基于Moldex 3D對注射成型厚壁金屬零件進行缺陷預測及分析

2021-05-20 07:12:54廖秋慧李大杰潘超越繆張弛

模具工業 2021年5期

陳超，廖秋慧，李大杰，潘超越，繆張弛

（1.上海工程技術大學，上海 201600；2.岡奇電子有限公司，上海 201600）

0 引言

粉末注射成型（power injection moulding，PIM）是特殊的成型技術，其結合粉末冶金及傳統注射成型的特色，兼具注射成型及燒結2種關鍵技術[1]。根據不同的粉末類型，將粉末注射成型分為陶瓷注射成型（ceramic injection moulding，CIM）及金屬注射成型（metal injection moulding，MIM）[2]。PIM 技術的產生使復雜外觀及難成型的零件能實現量產化，提升了粉末冶金的應用范圍。在工業發展應用上，MIM技術有廣闊的市場，在高科技3C零件、生物醫療器械、汽車零部件、航天器零部件及首飾與機械零件等領域，獲得了大量的應用[3-6]。

MIM工藝主要包括將金屬粉末與高分子黏結劑混煉成進料、注射成型、脫脂、燒結及后處理加工5個部分[7]。理論上燒結后零件尺寸公差應達到設計要求，后序加工僅對零件表面進行處理，然而在MIM整個工藝過程中難免產生偏差，偏差產生越早，零件最終的尺寸精度、強度偏差越大，也會產生不良變形及外觀缺陷。雖然成型零件中出現的某些缺陷可以通過后續的整形、拋光等措施解決，但這會使成型工藝周期延長，不利于零件生產的經濟收益。隨著計算機輔助工程（computer aided engineering，CAE）技術的成熟，可針對成型過程中出現的各種問題及時糾錯，提升零件成型品質，縮短生產周期，降低制造成本[8,9]，還可通過現場經驗與模擬結果的相輔相成[10,11]，將MIM過程進行較大的優化。Moldex 3D是塑料注射成型中模流分析軟件，其PIM模塊可通過真實三維模擬分析技術[12]，幫助MIM開發者處理金屬注射零件設計與制造問題。現以某金屬鉗口下顎為例，通過Moldex 3D設計注射模型，預測可能出現的問題，并分析零件缺陷的產生原因并對其進行優化。

1 零件分析

零件為五金工具鉗的下顎，體積約10 524.88 mm3，材料為Fe2Ni，理論質量為 82.41 g。圖1所示為機加工零件裝配后的實物，尺寸如圖2所示。機加工零件的尺寸精度、外觀、致密性及力學性能均要優于金屬注射成型的零件，但因機加工零件速度較慢，材料消耗較大，不適合量產，相比之下金屬注射成型產能大，材料消耗低，若能保證成型零件尺寸、結構強度及外觀，該成型工藝為最優選擇。

圖1 機加工零件實物

圖2 零件尺寸

零件為近似對稱結構，其中凹槽內有平面度要求，內槽兩側壁厚不同，厚側為4.83 mm，薄側為3.40 mm，且薄側帶有半圓孔結構，厚側為連續實體，但有圓弧結構。另外鉗口平臺面A與裝配內槽槽面B有垂直度要求，開發階段需要注意這些尺寸。零件壁厚比一般金屬注射零件（2～3 mm）厚，最厚處達到14.3 mm，易形成不良的收縮，凹槽兩側壁的壁厚突變會造成翹曲，影響零件后續裝配。

由于成型工藝中通過添加黏結劑使進料具有良好的流動性能，而后又要去除黏結劑進行燒結致密化處理，從注射毛坯到成品存在較大的體積收縮。在使用黏結劑質量比為6.9%的注射進料時，毛坯件到成品一般會收縮18%，再考慮注射成型零件的收縮率為0.5%，模具設計的型腔與最終成型的零件尺寸比為1.185∶1。

