照門座金屬粉末注射成形數值模擬及試驗研究

張 馳,高炳楨,周 濤,康彥東,趙隨波,楚夏威

(1.重慶理工大學， 重慶 400054；2.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室(重慶理工大學)，重慶 400054)

1 引言

金屬粉末注射成形技術是近年來發展趨勢較快、市場前景廣闊的新型成形技術，是當今最熱門的零部件成形技術。在注射工藝中，涉及注射壓力、注射溫度、注射速度等工藝參數。通過數值模擬優化工藝參數，減少生產過程中試模的次數和廢品數量，提高生產工藝效率和工藝經濟性。

利用計算機對金屬粉末注射成形過程進行模擬分析，能夠對制品模具設計的合理性以及注射參數的設定提供參考依據，同時還能針對制品進行缺陷預測，減少試模次數，加快產品的研發。目前注射成形數值模擬軟件有很多種，其中Moldex 3D使用最廣泛，成為工業界主流的模擬分析軟件。Moldex 3D軟件利用計算機進行有限元仿真并構建了有效的數值計算方法，為使用者提供設計方案進行分析和模擬，協助使用者完成對各種復雜產品的分析處理。

照門座零件產品結構復雜，具有一定的斜度以及包括圓形通孔、環形槽、橢圓槽等多個復雜部分。該零件厚度分布不均勻，其中最薄為0.06 mm，最厚為14.521 mm。壁厚不均勻會造成零件冷卻不均勻，嚴重影響產品尺寸精度和技術要求。本文選取該零件作為研究對象進行數值模擬研究，合理制定注射參數，提高產品質量，為其他零件注射過程提供技術指導，推動工業現代化發展。

2 數值模擬過程與分析

2.1 試驗材料

實驗采用Fe4Ni0.5Mo金屬合金粉末與粘結劑(聚甲醛、高密度聚乙烯、硬脂酸等)混合而成的喂料。材料的質量分數如表1所示，照門座零件如圖1所示。零件使用Moldex 3D數值模擬軟件進行注射過程的模擬，通過分析熔體流動波前、翹曲變形，最終優化成形注射成形工藝參數。

圖1 照門座零件圖Fig.1 Scope-base parts

表1 材料質量分數Tab1 Material chemical composition

2.2 數值模擬過程

注射過程中涉及很多工藝參數，包括注射溫度、注射壓力、注射速度等。設定模具溫度為100 ℃，注射溫度為190 ℃，注射壓力以及流率分別為24 MPa、20 cc/sec，壓力、流率變化曲線見圖2與圖3所示，其注射成形工藝參數數值如表2所示。

表2 注射成形工藝參數數值模擬方案Table 2 Injection molding numerical simulation program

圖2 壓力變化曲線Fig.2 Pressure curve

圖3 流率變化曲線Fig.3 Flow rate curve

1) 產品網格劃分

對產品進行網格劃分，采用Moldex 3D中的Solid網格類型，對零件結構上會產生缺陷位置(圓孔、螺紋孔以及曲面)進行網格細節劃分。通過對這些位置進行局部撒點，增加網格數量，曲率得到細化，網格排布上更接近零件的實際形狀，模擬結果更加精確可靠。照門座件最終劃分的網格數量為241 949，網格劃分結果如圖4所示。

圖4 產品網格劃分示意圖Fig.4 Product meshing

2) 確定澆口位置

利用Moldex 3D數值模擬軟件，設計如圖5所示2種方案。

圖5 方案1(a)與方案2(b)澆口位置圖Fig.5 Option 1(a) and Option 2(b)

方案1在注射成形時最大流長比為17.22，喂料同時充滿模具型腔，但該澆口位置在零件表面，影響零件表面質量。方案2的最大流長比為21.61，在該材料的最大流長比33范圍內，澆口位置能夠滿足喂料熔體充滿模具型腔的要求，且澆口位置在零件的底部，在設計時可以采用潛伏式澆口，不會影響零件的表面質量。基于上述2種方案，選擇方案2為最終的澆口位置。

3) 設計冷卻系統

在注射成形工藝中，要對模具進行加熱，獲得無缺陷的注射生坯。隨著生產量的提高，需對模具降溫，確保產品質量結構和尺寸精度。設計冷卻系統原則為：① 冷卻回路數量越多，模具表面冷卻溫度均勻，變形小；② 產品壁厚不均勻，壁厚處應加強冷卻，冷卻通道間隔變小，并且適當靠近型腔。所以設計如圖6所示2種冷卻系統方案，設定冷卻液初始溫度為100 ℃，控制方式為溫度控制。相對應的冷卻效率對比如圖7所示。

