黃樹(shù)發(fā)，陳禮仁，吳昊，王柱，王天雷

（1.江門市前通粉末冶金廠有限公司，廣東 江門 529000；2.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020）

0 引言

金屬注射成形（Metal Injection Molding，MIM）是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一項(xiàng)成形新技術(shù)[1]，其基本工藝過(guò)程如圖1所示，先將微細(xì)金屬元素或預(yù)合金粉末與高分子有機(jī)粘結(jié)劑在一定溫度下按一定比例和工藝混合成均勻的粘塑性流體，在加熱狀態(tài)下經(jīng)注射成形機(jī)將其注入模腔內(nèi)冷凝成形；然后用化學(xué)溶解或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除；最后經(jīng)燒結(jié)致密化形成高性能制品。MIM最大特點(diǎn)是可直接制造出具有尺寸精度高、組織均勻、性能優(yōu)異的最終形狀的零部件，且生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，材料利用率幾乎可達(dá)100%，生產(chǎn)成本為傳統(tǒng)成形工藝20%～60%。目前，采用MIM技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已廣泛用于兵器、醫(yī)療、電子、汽車、農(nóng)機(jī)和家用電器等行業(yè)[2-6]。

圖1 金屬粉末注射成形的基本工藝

沙冰機(jī)是專門為制作沙冰、雞尾酒和冰鎮(zhèn)卡普奇諾等冰飲所提供沙冰的小型電器，全球市場(chǎng)需求量大，工作時(shí)刀葉通過(guò)高速撞擊、切割，將冰塊擊碎成細(xì)軟的沙冰。目前，市面上沙冰機(jī)的碎冰刀結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，多為不同形狀葉片疊合組裝而成[7-8]，如圖2所示，其工作轉(zhuǎn)速通常為500～1500 r/min。多葉片組裝而成的冰刀加工工序多，制造成本較高，使用時(shí)組裝、清洗、維修保養(yǎng)繁瑣等。

圖2 葉片疊合組裝碎冰刀

針對(duì)多刀片組裝結(jié)構(gòu)的存在問(wèn)題，本文采用MIM技術(shù)制作的一體化的不銹鋼碎冰刀，如圖3所示。對(duì)其工藝參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析與研究，并設(shè)計(jì)了碎冰刀的金屬注射成形模。

圖3 一體式碎冰刀

1 零件的結(jié)構(gòu)分析

一體式碎冰刀將原來(lái)多個(gè)不同形狀的葉片制成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、清洗維護(hù)方便、大批量生產(chǎn)性價(jià)比高等特點(diǎn)。碎冰刀如圖4所示，主要有以下幾個(gè)特征：（1）四片刀葉設(shè)計(jì)成中心對(duì)稱，并按75°和105°周向非均勻分布，避免在碎冰工作時(shí)產(chǎn)生周期性沖擊，引起振動(dòng)。（2）四片刀葉在旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)成圓弧狀，其中兩片沿刃口開(kāi)有矩形齒；（3）碎冰刀輪轂軸處有一寬4 mm、深2.5 mm的凹槽，一側(cè)帶有傾角；（4）內(nèi)孔設(shè)計(jì)了7條均勻分布的高2.5 mm、寬3 mm的凸筋、凸筋螺旋角為30°（左旋），凸起部分，與驅(qū)動(dòng)軸配合連接傳遞扭矩，有一定的精度要求。

圖4 碎冰刀的MIM零件結(jié)構(gòu)

左旋的凸筋的主要作用：工作時(shí)，連接電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)方向與碎冰刀要求的旋向一致時(shí)，碎冰刀受到冰塊的作用，周向力使其沿左旋凸筋朝下進(jìn)一步鎖緊；當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)方向與碎冰刀要求的旋向相反時(shí)，碎冰刀受到冰塊的作用，可自動(dòng)與驅(qū)動(dòng)軸分離，確保工作安全。碎冰刀要求的旋轉(zhuǎn)方向如圖4所示。

綜上所述，碎冰刀具有尺寸小、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等特點(diǎn)，是一個(gè)典型的適合MIM技術(shù)制造的零件。采用MIM技術(shù)制造時(shí)，首先根據(jù)注射成形工藝特點(diǎn)對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和修改，調(diào)整和修改后的零件如圖4所示。成形后的制品只需對(duì)刀葉進(jìn)行磨削開(kāi)刃和表面等離子拋光處理，工藝簡(jiǎn)單，加工成本可大大降低。