2 初始階段模擬方案設計

金屬注射階段的充填與塑料注射類似，主要區別在進料。普通塑料注射中，進料大多數以高分子材料為主或加輔助劑，有時為了降低成本或改良塑料特性會加入填充劑。在金屬注射進料中，金屬粉末占據絕對含量（通常占進料總體積的60%左右），高分子黏結劑在進料中起提高粉末流動性及注射毛坯件保型性的作用。一般金屬粉末易發生團聚，在高剪切條件下，會使原來混合進料發生鐵塑分離的現象，影響零件成型尺寸及外觀[13]。因此金屬注射成型的澆口比塑料注射澆口更大（大多采用扇形澆口、潛伏式澆口），且澆口處流速不宜過快，這會使待成型零件整體的充填時間延長。

2.1 預設澆口位置

零件為近似對稱結構，可將零件分型線設計在其對稱線上，澆口的大致位置也隨之確定。鉗口平臺面A為貼合面不宜作為澆口預設位置，在其他位置設計了4組澆口，分別在薄壁側（Ⅰ組）、厚壁側（Ⅱ組）、弧面中心線中部（Ⅲ組）以及鉗口尖端側（Ⅳ組），各組澆口均為7 mm2矩形截面澆口，最終將所有構成系統生成BLM實體網格，如圖3所示。

圖3 4種澆口位置

2.2 材料選擇及成型參數

零件所用進料金屬粉末為Fe2Ni混合粉末，質量占比為93.1%，其余為巴西棕櫚蠟、高密度聚乙烯、石蠟、聚丙烯、熱塑性彈性體及硬脂酸混合而成的黏結劑。在Moldex 3D軟件選擇以材料CAEMIM-002為模板輸入進料屬性，圖4所示為材料的黏度曲線及體積V受溫度T及壓力P的影響（pressure volume temperature，PVT）曲線。

圖4 CAE分析用進料的黏度曲線與PVT曲線

由圖4可知，在剪切速率一定的情況下，溫度升高，黏度降低，但溫度對黏度的影響不大，而在恒定溫度下，材料的黏度隨剪切速率增大而降低，呈假塑性流體。材料的熔點（Tm）為92℃，因為材料中包含了低熔點的組分巴西棕櫚蠟與石蠟，使進料的整體熔點降低，圖4（b）所示中曲線存在斷差是因為非結晶性的高分子組分與結晶性高分子組分混合造成的結果。為方便比較4種澆口的優劣，根據材料的屬性，對初始階段的模擬設定了相同工藝參數，如表1所示，其中保壓時間由澆口固化時間得到，根據材料屬性及壁厚可推算材料合理的冷卻時間。

表1 主要成型工藝參數

3 初始階段模擬結果及分析

3.1 充填效果及熔接痕

圖5所示為4組初始設計模擬充填96%時的進料流動前峰，觀察充填結果，4組模擬均能在2.2 s左右完成充填。4組進料在薄壁側上端均形成了流動末端，圖 5（b）、（c）、（d）還在薄壁側半圓孔環路中形成流動末端，而圖5（a）并沒有在該處形成流動末端，進料流動末端處為熔體溫度最低處。對于金屬注射成型，若末端冷卻過快，粉末充填不足，易在燒結零件上產生不良收縮，而位于末端的熔接觸處過冷，會在成型零件上產生熔接痕，不僅影響零件外觀，還可能會影響零件的正常使用。

圖5 充填96%時的進料流動前峰

圖6所示為4組充填模擬易產生熔接痕的位置，圖6（a）僅在厚壁側長平面上產生較短的熔接痕，圖6（b）則在薄壁側孔邊薄片處產生一圈較長的熔接痕，圖6（c）、（d）在薄、厚壁上均產生較長的熔接痕。由于成型零件在熔接痕位置有力學性能要求，熔接痕會影響零件使用要求。熔接角為2股熔體前峰相遇時形成的角度，角度過小（＜75°），則熔接痕更容易產生，對成型零件的影響也越大。4組模擬中，最大熔接角均在140°左右，最小熔接角各有差異，分別為94.8°、70.7°、61.8°及80.5°，說明圖6（b）、（c）若在流動末端冷卻過快，則該位置易受熔接痕影響。

