間融合器屬于微量、精密件，因此必須選用精密注塑機。本次試驗選用德國Arbrug公司生產的阿博格170S 125-30型精密注塑機，其主要參數如下：注射容量 10.6 cm3，注射壓力 220 MPa，頂針力 16 kN，背壓（正/負） 35/20 MPa，鎖模力 125 kN，螺桿直徑 15 mm，螺桿行程 60 mm，噴嘴縮回行程 120 mm，噴嘴接觸力 40 kN，拉桿間距 170 mm×170 mm，移模行程 200 mm，最大/最小模高 350/150 mm。

3.1.2 鎖模力

鎖模力是指注塑機壓緊模具的最大力。通常情況下，注射金屬喂料時的最大注射壓力應不大于鎖模力的80%。通過有限元仿真計算得出試樣模具的最大鎖模力為5.8 t、椎間融合器模具的最大鎖模力不到1 t，而170S 125-30型注塑機公稱鎖模力為12.5 t，完全滿足要求。

3.1.3 模具高度

選好注塑機型號后，對開模行程、模具合模高度等有關參數進行校核，確保模具在所選用的注射機上能夠安裝和使用[11]。

注塑機對模具的合模高度和開模最大高度均有限制，模具的合模高度和開模高度必須在注塑機允許范圍內。

阿博格精密注塑機允許的最小合模高度（Hmin）為150 mm，最大開模高度（Hmax）為350 mm。在設計模具時：（1）模具閉合時，合模高度大于Hmin；（2）模具開模時，開模行程（保證注射制品可以完全脫出）與模具合模高度之和小于Hmax。

試樣模具合模高度為155 mm，則：Hmin＜155 mm，合模高度符合要求；同時，由于試樣尺寸相對較小，需要的開模行程并不大，小于100 mm，（155＋100） mm＜Hmax，開模行程也符合要求。

椎間融合器模具合模高度為190 mm，則Hmin＜190 mm，合模高度符合要求；椎間融合器尺寸相對較小，需要的開模行程也不大，小于100 mm，（190＋100） mm＜Hmax，開模行程符合要求。

3.2 模具組成

一套標準模具一般包括動模/定模、側向分型與抽芯機構、溫度控制系統、導向機構、脫模機構和排氣系統等。

本次所開模具主要用于試驗，從節約金屬喂料方面考慮，確定兩套模具均為一模一腔結構，如圖3所示。

圖3 模具總體結構

（1）成型部件。成型部件是指模具用于注塑成型的型腔構件，通常包括凸模和凹模兩部分。這是模具的精髓，模具的其余部分都是為成型部件服務的，因此模具成型部件加工要求極其精密。模具模腔如圖4所示。

（2）導向機構。與塑料模具一樣，金屬粉末注塑成型模具的模腔由動模和定模構成，每次注塑成型時，模具都需要開合模，必須確保模具開合模時的位置精度和重復精度。因此，模具通常需要設置使模具開合模平穩且重復精度高的機構，即導向機構，如圖4所示。模具的導向機構由導柱和導套組成。

圖4 模具模腔

（3）脫模機構。在金屬粉末注塑過程中，注塑件脫模是注塑成型工藝過程的最后一個環節，脫模質量直接影響金屬制品注塑成型件的質量。當模具打開時，金屬粉末注塑制品留在模腔（一般為動模）內，此時需要利用脫模機構脫出制品。脫模機構一般由固定板、推板、推桿、導向套和復位彈簧等組成。為了在脫模時不產生局部應力集中，本設計每個試樣都設了2個推桿，避免單推桿將注塑制品頂變形的風險。脫模機構如圖5所示。

圖5 脫模機構

（4）排氣系統。本設計試樣模具的定模是平的，在注射金屬粉末時，無產生氣穴的可能。而椎間融合器上下面有較多凸起的棱，是關鍵加工面，不易開設排氣孔，因此不單獨設置排氣系統。

4 模具加工

試樣模具和椎間融合器模具整體結構及各部件設計完成后，即可進行加工。

本設計模具的凸模與凹模可以隨時拆卸更換，這種設計有兩個客觀原因。

（1）如果椎間融合器最終燒結制品尺寸與理論尺寸有很大誤差，可以重新加工凸模與凹模。

（2）本套模具不僅限于椎間融合器的新加工方法研究，還可以為研究金屬粉末法成型其他金屬件（非椎間融合器）提供模具支持，只需將凸模與凹模的形狀更換即可。

5 結語

本研究設計了試樣模具和椎間融合器模具，同時利用有限元軟件Moldflow對椎間融合器模具注塑成型過程進行模擬，分析了注射過程中的各種影響因素，得到了注塑成型初步工藝試驗數據。本設計模具為后續金屬粉末注塑成型工藝參數試驗研究奠定了基礎。