基于熱流道技術的節能環金屬粉末注塑模設計

張維合，蔡婷婷，袁 媛，黃 坤

(廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523083)

0 前言

醫療器械中的零件精度高、強度高、造型復雜，所使用的材料及制造工藝向來都是要求極為嚴格的。金屬粉末精密注射成型技術稱為第五代金屬成型技術(前四代技術分別為鑄造技術、鍛造技術、機械加工技術和沖壓技術)，又稱Metal Injection Molding(MIM)技術，它可以用制造塑料零件的方法來生產不銹鋼等金屬零件，因其可以一次性生產形狀復雜的金屬零件，且周期短，精度高，材料利用率高，故在歐美日等國家的醫療器械上的應用越來越廣泛[1]。本文詳細介紹了一副某款醫用X射線攝影設備中不銹鋼節能環的金屬粉末注塑模具結構，模具采用熱流道和側向抽芯技術，有一定的創新性和先進性，其成功經驗值得同行借鑒。

1 零件結構分析

節能環材料為不銹鋼，詳細結構見圖1，最大外形尺寸為107 mm×55 mm×25 mm，由于結構復雜，生產批量較大，采用傳統的機械加工方法很困難，經研究和分析，決定采用金屬粉末精密注射成型，成型后的坯件再經過脫脂燒結最后得到圖示所示尺寸的零件。注射成型黏合劑為ABS樹脂，體積占比15 %。

根據注射成型原理，模具的分型面空間形狀較為復雜，必須有良好的定位機構。其次，坯件有4處與脫模方向不一致的側向倒扣，必須采用側向抽芯機構，且結構較為復雜。第三，坯件加強筋(其實主要起散熱作用)數量多，高度尺寸較大，熔料填充和坯件脫模都比較困難[2]。

(a)主視圖 (b)E-E剖視圖 (c)F-F剖視圖圖1 節能環零件圖Fig.1 Energy saving ring drawing

2 模具結構設計

坯件屬于細長型結構，但二側有側向抽芯機構，模具只能采用1模1腔，模架采用標準二板模模架CT-2330-A70-B80，最大外形尺寸為長300 mm，寬230 mm，高250 mm。為改善熔料填充，澆注系統采用單點開放式熱流道[3]，側向抽芯機構分別采用“斜導柱+滑塊”和斜頂結構。根據金屬粉末和ABS樹脂的配比，收縮率取13 %。模具詳細結構見圖2。

2.1 成型零件設計

成型坯件結構復雜，加強筋多且高，為改善排氣，方便脫模，模具成型零件采用鑲拼式結構，動模成型零件由動模鑲件10、側抽芯7、23、29，斜頂36以及和動模型芯34組成，定模成型零件由定模鑲件4、定模型芯27和加強筋鑲件28組成。由于“金屬粉末/ABS樹脂”熔料對模具型腔磨損較大，鑲件材料全部采用優質耐磨模具鋼S136H，而且對型腔表面進行滲氮處理，以提高其耐磨度。又由于“金屬粉末/ABS樹脂”熔料流動性較差，所有成型零件的成型面都必須拋光至粗糙度Ra0.4 μm，以減小流動阻力[4]。

2.2 側向抽芯機構設計

零件有四處與開模方向不一致的倒扣結構，必須進行側向抽芯。模具側向抽芯機構數量多，結構復雜，是模具的主要結構。其中外側3個倒扣S1、S2和S3均采用“斜導柱+滑塊”組合側向抽芯結構，定位零件均采用DME定位夾[4]。滑塊和側抽芯采用鑲拼結構，通過螺釘聯結，方便維修和保養。倒扣S4則采用“斜頂+導向底座”組合結構，斜頂在抽芯過程中在導向底座的T形槽內橫向滑動。斜頂傾斜角度為6 °[5]，見圖2。S1、S2和S3在開模過程中完成抽芯，S4則在坯件脫模過程中完成抽芯。

