星期一, 5月 16

    粉末射出成形设计:节省时间、降低成本和提高品质的10项规则(上篇)

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    ■ ACMT/ 邱耀弘

    前言

    为新的制造过程开发组件可能是一个艰钜的前景。任何企业本性都会谨慎改变并尽量降低风险;然而,任何 成功的企业也必须适时地认出那不可忽视的好机会。 在过去十年中,正是后者推动了全球 MIM 行业如此显著的增长。对于刚刚发现这项技术的人来说,Mr. Matt Bulger揭示了MIM成功的十大关键规则,正如同他近 三十年来作为MIM组件的开发商和制造商所观察到的那样。

    在金属注射成形行业的早期,在20世纪80年代,给 出了潜在MIM零件的原始图纸和规格是考虑到另一 种技术,通常是加工或铸造。早期的MIM生产商渴 望有一部分专门为MIM工艺设计:这将为客户提供 更有效的部分,生产和开发将遵循更直接的路径,而 所有相关方的经济、质量和效率都会提高。

    今日,随着MIM市场接受度和知名度的提高,有许 多机警的设计师可以在设计过程的早期阶段识別出可 采用MIM的候选零件。这为MIM生产商提供了一个 绝佳的机会来分享普遍设计的建议,从而为生产成功 的组件提供了最佳机会。以下是10个组件设计和规范 的一些基本注意事项,应当会对所有各方都有利。这 些因素会直接影响零件的可制造性,从而影响成本、 质量、交货期等。

    以下几点并非旨在成为全方面的设计指南;它们是典 型MIM技术的一般观察结果,结果几乎无疑会因操 作而异。这些是高级別的观察,可能已经被理解但也 很容易被忽视。

    规则1:确保所需的材料和工艺适合MIM

    今天,MIM中有许多具有已知属性的材料,因此,如果可能的话,选择具有良好产业背书和具文件纪录的 材料(Dr. Q 这就是为何要使用BASF餵料作为主要指 定料的原因,这个趋势会随技术门槛的突破有更多供 应商的选择)。在所有準则中,这一种方法是在当看 似不相关的设计要求产生冲突时可能变得非常棘手。

    例如,零件设计可以指定热处理的低合金钢,以因应 所需要的强度和硬度。然后指定该材料进行铁素体氮 碳共渗,有时称为Melonite,以及其他商用名称。铁 素体氮碳共渗经常被指定,因为它具有极佳的黑色表 面光洁度并伴随着极佳的耐磨性。然而,该过程的温 度通常在500℃下持续25分钟或更长时间,并且温 度和时间的这种组合将使任何已经热处理的低合金钢 发生退火现象。但一开始是经过热处理已经具有良好 性质的钢材,通常是不再经过热处理以免性质发生改 变。正如那句老话:「鱼与熊掌不可兼得!」,MIM 材料与技术的设计,必须要注意到此现象。 (本段由 Dr. Q修正翻译文句,以适合初学者理解)

    图 1:MIM 是一种成熟的制造工艺,具有极高的生产量。然而要从这一能力中获益,必须遵循关键的“MIM 设计” 准则

    规则2:不要过度指定默认公差

    在设计零件时,对设计者而言做出一个超精确的零件 是一个很大的诱惑。为什么呢?我们希望MIM经过 极其精确的净形工艺然后成为产品出售。然而,从制造的观点则以更容易生产而且更经济的零件才是重要 的。一个被忽视的结果是通过图纸标题栏中过於严格 的默认公差(图2)。虽然这里看到的公差是合理的, 但只需要几次校正击键就可以使这些公差更小(例如, 对于.XXX英寸公差,某些图纸现在指定为/-0.002英 寸而不是历史默认值0.005英寸。)这些严格的公差 会套用到整个印刷品或文件上,因此最终会出现这样 一种情况,即非关键容差的最终指定要比设计者直接 指定的重要功能尺寸的要求更严格。许多第一个原型 可能会被延迟,或者需要进行模具重做,这仅仅是因 为组件为了没有功能上的用处却被过度指定。

