基于PA承載的NdFeB磁感器注射模設計

劉 俊， 溫 瑞， 肖國華， 劉 軍

（1.寧波守正磁電有限公司， 浙江， 寧波 315000； 2.浙江工商職業技術學院， 浙江 寧波 315412； 3.重慶市科能高級技工學校， 重慶 400037）

0 引 言

電子產品中常用的磁性材料有永磁材料和軟磁材料2種類型，永磁材料的特點是具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁等，生產實踐中的永磁材料工作于深度磁飽和環境，或者充磁后磁滯回線的第二象限退磁部分。常用永磁材料有2種類型，一類是合金永磁材料，包括稀土永磁材料（釹鐵硼Nd2Fe14B）、釤鈷（SmCo)、鋁鎳鈷（AlNiCo）；另一類是鐵氧體永磁材料。常用軟磁材料有3種類型：①軟磁金屬材料，包括純鐵、低碳鋼、鐵—硅合金（硅鋼片）、鐵—鎳合金、鐵—鋁合金、鐵—鋁合金等；②鐵氧體軟磁材料；③非晶態磁性合金，俗稱金屬玻璃。磁性零件成型工藝中粉末冶金起著重要的作用，粉末冶金的中間工藝需要將粉末通過特定成型方法獲得磁性零件形狀后，再進行燒結而獲得最終磁性材料元器件[1-4]。成型方法包括粉末壓制成型、粉末注射成型、粉末壓延成型和粉末擠出成型。這些成型工藝方法中粉末無法獨立結合構成穩定形狀，需要使用中間粘接劑與一些輔助添加劑才能保證粉末燒結前獲得穩定的形狀。

對于復雜結構磁性元件，多采用注射成型獲得中間工藝磁性元件形狀后再進行燒結成型，獲得磁性零件?，F針對某NdFeB磁感器元件的中間體成型，設計了一種基于尼龍（PA1010）作為粘接劑的注射成型模具，較好地實現該磁性元件的高效生產。

1 NdFeB磁感器元件

NdFeB磁感器如圖1所示，為E形件，總寬度為59 mm，3個分支叉中，單個分支叉的長度為26 mm，厚度為7 mm，分支叉有兩層，單層厚度為2 mm。零件充磁后連接橫梁為磁極S極，3個分支叉為磁極N極。

圖1 NdFeB磁感器

2 NdFeB磁感器粉末冶金成型工藝

NdFeB磁感器采用粉末冶金成型的工藝路線：Fe-Nd-B合金成分設計→母合金冶煉→快淬非晶薄帶處理→晶化提高矯頑力→機械球磨預處理粉末→粘結劑+添加劑（偶聯劑、潤滑劑以及抗氧劑）→密煉機共混→螺桿機擠出造?！⑸涑尚痛朋w→充磁→磁體[5-8]。該工藝獲得的磁體具有各向同性，磁體目標物理參數：剩磁Br=0.52～0.71T，內凜矯頑力Hci=660～750 kA·m-1，最大磁能積（BH）max=68～76 kJ·m-1。其中注射成型步驟：模具閉合→注射→保壓（同步進行磁場增強取向∕預塑）→冷卻→開模取件。

3 注射材料

注射材料為一種復合材料，材料組成包含磁粉、粘結劑、添加劑、偶聯劑、潤滑劑以及抗氧劑。磁粉牌號為MQP-13-9，其物理參數如表1所示。

表1 MQP-13-9物理參數

磁粉粉粒以較粗大的顆粒120目為主（70%），較細小的顆粒200目為輔（30%），這樣有利于減小空隙率，提高松裝密度，改善流動性，造粒劑含量為0.3%。粘接劑采用牌號PA1010的尼龍材料，因其具有低吸水率、較好的尺寸穩定性、突出的耐磨性和自潤滑性，可以在輕負荷、溫度不高、濕度波動大、無潤滑或者少潤滑的條件下使用。添加劑總含量為11.2%，其中偶聯劑使用硅烷偶聯劑（3%），使用0.5%的鈦酯（5%）對磁體進行處理，抗氧劑1.2%，潤滑劑2%?；鞜捁に嚋囟葹?05～215 ℃∕6 min。

4 注射成型工藝難點

NdFeB磁粉注射成型的難點如下[9]：①粉末裝載量在粘接PA1010中裝載量越高，注射時混合料的流動黏度越大，當裝載量達90%以上時，混合料的黏度比純尼龍材料的流動黏度大2～3個數量級，流動性變差；②因磁粉的存在，混合料在流動過程中對模具成型零件表面產生大的摩擦力，且料流內磁粉顆粒間存在摩擦，容易產生摩擦熱；當注射速度提高時，磁粉對尼龍PA1010產生較大的剪切熱，這些熱量的增加容易使尼龍產生燒焦問題；③磁粉不能和模具流道零件與型腔成型零件之間產生吸引力，否則磁粉容易團聚，不利于型腔充填；④推桿不能使用能與磁粉產生吸引力的材料，否則成型零件無法與推桿自動分離；⑤熔融PA1010料中的硬質磁粉顆粒在高速充填時，容易對型腔壁面產生較大的磨損，導致型腔受損而過早失效；⑥對于注塑機的螺桿長徑比還沒有較為科學的設計參考數據，只能憑經驗對注塑機螺桿進行設計，過高的注射壓力會導致剪切過熱，對于采用PA1010做粘結劑的NdFeB磁感器成型，依據尼龍的特性，注射噴嘴溫度設置為（265±3）℃，注射壓力控制在6 MPa左右，保壓壓力為4.5～5 MPa，單段保壓，保壓時間為6 s；⑦充磁次數須進行試驗檢驗后再確定模具中的勵磁次數。