圖6 各組熔接痕分布

熔接痕處溫度分布如圖7所示，當溫度高于進料熔融溫度時，溫度越高產生熔接痕的幾率越小，對成型零件的影響也越小；若溫度低于或接近于零件熔融溫度時，溫度越低，熔接痕越容易產生，影響零件成型質量。4組熔接痕處溫度均高于進料熔融溫度，說明4組熔接痕位置可通過較高的熔體溫度降低熔接痕的影響。其中圖7（c）具有最高的平均熔接痕溫度（169℃），下限溫度也最高（161℃），這是由于從澆口至熔接痕位置的流動距離最短，溫度損失最低。綜合流動及熔接痕分析，4組均為合理設計，其中Ⅰ組受熔接痕影響最小，可作為首選設計。

圖7 各組熔接痕處溫度分布

3.2 收縮變形

金屬注射成型與普通注射成型類似，同樣存在凹痕影響。一般凹痕產生在厚度較厚的區域，由于在冷卻階段與模壁接觸的熔體率先冷卻硬化，而內部熔體才開始冷卻，因收縮拉扯表面冷卻熔體而造成凹痕。觀察4組凹痕位移指標可以發現成型零件可能產生凹痕的位置及深度，4組模擬凹痕位置幾乎一致，如圖8所示，色標由淺色至深色表示凹痕位移由小至大，最小凹痕為0顯示深色。產生凹痕的位置位于零件壁厚較厚的側平面至半腰處、壁厚突變的外槽兩側壁、半圓弧面處、平臺面A中部及其延伸曲面以及凹槽內部。

圖8 凹痕位置

通過分析各組凹痕位移分布比較凹痕位移量差異，圖9所示為各組凹痕位移量分布，Ⅲ組凹痕位移無論是平均值（0.007 8 mm），還是最大凹痕位移量（0.056 7 mm）都小于其他3組，其他3組平均值均為0.00 87 mm，最大凹痕位移量分別為0.063 5、0.064 2、0.063 5 mm。這是由于Ⅲ組的澆口最接近待成型零件中心，澆口至流動末端的距離最近，即流長比最小，澆口至產生凹痕處的距離也最短，保壓階段澆口至產生凹痕處的壓力損失也更小，能更有效地補縮，減小凹痕帶來的影響。

圖9 各組凹痕位移量分布

不同于普通注射成型的是金屬注射成型中，黏結劑中高分子因含量不多，所造成的凹痕影響也難以主導最終成型零件的變形量，而金屬粉末占據進料的大量體積，其粉末顆粒在注射過程中沒有任何變化。粉末與黏結劑之間只是簡單的混合，兩者之間并沒有產生實質性的連接體，在熔體流速過快時會產生粉末與黏結劑兩相分離的現象，導致局部區域內粉末濃度下降，部分區域內粉末濃度又偏高，這種情況下，雖然注射成型的毛坯件在尺寸上并沒有明顯的偏差，但毛坯件實際上已是非均質，經歷燒結工藝后，黏結劑被完全去除，原本粉末不均勻的問題才出現。一般粉末濃度高的區域產生的過大尺寸可經過后處理去除，而低粉末濃度的區域造成的缺料、不良收縮等會影響零件成型質量且無法挽回。通過粉末濃度模擬模塊，可以了解注射階段成型零件各區域大致的粉末濃度。為探討低粉末濃度區域，將4組色標均顯示60%粉末濃度以下的區域，如圖10所示。