2 碎冰刀粉末注射成形（MIM）工藝

MIM工藝主要包括：（1）首先選擇符合要求的金屬粉末和粘結(jié)劑，將金屬粉末和粘接劑在合適的溫度下混合均勻后制成一定大小的顆粒；（2）再將金屬粉末顆粒經(jīng)注射成形機(jī)注射成形，成形后的零件毛坯經(jīng)過(guò)脫脂處理；（3）最后燒結(jié)成致密化的產(chǎn)品。此外，由于MIM技術(shù)所用粉末一般較細(xì)，產(chǎn)品燒結(jié)后可達(dá)到很高的密度，因此，MIM產(chǎn)品的力學(xué)性能一般都優(yōu)于粉末冶金模壓和精密鑄造產(chǎn)品，主要適合小型零件，通常質(zhì)量小于200 g。本文研究的碎冰刀質(zhì)量為61 g，批量生產(chǎn)有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

2.1 粉末選擇

MIM對(duì)粉末的要求較高，制備方法主要有羰基法、超高壓水霧化法和高壓惰性氣體霧化法等[9-10]。碎冰刀因其使用環(huán)境，要求具有一定的耐腐蝕性和強(qiáng)度，因此選用材料為不銹鋼630，主要成分如表1所示，不銹鋼粉末的物理性質(zhì)如表2所示。

表1 不銹鋼630材料成分配比（wt%）

表2 不銹鋼630粉末的物理性質(zhì)

表3 不銹鋼630粉末的力學(xué)性能

2.2 粘結(jié)劑選擇和脫脂工藝的確定

粘結(jié)劑具有增強(qiáng)粉體流動(dòng)性和維持坯塊形狀的兩個(gè)基本職能。碎冰刀的粘結(jié)劑采用熱塑性粘結(jié)劑，其配方為80%～90%的POM（聚甲醛），除此之外還有HLPE、EVA、SA等。脫脂方法為催化脫脂，在一定的溫度下通入催化劑，并通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛脫除POM。脫脂速率過(guò)快易造成產(chǎn)品開(kāi)裂、表面發(fā)麻等缺陷，一般脫脂速率按1～2 mm/h，脫脂工藝參數(shù)控制如圖5所示。

圖5 碎冰刀脫脂/燒結(jié)工藝圖

2.3 注射料的混煉、制粒和成形

確定粉末和粘結(jié)劑后，將粉末和粘結(jié)劑按50%的裝載量（體積分?jǐn)?shù)）在雙行星混煉機(jī)上混煉1.5 h，混煉溫度為(170±10)℃。使粉末和粘結(jié)劑充分混合。然后在單螺桿擠出裝置上制粒，溫度在110～130℃。制粒完成后，采用MIM-130型注射機(jī)注射成形。

2.4 尺寸確定和尺寸精度控制

零件線收縮率LS（Linear Shrinkage）可表示為：

式中：Di為成形坯的密度；Df為燒結(jié)體密度；WL為成形坯從成形至燒結(jié)后失重的分?jǐn)?shù)。

由式（1）可知，零件線收縮率和成形坯和燒結(jié)體密度以及成形坯從成形至燒結(jié)后失重的分?jǐn)?shù)有關(guān)，成形坯和燒結(jié)體密度可由試驗(yàn)得出，成形坯從成形至燒結(jié)后失重的分?jǐn)?shù)和裝載量有關(guān)。由于碎冰刀徑向尺寸比軸向尺寸大，后續(xù)無(wú)機(jī)加工，其余尺寸對(duì)零件工作性能影響不大，因此，注射模具設(shè)計(jì)時(shí)線收縮率按16.5%設(shè)計(jì)。對(duì)尺寸要求較高的零件，可用試驗(yàn)方法精確得出零件各個(gè)方向的線收縮率。