5 注射模設計

5.1 型腔設計

依據塑件特點，擬采用兩板模來實現中間件的注射成型，成型零件采用鑲件形式。模具設計核心在于型腔板鑲件的設計，如圖2所示。以待成型塑件的最大外沿輪廓作為分型面，使用單點澆口澆注，潛伏式澆口G0設在偏離待成型塑件幾何中心的位置，距離幾何中心14.5 mm。使用潛伏式澆口有利于流動廢料自動脫模，潛伏式澆口直徑為φ1.5 mm，必須比普通澆口大，以免澆口剪切力過大及型腔充填不足。型腔板鑲件1和型芯鑲件3分別設置φ8 mm冷卻水道C1、C2，冷卻水道沿塑件外邊包圍布置，使型腔獲得最大效能的冷卻。

圖2 型腔板設計

考慮磁吸引問題，型腔板鑲件1、滑塊鑲件2、型芯鑲件3都使用不導磁材料304不銹鋼，鐵芯4、5、6、7使用GGrl5鋼導磁鋼。保壓過程中磁粉需要有磁場取向，使粉末的磁化方向與外加磁場的方向相同。取向用的線圈分別安裝在模具定模和動模上，鐵芯4、5為一磁通路，鐵芯6、7為一磁通路，當線圈通電時，通過2組鐵芯對中間成型件進行磁力導向。為保證中間成型件導磁后獲得冷卻，型腔板鑲件1、型芯鑲件3分別使用φ8 mm冷卻水道進行冷卻，冷卻水速率和冷卻時間須待中間成型件磁性能檢驗后進行工藝參數優化調整再確定。

5.2 模具結構布置

模具采用兩板模結構，動模布置如圖3所示，模具為1模1腔布局。動模側布置有1個滑塊機構M1用于滑塊鑲件2的抽芯；模架使用4根導柱8進行導向，4根復位桿10進行復位。型芯鑲件3用4個螺釘9緊固安裝在動模板12的鑲件槽內。模架尺寸為280 mm×250 mm。

圖3 動模布置

定模布置如圖4所示，定模主要布置型腔板鑲件1、鎖緊塊13、滑塊機構M1的斜導柱14、澆口套15、定位圈16、電磁線圈組件17、導套18。澆口套15使用不導磁材料304不銹鋼制作。電磁線圈組件11、17配合磁極需要進行接線設置。

圖4 定模布置

5.3 模具裝配及工作原理

模具結構如圖5所示，澆口套沉入定模座板以縮短流道長度，拉料桿21和推桿22都采用不導磁材料304不銹鋼制作。使用彈簧27對推板23進行復位，滑塊機構M1的滑塊29安裝在動模板上，由限位螺釘28進行限位，滑塊29兩側設置有導向壓條，用于滑塊的滑出導向。模具只開模一次（PL面），模具合?？偢叨葹?76 mm。

圖5 模具結構

模具裝配時須注意的問題：①模具所有活動部分應保證位置準確，動作可靠，不能出現斜歪和卡滯現象，固定零件不能竄動；②合模后分型面應緊密貼合，成型部位的固定鑲件配合處應緊密貼合，如有局部間隙，其間隙應小于塑料的溢料間隙；③裝配后進行試模驗收，脫模機構不能有干涉現象，塑件成型質量要達到設計要求，否則應修模再試；④導柱、導套對動、定模安裝面的垂直度按CB∕T 12556設計。

模具安裝在注塑機上后，通過以下步驟實現其功能。

（1）合模。模具在注塑機上合模，注塑機炮筒熔料后等待注射。

（2）注射。注塑機通過噴嘴將熔融塑料注入型腔，經充填后切入保壓狀態。

（3）充磁。保壓過程中電磁線圈組件17導電，對磁粉進行充磁，塑件完成磁極定向。

（4）冷卻。冷卻水對型腔實施冷卻，使塑件冷卻到推出的溫度后開模。

（5）開模。注塑機滑塊拉動動模下行，模具在PL面打開，塑件從型腔板鑲件1中脫出，留于型芯鑲件3上，同時斜導柱14驅動滑塊29完成側抽芯。

（6）推出。動模退到一定位置后，注塑機頂桿推動推板23，推板23推動拉料桿21與推桿22等將流道廢料和塑件推出，實現成型塑件的完全脫模。

（7）復位。推板23先復位，動模上行直至模具在PL面處閉合，開啟下一次注射循環。

5.4 設計討論

模具經試模后，對工藝參數進行如下調整：對于尼龍PA1010粘結劑體系，混合料注射溫度控制在266 ℃、成型注射壓力5.8 MPa、保壓壓力4.88 MPa、保壓時間5.6 s時，能獲得最好的磁體性能；模具溫度較佳為80 ℃，成型磁體在充磁磁場的作用下，充磁2次即可達到磁體性能設計目標。

6 結束語

介紹了某磁感器采用NdFeB磁粉粉末冶金成型的過程，針對粉末冶金的中間體注射成型，介紹了其材料的構成特點，并分析了注射成型工藝難點，設計了1模1腔兩板注射模。與普通塑料注射模不同的是，該模具設置了電磁線圈組件，與磁粉接觸的成型零件和推出零件材料須選用不導磁的304不銹鋼。