圖10 各組粉末濃度小于60%區域

通過比較粉末濃度數值，Ⅲ組的粉末濃度最均勻，在59.867%～60.191%；而Ⅳ組差異最大，在58.508%～61.076%。在低粉末濃度區域分布上可以觀察到Ⅰ、Ⅱ組主要分布在凹槽兩側壁上，且在半圓弧薄壁處粉末分布最低，表明Ⅰ、Ⅱ組燒結階段在該處可能因粉末濃度不足導致不良收縮。Ⅲ組在凹槽兩側壁處的低粉末濃度區域明顯減少，在該處不良收縮的影響也更小，而其低濃度粉末區域主要集中在澆口端附近，該處并非尺寸要求較高處，造成的外觀不良可以通過后處理改善。Ⅳ組低粉末濃度區域覆蓋了整個成型零件，該設計不可取。

研究粉末濃度差異的原因，可將充填過程中的進料視為懸浮液，黏結劑為混合液體，粉末顆粒為懸浮顆粒粒子，剪切誘導了粒子遷移[14]。在不考慮懸浮液顆粒沉降及顆粒布朗運動，且流動充分的情況下，流體在管截面不同同心圓處流速不同，但其分布維持不變，如圖11所示，圓管截面下流體流速成一梯度，管中心流速最大，管壁處流速最小，截面的流動波前呈拋物線狀。

圖11 粉末流動狀態

流體的速度越大，粒子濃度越大，顆粒半徑越大，粒子的遷移現象越明顯，粉末濃度分布也越不均勻。另外金屬粉末粒徑在實際狀況中并不是均勻粒徑的顆粒，是一個多元的懸浮液體系，小粒徑的粒子會在高剪切的管壁附近聚集，大粒徑的粒子逐漸開始下沉，這使粉末的最終濃度分布更復雜。

3.3 翹曲

金屬注射成型同樣受成型條件、模具冷卻、零件外形設計和進料特性等因素的影響導致成型零件不均勻收縮的翹曲現象。當成型零件是配合件且因變形量超過公差時，成型零件將無法正常組裝，必須控制成型零件所允許的翹曲量值。該零件的裝配主要在凹槽處，必須考慮凹槽兩側壁內縮狀況，圖12所示為4組側壁相對方向上的翹曲位移量分布及變形量最大位置，發現Ⅲ組具有最小的翹曲位移量，但在其兩側壁位移最大量超過了0.05 mm，這僅是注射階段所產生的翹曲，再在燒結階段體積收縮后，翹曲量將增大，達不到設計要求。通過更改注射工藝，翹曲量不一定會得到改善，需要對后續工藝進行優化，如增設起支撐作用的隨形墊塊。

圖12 各組翹曲位移量

通過對4組模擬結果進行比較，4組熔體均可以完全充填型腔且不受熔接痕的影響，但考慮變形及翹曲因素，Ⅲ組為最優設計。另外考慮凹槽兩側壁過大的翹曲量，增設隨形的燒結墊塊設計，用于防止該處不良變形的產生。墊塊與待成型零件1模2腔注射，注射完成后立即在墊塊表面噴涂微米級氧化鋁粉并裝配至凹槽。墊塊不僅起支撐作用，還可使零件豎起燒結，使燒結空間得到優化，提高了燒結爐的利用率。墊塊與成型零件有相同的收縮率，為成型零件均勻收縮提供了保證，圖13所示為設計的隨形墊塊、流道及其裝配。

對最終成型零件進行尺寸測量并裝配，外槽處平整且符合要求，配合件可順暢通過凹槽，但在平臺面A處與配合件之間沒有完全貼合，存在約0.37 mm的間隙，且整體尺寸縮短約0.29 mm，如圖14所示。究其原因可能是成型零件厚度過大，導致較大收縮量造成的，通過對成型參數進行優化，如表2所示，將澆口增加至9 mm2，試模后的成型零件如圖15所示，間隙縮小了40%，尺寸偏短量改善了24%，但仍然在公差外，需要通過后續修改模具來改善。