注射成形（精选4篇）
注射成形 篇1
粉末注射成形是一种适合于小型复杂零部件批量制备的近净成形技术,其成品缺陷基本是在注射成形过程中形成,如粉末密度分布不均、欠注、裂纹、孔隙、焊接线、粉末与黏结剂两相分离现象等,这些缺陷在脱脂和烧结后,通常又会导致变形、开裂、不规则收缩、水泡及翘曲等不良后果[1,2]。在注射成形阶段是无法通过简单的观察和测量来检测和控制的,因此对粉末微注射成形喂料充模机理的研究非常迫切。传统的粉末注射成形过程的模拟研究是沿用聚合物注射成形过程的研究方法,将喂料视为基于连续介质模型的单相流和双相流,忽略颗粒的尺寸效应和粉末相的非连续性,将填充过程简化为一个相对简单的非线性动力学系统[3,4,5,6]。连续介质理论模型,对于大尺寸的粉末注射成形的工艺控制有一定的作用,但对总体轮廓尺寸小于1mm,或者虽然总体尺寸较大,但局部结构的尺寸小于1mm的注射成形制品并不适合,因为无法忽略颗粒的微尺度效应,而且也不能解释粉末和黏结剂两相分离、粉末堆积以及尺寸精度的问题。
离散单元法是一种模拟非连续介质的计算方法,在岩石力学、土力学、结构分析等领域的数值模拟中得到广泛应用,是一种新兴的非连续体分析方法。离散单元法允许单元间的相对运动,不一定满足位移连续和变形协调条件,计算速度快,所需存储空间小,特别适用于节理岩体等物质大位移,大变形分析[7,8,9,10]。离散单元法已经成为解决岩石力学问题的一种重要的数值方法,同样也能考虑用来解决离散粉末喂料的流动问题。
本工作提出对粉末注射成形的研究重点在于构建符合实际情况的离散元模型,将粉末离散相不再简化为连续相,而是处理为符合牛顿定律、具有相互作用的颗粒模型,黏结剂处理成颗粒间的黏性连接,建立粉末喂料充模过程的接触力学模型[11,12],进行数值求解,揭示粉末注射坯的性能和喂料构成、型腔结构、注射参数之间的内在联系。
1 颗粒模型的建立
粉末喂料通常含有约60%(质量分数)的粉末颗粒,属于密集颗粒流,黏结剂在颗粒间基本形成液体桥。因此,针对粉末注射成形采用的颗粒模型中,喂料被处理成密集刚性颗粒,而黏结剂处理成颗粒间的黏性液桥连接。
假设粉末颗粒是刚性体,粉末颗粒的直接接触发生在很小范围内,接触处允许有一定重叠量。当粉末颗粒接触时相互作用力包括颗粒之间的直接接触力和液桥的黏性力。直接接触力由公式(1)~(3)决定,其法向力大小与颗粒刚度和颗粒间重叠量成正比[13,14]。而对于液桥的黏性力采用平行黏结模型近似模拟黏性液桥。平行黏结采用一组作用在接触面上具有法向和切向刚度的弹簧表示。这组弹簧,均匀分布在接触平面上,由于存在平行黏结刚度,接触颗粒的相对运动使得其中的黏结性材料产生了一个力和一个力矩,这个力和力矩作用在两个黏结颗粒上,并与黏结性材料在黏结边界上的最大法向和切向应力相关。如果最大应力超过相应的黏结强度,平行黏结就被破坏。
颗粒由于挤压而直接相互作用时,颗粒A和B之间的直接接触力为
式中: 为颗粒间的直接接触力; 为单位法向和切向矢量;Fn,Fs是法向和切向力;k[A]n,k[A]s是颗粒A的法向和切向刚度;k[B]n,k[B]s是颗粒B的法向和切向刚度;ks是颗粒A和颗粒B的最小切向刚度;μ是摩擦因数;Un是重叠量;Us是切向位移。
当模拟液桥的平行黏结模型在初始状态建立后,颗粒间的黏性力初始化为零,对应着喂料在料筒内的初始状态。在注射压力作用下,颗粒间的位移增量和旋转增量引起黏性力及力矩的增量,如果最大应力及力矩超过最大黏结强度,则平行黏结破裂。每一个时间步长位移所对应的黏性力增量计算为(仅以法向力为例)
式中: 为颗粒i的法向黏性力增量; 为平行黏接法向刚度;A为平行黏接面积;ΔUn为法向位移增量; 为颗粒i的单位法向矢量;Vn为法向相对速度;Δt为时间步长。