    图 2:在图纸上公差区块图上看似“合理”MIM 的公差标

    必然结果是,图纸一旦发布,通常很难改变打印。假 设设计通过审查,没有人注意到由默认公差所规定的 要求并不能被以MIM工艺来满足,例如对功能性不 重要的要求,设计师也不会倾向於改变印刷品的内 容,设计师不愿意改变的动机是什么?因为在制程过 程上万一出现问题,大部问题会指向设计师,既是允 许宽松公差的人。

    作为一个更改打印可以使设计师看起来像一个打不赢 的局面。最重要的是,最好在零件开发的早期解决这些问题。

    规则3:确保零件模型反映标称零件要求

    这里的关键问题是MIM公差总是会在模具的标準收 缩范围内产生正负值变化。一个基本原因是模具注射 后和烧结零件的密度总是略有变化,这使得单个零件 在某种程度上更大或更小。然而,在零件的打印图纸 上,设计人员可以指定“不平衡”公差来显示设计意图。例如,假设一个组件的尺寸为50 mm。设计师绝 对不希望尺寸超过50 mm,因此在打印件上指定为 “50.00mm + 0.00 mm, – 0.50 mm”。允许公差範 围为 49.50 mm-50.00 mm,标称值为 49.75 mm。 如果依图纸打印所创建的零件模型,零件模型通知模 具制造商尺寸应为50.00 mm,则模具中的钢材将在 规格的顶端(50.00 mm)而不是标称值(49.75 mm)。

    以这种方式构建的模具实际上确保了结果将包括在规 格之外制造的相当大百分比的零件,因为它没有按照 标称值49.75mm的要求制造。请忘记在这种情况下 遇到合适的综合制程能力制指数的任何可能吧!因 此,在设计过程的某个阶段,无论设计意图如何,模型都需要验证模型反映零件的公称(图3)。请放心, 模具制造商将始终恢复模型。

    图 3:指定相同尺寸的两种方法,每种方法的总公差带为49.50-50.00 mm。注意到 MIM 的标示推荐使用后者

    规则4:请记住,并非所有收缩都是各向同性的

    MIM工业普遍认为,几乎所有的MIM工艺产生的零 件沿着不同轴方向其收缩量不会完全相同 (图4)。这种不同的收缩率很难提前预测。如果全部三轴的模具 都是标称的,那么最多只有一个轴,其中成品烧结零 件将以该轴的标称所需尺寸为中心。另外两个维度不 会以其标称值(更高或更低)为中心,这会降低维度 能力,尤其是在计算制程能力指标时。

    图 4:矩形条形图, 包括 x、y 和 z 尺寸的收缩率

    好消息是,在以相同方向进行闸控和模塑的零件中, 次优的结果通常是具有可重复的,因此工艺稳定性通 常不是问题。但是,零件上所有尺寸的优化可能需要 做模具修改。对于需要统计制程控制的严格公差的组 件,必须理解该问题。非各向同性收缩的一个直接影 响是使圆柱形几何形状成为在MIM中竞争性制造的 挑战,不同的收缩率(通常最大和最小相互成90°)将 在圆柱体和内径中产生椭圆度(图6),从而迫使各维 度采用严格圆的要求来进行二次加工。与其他成熟技 术相比,MIM相对缺乏圆柱精度使其在螺杆加工和滚 齿等工艺中处於竞争劣势。因此不要寻找一堆齿轮来 给MIM进行成形操作!