圖6 方案1(a)與方案2(b)冷卻系統圖Fig.6 Cooling water circuit plan 1(a) and plan 2(b)

對比2種冷卻系統和冷卻效率可知，方案(a)為直通水路系統設計，尾部采用軟管連接，從圖7(a)可以看出，模具上下模的冷卻效率差別較大，上模冷卻效率為44.798%，下模冷卻效率為55.200%，其差值為10.402%，模具上下冷卻效果不均勻，成形坯易產生翹曲變形；方案(2)采用回路設計，從圖7(b)可以看出，模具上模冷卻效率為48.195%，下模冷卻效率為51.803%，其差值僅為3.608%，可認為模具上下模冷卻均勻，對成形坯產品尺寸精度幾乎影響。綜上所述，冷卻系統設計選用方案(b)。

圖7 方案(a)與方案(b)冷卻效率圖Fig.7 Cooling efficiency scheme one(a) and scheme two(b)

2.3 結果分析

1) 流動波前分析

流動波前主要用來判斷喂料熔體是否可以充滿模具型腔。通過數值模擬分析，根據模擬方案得到如圖8所示的流動波前結果。方案c喂料熔體當時間為1.043 s時，熔體停止流動，在模腔前段仍存在有未充滿的部分，說明注射壓力太小，無法使熔融狀態的喂料充滿模具型腔。若要想使喂料充滿模具型腔，則需要提高注射壓力。方案(a)、(b)在設定的參數下，均可以順利充滿模具型腔，充滿模具型腔的時間分別為0.457 s、0.369 s時間上相差不大，對兩者進行后續的數值模擬研究。

圖8 不同注射參數條件流動波前分析云圖Fig.8 Flow wavefront analysis under different injection parameters

充填時間越短，可以保證產品的致密度和較高精度。充填過程中的壓力分布會影響產品的變形，壓力分布不均勻，存在內應力，產品會發生變形。依據充填-壓力模擬過程如圖9所示，壓力分布均勻，產品無變形。

圖9 充填-壓力過程云圖Fig.9 Backfill-pressure process

2) 翹曲變形分析

翹曲變形與模具溫度差、注射壓力等有關，其中模具上下模溫度差影響效果顯著。模具上下模的溫度差值越大，越可能產生翹曲。翹曲變形是有規律的，翹曲平面往往是向高溫處彎曲。翹曲變形如圖10所示。

圖10 翹曲變形云圖Fig.10 Warpage deformation analysis

方案(a)、(b)在不同注射參數條件下的翹曲變形依次為0.161 mm、0.164 mm，可見方案(a)比方案(b)翹曲變形小。

圖11為翹曲體積收縮率的云圖，從色階圖中看出，方案(a)、(b)的體積收縮率為1.467%～2.869%、1.490%～2.896%，兩者的結果大體一致，但方案(a)收縮率偏小。

圖11 翹曲-體積收縮率云圖Fig.11 Warpage-volume shrinkage

綜上所述，當注射溫度190 ℃，注射壓力28 MPa，澆口流率20 cc/s時，即選擇方案(a)為注射成形過程數值模擬最優方案。

3 模具設計與制造

模具設計的主要問題就是零件的收縮率，零件在經歷脫脂、燒結工序后會有較大的尺寸變化。金屬粉末注射成形工藝中，零件的尺寸變化由燒結收縮率與燒結后零件的相對密度決定，收縮率與喂料中金屬粉末的裝載量有關，關系式如下：

(1)

式中：為零件的最后密度；為燒結材料的理論密度(<)。

收縮率是尺寸變化量與初始尺寸(圖面)的比值，基于工藝的成形性，獲得圖紙公差范圍內的尺寸。因此，在模具設計時，要對每個型腔的尺寸進行放大，用來補償燒結后尺寸的變化。

設圖紙的尺寸為，初始模具尺寸可通過型腔尺寸的放大系數來表示：

(2)

最后，模具型腔尺寸可以根據圖紙尺寸與模具放大系數來表示：

=

(3)

材料的理論密度進行計算：

(4)