2.3 澆注系統設計

不銹鋼粉末價格昂貴，其粉末和ABS樹脂熔料導熱性好，凝固快，流動性較差，澆注系統設計是模具設計的重點也是難點。模具為單型腔，型腔在模具中間，熔料只能從型腔中間進入。模具澆注系統要么采用三板模架點澆口澆注系統，要么采用二板模架熱流道澆注系統。采用熱流道澆注系統的優點是顯而易見的，其一是模架簡單，不需要采用定距分型機構；其二是完全消除了流道凝料，減少了金屬粉末廢料，大大節省了成本；其三是無流道，熔料直接進入型腔，可以大大縮短熔料的填充時間和冷卻時間，從而大大提高了模具的勞動生產率；其四是減少了熔料對模具的磨損，大大提高了模具的使用壽命和企業的經濟效益[6]。但因“金屬粉末+ABS樹脂”熔料對熱射嘴的磨損較嚴重，采用熱流道有一定的風險，而國內這方面研究成果又不多,實際應用更少。為解決這個問題，我們采用單點式熱流道，開放式熱射嘴(見圖2(b)，熱射嘴采用歐洲HASCO標準，內側為超細晶粒硬質合金，外側為淬火工具鋼[7]。

2.4 溫度控制系統設計

為保證成型坯件精度，金屬粉末注塑模具模腔內的溫差不能超過±1. 5 °, 另外，金屬粉末和ABS樹脂混合熔料的導熱性比單純的ABS樹脂好很多，熔料熱量多且傳給模具的速度快，所以模具必須設計平衡且高效的冷卻系統，將成型周期控制在合理范圍內。由于成型坯件在脫模之前始終包住動模型芯及側向抽芯，故熔料主要熱量都傳給了動模，模具的溫度控制系統也主要布置在動模一側[8]。模具冷卻水路平面布置圖見圖3，剖視圖見圖2(b)和(c)。模具共設計了7組冷卻水路，其中動模側共5股，包括動模B板11、動模鑲件10和3個側抽芯7、23和29各一股；定模側2股，包括定模A板3和定模鑲件4內各一股。定模鑲件4和動模鑲件10內的水路由“直通式水管+隔片式水井”組成。定模A板3內冷卻水路主要布置在熱射嘴附近，這個地方溫度較高。動、定模冷卻水的出入口主要布置在非操作側，這樣不會影響成型坯件取出。模具內所有直通式水管直徑取6 mm，水井直徑取10 mm[9]。實踐證明，模具冷卻系統設計科學合理，有效保證了坯件的尺寸精度和模具的勞動生產率，成型周期成功控制在22 s之內。

3 模具工作過程

(1)模具在注塑機上安裝后拆除鎖?？?2；(2)將不銹鋼粉末和ABS樹脂按8.5∶1.5體積比均勻混合，通過注塑機料筒加熱至200 °，經開放式熱射嘴26注入模具型腔；(3)冷卻固化后，模具從分型面I處打開；(4)在開模過程中，左右斜導柱5和下方斜導柱31分別撥動左右滑塊6和下方滑塊30進行側向抽芯；開模距離350 mm，由注塑機控制；(5)完成開模行程后，注塑機頂棍通過連接件17推動推件固定板14和推件底板15，進而推動推桿12和斜頂36,一邊進行內側抽芯，一邊將成型坯件推離動模；(6)坯件取出后，注塑機拉動推件固定板及推桿、斜頂復位，接著推動動模合模，在合模過程中，楔緊塊8和32推動滑塊復位，模具接著下一次注射成型。

4 結論

(1)模具采用熱流道澆注系統，成功解決了型腔復雜，熔料填充困難的問題，同時節省了貴重的不銹鋼材料，降低了注射周期，提高了模具使用壽命，最終大大提高了企業的經濟效益；

(2)模具采用“斜導柱+滑塊”及斜頂側向抽芯機構，成功解決了坯件外形倒扣多，脫模困難的問題；

(3)模具采用“直通式冷卻水管+隔片式水井”組合式溫度控制系統，成功解決了不銹鋼金屬粉末和ABS樹脂混料導熱快，模溫不均衡的問題，成型坯件無變形，成型周期22 s，約為同類型坯件成型周期的85 %；

(4)模具投產后，運行平穩安全，成型坯件經燒結后線性尺寸公差達到了基本尺寸的±0. 4 % 范圍之內，角度的公差達到了±0. 5 °，表面粗糙度達到Ra0.8 μm,全部達到了設計要求，說明模具結構、粘結劑配比以及選取13 %的收縮率完全正確。