       

    图5:MIM 的模具, 特别是对于大型和高度复杂的元件, 如图这个智慧手机框架, 需要大量的投资。因此, 在元件开发的最早阶段, 必须与 MIM 生产商一起仔细考虑关键公差、进胶点、顶针的位置摆放等问题 ( 提供 Arburg)

    图 6:如果 X 和 Y 方向的收缩率不同,它将形成一个椭圆形,而不是一个直的圆柱体

    图 7:这个由 ARCMIM 公司获奖的 MIM 是因为设计了一个”保险箱”的模具,其中点 A 的位置设计成高端的规格,而 B 位置位于外径方向应该采用低端规格来达到钢制安全的设计 ( 由 MPIF 提供的图片 )

    规则5:让模具中所有关键尺寸成为“保险箱”

    Dr. Q:保险箱 – 可以理解模具是保有移除模穴钢材 /加胶(增加餵料)的修改安全性,-而不要进行焊补 模具/减胶(减少餵料)的设计。在最初对MIM元件 进行采样时,如果烧结后零件没有以所需的标称尺寸 值为中心,无论原因是非各向同性的收缩还是其他问题,都不要感到惊讶。如果统计尺寸控制条件有严格 地要求高(例如> 1.33)Cpk值,那么任何不以标称为 中心的尺寸将难以满足该规范。通常,更改模具就成 为这成品零件调整这些尺寸的唯一选择。 (James : 实 际上可以透过烧结温度与餵料比例,但是在工程验证 的设计上就必须注意到第一炉烧结温度应该设计在餵 料烧结使产能落在中上限尺寸、中上限密度,当然不 可以偏小,以免调整空间很窄小)

    模具上的更改需要添加或移除材料。如果需要在模具 中添加材料(模具要增加意味着注射件要减胶,加厚 模具的手段是很不稳定的),有时可以通过电镀来固 定尺寸。然而,这当中存在多种问题,例如实现均匀 电镀、确保电镀牢固地粘附到下层的金属上并且仅选 择待电镀区域等某些特性。

    最常见的是,通过焊接将钢料或材料添加到模腔中, 鉴於大多数MIM零件尺寸较小,焊接工艺通常采用 Micro-TIG或激光焊接。添加材料后,这些添加的“钢 块”通常需要通过放电加工(EDM)进行最终加工。对 焊接的担忧包括损坏下面或相邻的模腔钢,并最终使 焊缝长期粘附在下面的金属上。而需要焊接步骤增加了模具调整的时间和费用。需要焊接步骤增加了模具 调整的时间和费用。如果所有其他方法都失败了,重 建部分或全部膜腔是最后一个选择。这需要很长的交 付周期和高成本。 (James:因此建议可以用镶块来作 为填补模具,当然要确定是否该位置可以做镶块) 因此,修改需要添加材料的模具总是很麻烦。而减除 模具中的材料总是比添加材料更容易。在设计阶段, 应审查零件模型,以确定哪些关键尺寸可能需要优 化,以确保它们按标称加工。内部特征,例如直径和 槽,应在规范的“高”(中或上限)侧进行,而外部尺 寸,例如零件长度或外径,应设置在低侧(中或下限)。

    在图7中的零件说明了这一点。该零件的最终内径为 10 mm +/- 0.04 mm,由模具中的销钉决定。总公差 范围为9.96-10.04 mm。预期的收缩系数为20%,因 此标称模具尺寸为 10.00 x 1.2 = 12.00 mm。但是, 如果MIM工艺使零件烧结后形成椭圆,则功能直径 将小于标称10.00 mm的期望结果。 解决方案是使模具中的销钉尺寸成为规范的”高端”。 在这种情况下,最终10.03 mm的直径位于规格的 “高”端,但仍在规格范围内,因此使模具中的销钉 为10.03 x 1.2 = 12.036 mm。■

    ※本文发表於国际粉末注射成形期刊/2018 年9月份第12卷第三期第61~70页

    Mr. Matt Bulger, 前任NetShape Technologies MIM 部门总裁兼总经理,在MIM和PM领域拥有超过26年的经验。如今,他是所有金属粉末技术的独立顾问。他 通过与金属粉末工业联合会(MPIF)的合作积极支持该行 业,在此期间,他曾担任金属注射成形协会(MIMA)主 席和MIMA标準委员会主席。除担任顾问外,他还担任 金属增材制造协会(AMAM)的行政总监。

    主要翻译者:邱昱睿,台湾成功大学材料资源系大学部 (2016级)
    校正与补充者:邱耀弘博士(Dr. Q)、赵育德硕士(James)

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