其中：為理論密度；、、、…、為各個元素的密度；、、、…、為各個元素所對應的含量。

經計算可得，金屬粉末密度與粘結劑密度分別為：

=782 g/cm

=137 g/cm

假設燒結后的相對密度為97%，則燒結后的實際密度為7.585 4 g/cm。

由于該喂料的金屬粉末體積裝載量為58%，則材料的收縮率為：

將得到的值代入式(2)可得模具的放大系數為：

3.1 模具設計

在模具設計時，模具材料為Cr12鋼，其質量分數如表3所示。

表3 材料質量分數Table 3 Material chemical composition

1) 設計澆注系統

基于模具DFM分析以及數值模擬的結果，照門座件的澆口位置設定在照門座零件的底面上，澆口類型為含頂針式潛伏式澆口。

2) 設計冷卻系統

經數值模擬分析得出，設計的冷卻系統如圖12所示，可使上下模的冷卻效率基本一致，有效減少成形坯的翹曲變形。

圖12 冷卻系統示意圖Fig.12 Cooling system

3) 模具裝配圖

模具裝配圖如圖13。

圖13 模具裝配圖Fig.13 Mold assembly drawing

3.2 模具制造

喂料熔體在模具型腔表面高速流動會造成磨損，影響模具使用壽命。因此需對模具進行熱處理，提高模具的硬度與耐磨性，延長模具壽命。模具實物圖如圖14。

圖14 模具實物圖Fig.14 Mold physical map

4 試驗研究

1) 注射成形

根據注射成形數值模擬最優結果，在型號為MIM-80的注射成形機上進行試驗，得到無缺陷的成形坯，如圖15所示。

圖15 成形坯示意圖Fig.15 Forming blank

經過測定，得到成形坯質量與密度分別為23.835 g、5.085 g/cm，符合零件生產要求。

2) 脫脂

在型號為STZ- 400L-OA的催化脫脂爐中進行催化脫脂。如圖16所示為成形坯與脫脂坯，脫脂坯與成形坯相比顏色偏灰色，且顏色逐漸向金屬亮色轉變，尺寸上沒有明顯變化。

圖16 成形坯(a)與脫脂坯(b)示意圖Fig.16 Forming billet(a) and degreased billet(b)

對脫脂坯以及相應成形坯進行質量測定，測得成形坯質量為23.835 g，相對應的脫脂坯質量為21.813 g，依據脫脂率公式計算脫脂率。

脫脂失重率計算公式為：

(5)

式中：為脫脂率；為照門座成形坯質量(g)；為照門座脫脂坯質量(g)。

將計算得到的質量代入式(5)得：

綜上可知，脫脂率達到了8.48%。

3) 燒結

在型號為VM40/40/150的金屬注射成形真空燒結爐中進行燒結，燒結溫度控制在1 290～1 295 ℃，氣氛為真空，真空度為20～30 MPa。燒結產品零件如圖17所示，

圖17 燒結產品零件實物圖Fig.17 Sintered product parts

根據表1，將FeNi0.5Mo中各元素的成分代入式(4)進行計算，得到：=7.82 g/cm，測得照門座零件的實際密度為= 7.58 g/cm。

對產品零件進行性能檢測，硬度達到21～23HRC，產品的尺寸公差達到±0.06%，零件的相對密度為96.9%(≥95%)，符合零件生產要求。

5 結論

1) 根據照門座零件的成形性和工藝性要求，在流長比允許的范圍內，確定了零件的澆口位置及澆口類型；利用Moldex 3D軟件對冷卻水路與冷卻效率進行對比分析，確定了冷卻水路設計。

2) 對注射參數(注射溫度、注射壓力、澆口流率)設計對比實驗。利用Moldex 3D軟件對零件的流動波前、翹曲變形的模擬結果進行了對比分析。結果表明，當注射溫度為 190 ℃，注射壓力為28 MPa，澆口流率為20 cc/s時，數值模擬結果最佳。翹曲變形的最大位移為0.161 mm，翹曲變形后的體積收縮率為1.467%～2.869%。

3)試驗研究結果表明，成形坯的質量為23.835 g、密度為5.085 g/cm；脫脂坯無明顯尺寸變化，脫脂率達到8.48%；燒結后的零件硬度達到21～23HRC，偏差達在公差范圍(±0.06%)之內，且相對密度為96.9%(≥95%)，符合零件生產質量要求。