對(duì)式（1）微分，得：

最大線收縮率偏差，即尺寸公差maxdLS可用下式計(jì)算：

式（3）將制品尺寸精度與MIM過(guò)程的各工序聯(lián)系起來(lái)了。

為滿足零件尺寸精度要求，需控制上述各步驟中坯塊密度和失重的偏差。

2.5 預(yù)燒結(jié)和燒結(jié)

脫脂完成后需在真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程可分為以下4階段，如圖5所示。（1）負(fù)壓脫脂。主要是用于去除催化脫脂殘留的POM及其它粘接劑，通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體進(jìn)行加熱，脫脂升溫速率一般控制在2～4℃/min。（2）真空燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)爐內(nèi)真空度為20 Pa，溫度為800～1050℃，燒結(jié)時(shí)間為140 min，實(shí)現(xiàn)粉末冶金零件的除氧除碳。（3）分壓燒結(jié)。分壓燒結(jié)與真空燒結(jié)在同一燒結(jié)爐中進(jìn)行，通入氬氣作為保護(hù)氣體，溫度控制在1050～1300℃，燒結(jié)時(shí)間為450 min，溫升速率一般控制在2～4℃/min，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品金屬化、致密化。（4）強(qiáng)制冷卻。

2.6 后處理工藝

后處理工藝包括：對(duì)碎冰刀刃口的磨削開(kāi)刃；等離子表面拋光處理。

3 碎冰刀注射成形模具

3.1 模具設(shè)計(jì)

MIM注射成形模具除了要考慮金屬粉末的流動(dòng)性能外，還要考慮制件脫模后的燒結(jié)和脫脂工藝。在選取收縮率，確定尺寸精度、型腔粗糙度、模具的強(qiáng)度剛度、模具材料和制件的脫模等系統(tǒng)等[11-12]。碎冰刀注射模為1模1腔，澆注系統(tǒng)采用2個(gè)點(diǎn)澆口，三板模共有2個(gè)分模面Ⅰ與Ⅱ，模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 碎冰刀模具結(jié)構(gòu)

3.1.1 注射成形零件設(shè)計(jì)

由于制件體積不但在注射成形時(shí)會(huì)收縮，燒結(jié)脫脂時(shí)還會(huì)大大收縮[4]，所以模具收縮率取為16.5%；為減小脫模力、易于脫模，脫模斜度選取為2°；型腔粗糙度取Ra0.4μm；尺寸精度不同，模具各零件配合精度要求高，喂料對(duì)縫隙敏感，制件極易產(chǎn)生飛邊，因而要求在分型面加工精度要高，貼合要緊密；由于喂料中有金屬粉末，使型腔摩擦力和磨損更大，須采用耐磨鋼材，并淬火或表面滲氮處理。模仁采用DC53鋼材，淬火至HRC52～54。模架材料為S50C。

3.1.2 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)MIM注射模非常重要，不銹鋼粉末的塑料熔體對(duì)縫隙極其敏感，很易產(chǎn)生飛邊，因此排氣系統(tǒng)的深度比普通注塑模具小很多，否則就會(huì)出飛邊[13-14]。本文設(shè)計(jì)的MIM注射模具排氣槽采用電極加工，排氣槽深度均取0.01～0.02 mm，寬度為10 mm，可確保零件成型時(shí)沒(méi)有毛刺。

3.1.3 抽芯機(jī)構(gòu)

本模具有2個(gè)抽芯機(jī)構(gòu)：（1）側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。由斜導(dǎo)柱5、斜滑塊6，頸部成形抽芯9等組成。開(kāi)模時(shí)，動(dòng)模部分向后移動(dòng)，注塑機(jī)上的開(kāi)模力通過(guò)斜導(dǎo)柱帶動(dòng)側(cè)型芯滑塊，使其在動(dòng)模板的導(dǎo)滑槽內(nèi)向外滑動(dòng)，直至側(cè)型芯滑塊與制件完全脫開(kāi)，完成側(cè)向抽芯動(dòng)作。制件仍在型芯上，隨著動(dòng)模繼續(xù)后移，直到模具頂桿與模具推板接觸，推出機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，推桿將制件從型芯上推出。（2）螺旋芯子抽芯機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由螺旋芯子12、螺旋銅套13、螺旋芯子固定板14等組成。螺旋芯子的成形部位與導(dǎo)向部位的旋向與螺旋角一致，如圖7所示。

