星期一, 5月 16

    粉末射出成形设计:节省时间、降低成本和提高质量的10项规则(下篇)

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    ■ ACMT/ 邱耀弘

    上篇为2019/2月刊

    规则6:在设计阶段考虑检查和验证要求

    毫无疑问,3D CAD建模的革命性发展使复杂零件的设计变得更加容易。当结合MIM的设计能力,能够创建复杂的几何形状,具有混合表面等功能,可用于视觉上吸引人的功能组件,这是非常有用和普遍的。

    图 8:在这个屡获殊荣的 MIM 枪支零件是来自 Parmatech 公司, 扳机的表面半径 A 不断变化, 从尖端到基底。MIM 很容易实现这样的功能, 因此可以设计视觉上吸引人的元件和功能元件 ; 然而品质检验方法为这样表面可能是挑战性的 ( 由 MPIF 提供 ) Dr. Q: 现在已经有数值轮廓扫描仪可以执行这个项目的检验。检验设备的价格比较昂贵

    作为范例,图8中扳机上的弯曲手指表面具有从尖端到 基部不断变化的半径。虽然很容易用3D软件创建这种类型的表面,但检查此一表面要困难得多,这就产生了 品质控制问题。考虑到:

    •将使用什么方法进行检查?比测器覆盖?光学检测加上 CAD分析?这些方法是否具有足够的精度以满足所需的统计分析?

    •双方是否具有相同的检查能力?零件制造商和零件购买者之间的结果是否相关?

    •零件上是否有可靠的基準点以精确定位零件以供检查? •每个零件的检查时间是多少?什么是抽样计划?检查能否经济实惠地完成?

    讨论这些问题的时间是在项目开始之前。许多设计师并不知道他们的组件具有会造成检查困难的属性。通常, 这些难以检查的要求对于零件性能并不重要,因此在出现复杂情况之前可以建立相互可接受的要求。在第一 篇文章中讨论解决这些问题对各方来说都是不合时宜的。

    规则7:不要忽视分型线、顶出销和浇口需要

    所有具有成型技术经验的工程师,无论是塑料、压铸 还是MIM,都意识到传送材料通过模具,创造出您需要的零件:
    •通过进胶点口(灌注口)将材料引入模腔

    •请记住,模具必需要打开,这会在模具的不同部分相 互接触的位置产生分型线(或称分模线)

    •请记住,射出后零件需要顶出,由顶出销/顶出刀片 等来推出。 •浇口位置,顶出针位置和分模的分型线都会对零件品 质、模具成本和刀具寿命产生重大影响。必须—但同时也很容易被忽视—就这些要求提前达成 协议,来自模具和零件设计的所有各方(图9)

    图 9:必须在早期阶段考虑分型线、顶出针和门的必要性。在印度 -MIM Pvt 有限公司的这些获奖零件中, 顶针印位置清晰可见, 其位置已经事先与客户商定。请注意, 由于MIM 可以有效地将标牌和文字合并到零件上,可以在顶针上雕刻出来转印到零件上 ( 由 MPIF 提供的图片 )

    各方都会有争议的观点。例如,创建模具的最简单方 法通常是将浇口或分模线放在关键表面上。如果这会 产生零件功能不可接受的变化,则替代方案可能是放入滑块或其他模具元件,从而使模具成本更高,交货时间更长等。

    对于要避免的这些问题:
    •设计人员必须告知哪些零件表面至关重要
    •模具制造商必须告知他们计划如何创建模具模腔
    •MIM零件生产商必须配合设计师和模具制造商的顾虑,同时确保结果将成为最大化生产率和可重复性的可靠模具 James: 这些都可以在制造可行性设计书 (Design For Manufacturing, DFM) 上往来於客户的设计师和我 们的工程师的沟通。

     

    规则8:认知到MIM零件收缩期间没有任何好处发生

    有一句古老的说法,适用于有人在深夜做了一些事情: “在午夜之后没有任何好事发生过。”MIM过程可以 做出类似的说法。 “收缩期间没有任何好事发生。”

    图 10:MIM 制品的收缩表现:后面的零件是成型的生坯或称注射坯, 而前面的零件是经过烧结后的银坯 ( 已经经过后制成加工 )( 图片由 Sintex a/s 提供 )

    除了少数例外,任何熔融材料占据的体积将随着凝固 而降低。这对于诸如金属压铸和塑料射出成型的成型 技术是一件好事,因为体积的减小使得在凝固时喷射的零件得以释放应力。这些技术中的收缩率通常在 0.5%-1.5%范围内,但有一些例外。在MIM加工中, 收缩率要大得多(图10),并且组件收缩有几个阶段:

    8.1射出后的收缩 MIM零件将从模具模腔尺寸缩小到成型零件。其作用 类似於塑料模塑零件,但在MIM加工中,收缩率相 对较低,在0.3%-0.5%范围内。收缩率的变化会影 响最终尺寸,特別是如果在模塑过程中熔体温度控制 较差,但它通常是整体尺寸变化的次要因素。

    8.2脱脂后的收缩 这一步也是整体收缩的一个小的贡献因素,并且在某 些原料系统中,将导致尺寸增长而不是收缩。此步骤 的变化通常很小。

    8.3烧结后的收缩 从模腔尺寸到成品的MIM收缩的主要因素是在烧结, 因为相对低密度的模塑零件(例如,对于钢MIM餵料 来说,5.0 g / cm3并不罕见)致密化为高密度(> 7.5 g / cm3)典型的烧结零件。这可以导致15-20%的线性收缩,这比大多数其他模具或铸造技术的收缩率高 得多。

    虽然MIM收缩在维护良好的过程中是可重复的,但 必须认识到它会增加零件的变化。通常,尺寸越大, 出现问题的可能性越高,例如陶瓷炉托盘上的拖曳、 零件翘曲或重力效应。这些是常见现象,需要在产品 开发周期的早期确认为可能的变化量。 (Dr. Q 重力/ 摩擦力(射出过程与烧结过程)与相变化是MIM的敌人。)

    规则9:选择可以压整的材料

    Dr. Q:MIM和所有金属加工工艺包含金属3D打印 都一样,后制成对于整型与切削都是必要的手段,不要以为直接就可以获得产品,对于那些一心认为3D 打印可以直接可获得发亮的表面的观众,您的想像是电影情节~~

    对于复杂零件,可以安全地假设MIM工艺期间会出 现一定程度的翘曲或变形,因为零件从其模制到烧结 状态会收缩15-20%。校正失真的一种方法是将零件物理移动回原始的非失真几何体。该操作通常被称为 压整,并且在MIM工业中非常普遍。

    图 11:这个由 ARCMIM 制造并由 MPIF 评奖的步枪锁罩,需要在烧结后进行压整, 以恢复其原来的成型配置 ( 图片由 MPIF 提供 )

    图11显示了一个获奖零件,此零件要求在烧结变形 后进行压整以正确地重新排列其“U”特征。压整的要求是在操作期间超过材料的屈服强度。如果在压整期间施加的力不会显著超过材料屈服强度,那么该零 件将表现出弹性回弹并尽力恢复其烧结尺寸。减少回 弹变化的一种方法是选择具有最低烧结屈服强度的合金,以满足零件材料 要求。

    例如,316L 和 17-4PH 是常见的 MIM 合金,都是有 效的耐腐蚀不锈钢。如果应用对强度和硬度的要求相 对较低,那么选择316L是合理的,因为它的烧结屈 服强度要低得多。如果是经过压整,它将比17-4 PH 更能好好地保持所需的形状。

    规则10:在零件设计中考虑模具填充完整性

    增加合适的MIM市场的一种方法是扩展MIM应用的 设计范围。尽管您想要采用更具挑战性的零件,但必 须注意确保零件能够以足够的材料完整性进行模制。而这可能导致成型或加工问题的属性包括:

    10.1薄片特征 许多MIM餵料将填充薄至0.3mm的部分,但填充距 离越长,挑战就越大。非完全填充模穴将可能是一个 问题。

    10.2焊缝线(结合线) 这些发生在注射期间两股单独的材料流动前沿相遇的 地方(例如:在销周围流动的材料)并且可能导致强 度和表面精度降低。

    10.3内部尖转角 这些总是会增加应力并导致裂开和较低的强度性能, 因此在模具中引入半径(最小半径为0.1 mm)将有助 於大大降低风险。

    10.4 适当的排气间隙 当模腔填充有熔融原料时,腔中夹带的空气将形成压 力并需要逸出以使材料完全填充模腔。排气间隙可以小至 0.01 毫米 (0.01mm),只允许空气逸出,同时足够紧,以防止餵料穿过排气间隙形成飞边或毛边。

    结论

    虽然MIM组件在我们的日常生活中都处於我们身边, 从智能手表外壳到家用锁机构、汽车组件再到拯救生 命的手术设备,而设计工程师却在教育和培训期间通 常很少或根本不接触该技术。因此,对于那些希望首 次实施该技术的人来说,通常会有一个陡峭的学习曲 线。正如本文所强调的那样,设计人员需要考虑“MIM 设计”的基础知识,就像他们在采用AM (增材制造) 之前需要考虑“设计增材制造”一样; 任何制造工艺都是如此。如果有一条明确的讯息要从本文中获取, 那么对于最顺畅的MIM旅程,只要您认识到您的零 件采用MIM的首选,就与MIM零件生产商洽谈。在 开始时讨论这里提出的问题的时间将在您的零件的整 个生命周期中节省时间和金钱,并打开您以前可能从 未考虑过的设计思路。■

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