圖7 螺旋芯子

3.1.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該模具為1模1腔，為了減小流動(dòng)阻力，澆注系統(tǒng)采用2個(gè)點(diǎn)澆口，位置如圖4所示。熔體由點(diǎn)澆口直接進(jìn)入模具型腔，點(diǎn)澆口流道細(xì)部直徑為φ2.5 mm。

3.1.5 脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注射成形的坯件的塑性和剛性都較差，必須合理布置推出頂桿，否則很容易坯件變形甚至斷裂。根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具采用了由5根頂桿組成的聯(lián)合推出機(jī)構(gòu)，其中頂桿14安放在中心位置，通過(guò)螺旋芯子11的中心通孔頂?shù)街萍闹行奈恢?，另?根分別頂?shù)街萍~片端部垃圾包（是成形后需去除工藝位置，如圖8所示）。實(shí)驗(yàn)證明，5根頂桿的分布可確保制件推出平穩(wěn)，無(wú)損壞。

圖8 垃圾包位置

3.2 模具工作過(guò)程

模具工作具體過(guò)程如下：

（1）喂料“金屬粉末+POM等”在高壓下通過(guò)點(diǎn)澆口注入模具型腔，同時(shí)嚴(yán)格控制注射溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間等，完成生坯成形；

（2）完成填充及冷卻成形后，分摸面Ⅱ打處開(kāi)，帶動(dòng)螺旋芯子12左移，由于受到固定的螺旋銅套約束，左移的螺旋芯子在移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，芯子成形部位與生坯脫離；

（3）完成螺旋芯子與生坯脫離后，分摸面Ⅰ處分開(kāi)，中模向左移動(dòng)，注塑機(jī)上的開(kāi)模力通過(guò)斜導(dǎo)柱帶動(dòng)側(cè)型芯滑塊，使其在動(dòng)模板的導(dǎo)滑槽內(nèi)向外滑動(dòng)，直至頸部成形抽芯與生坯完全脫開(kāi)，完成側(cè)向抽芯動(dòng)作；

（4）側(cè)向抽芯完成后，制件仍在型芯上，隨著動(dòng)模繼續(xù)左移，直到模具頂桿與模具推板接觸，推出機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，推桿將生坯從型芯上推出，完成全部開(kāi)模行程；

（6）模具完成一次注射成形后，注塑機(jī)推動(dòng)動(dòng)模合模，斜導(dǎo)柱推動(dòng)滑塊及側(cè)向抽芯復(fù)位，復(fù)位桿58推動(dòng)推件固定板及全部推件復(fù)位；模具接著下一循環(huán)的注射成形。

4 碎冰刀力學(xué)性能和尺寸精度

制件完成后，結(jié)構(gòu)尺寸均滿足精度要求，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，基本達(dá)到了機(jī)械加工零件的性能指標(biāo)。滿足使用要求。其余部位無(wú)需機(jī)械加工。

表4 不銹鋼630碎冰刀的力學(xué)性能

表5 不銹鋼630碎冰刀用戶驗(yàn)收檢測(cè)報(bào)告（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）MIM是一種能夠制造復(fù)雜異形零件的高新技術(shù)，生產(chǎn)的產(chǎn)品由于組織均勻，性能優(yōu)異，尺寸精度高，幾乎不需要進(jìn)行二次機(jī)械加工，適用于小尺寸、非對(duì)稱、任意曲面、復(fù)雜零件的制造，具有廣闊的發(fā)展前景。

（2）用MIM技術(shù)制造的一體式碎冰刀與組合式碎冰刀相比較，工藝大大簡(jiǎn)化，成本低，力學(xué)性能和尺寸精度滿足使用要求，表明本文采用的粘貼劑配方、裝載量、脫脂和燒結(jié)等工藝參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

（3）碎冰刀金屬粉末注射模采用側(cè)向抽芯和螺旋芯子抽芯方法解決了脫模困難問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)證明了該設(shè)計(jì)的合理性。

（4）對(duì)制品碎冰刀檢測(cè)表明，其致密度達(dá)99%，表面粗糙度值達(dá)Ra0.8～1.2μm，尺寸精度和力學(xué)性能等均達(dá)到客戶要求的指標(biāo)。