2 颗粒模型离散元微观参数的标定
离散元模型的建立,需要通过设置不同的微观参数得到宏观力学性质不同的物理模型,为使得其能够尽可能地符合真实材料的物理特性,需要通过实验确定微观参数。因此,采用蜡基黏结剂与17-4ph不锈钢粉末混料后注射得到标准拉伸样和弯曲样注射坯,利用单轴拉伸和三点弯曲的力学实验来校准微观参数,以验证微观结构模型的可靠性。实验所用设备为三思微机控制万能试验机。
注射成型实验参数如表1所示,得到的注射坯示意图如图1所示。
2.1 单轴拉伸模拟及实验
首先按实际尺寸构建边界,并在边界内随机位置生成颗粒模型,采用半径扩展法使得颗粒充满型腔,然后在颗粒间赋予平行连接,并撤除边界,构建拉伸样初始状态。对试样两端施加相对作用力,模拟单轴拉伸实验,主要模拟参数如表2所示,模拟过程及结果如图2所示。
图2颗粒模型状态(a)初始状态;(b)拉断状态速度矢量及黏结力;(c)完全拉断状态Fig.2 State of granular model(a)initial state;(b)speed vectors and cohesive force of abruption state;(c)completive abruption state
采用一组5个拉伸样注射坯在三思微机控制万能试验机上进行单轴拉伸实验,得到的拉断试样如图3所示。实验结果如表3所示。单轴拉伸实验和采用颗粒模型模拟得到的力-位移曲线如图4所示。
对比图2和图3,发现单轴拉伸试样裂纹形态和位置基本一致。由图4可知,单轴拉伸的实验结果与颗粒模型模拟的结果基本相符。可知,模拟的微观参数设置与喂料宏观参数相对应。
2.2 三点弯曲模拟及实验
三点弯曲模拟采用的模拟方法与拉伸实验模拟类似,模拟微观参数一致,首先按实际尺寸构建矩形边界,在边界内随机位置产生颗粒,采用半径扩展法使得颗粒填充矩形边界内部,当颗粒达到静态平衡时在颗粒间赋予平行连接,然后撤除边界。为模拟实验条件的三个压头,分别在上部和下部构建3个圆形墙体,下部两个支撑墙体保持静止,上部圆形墙体缓慢下压,颗粒模型压断过程如图5所示。
三点弯曲裂纹形貌如图6所示。表4为三点弯曲实验结果。三点弯曲实验与颗粒模型模拟得到的力位移曲线如图7所示。
图5颗粒模型压断过程(a)三点弯曲初始状态;(b)三点弯曲断裂状态Fig.5 Pressing process of granular model(a)initial state of three-point bending test;(b)abruption state of three-point bending test
对比图5与图6,发现在裂纹形态和位置上两者基本一致。由图7可知,实验曲线与模拟曲线基本相符。由此,可以验证颗粒模型的微观参数设置合理。
3 结论
(1)采用离散元颗粒模型可以模拟粉末喂料之间相互作用问题,其中粉末可以处理为允许有重叠量的刚性体,黏结剂处理成颗粒间的黏性连接,采用平行黏结模型近似模拟黏性液桥。
(2)通过对比粉末注射坯单轴拉伸、三点弯曲实验和离散元颗粒模型模拟的裂纹形态、位置和力-位移曲线,发现其具有一致性,这说明离散元颗粒模型的微观参数设置合理。
高性能棘爪注射成形工艺的研究 篇2
关键词：高性能棘爪,粘结剂,金属注射成形,金相组织
1 前言
金属粉末注射成形 (MIM) 技术是将传统粉末冶金工艺和塑料注射成形工艺相结合的一种新型粉末冶金近净成形技术[1], MIM工艺主要包括混炼、注射、脱脂、烧结等工序, 该工艺的材料利用率高, 制取的零件具有几何形状不规则, 强度高, 耐磨性好, 精度高等优良性能[2], 被誉为二十一世纪机械加工领域内的一场“革命”。
纺织机械重要配件之一棘爪的特点是:与棘轮匹配良好、运动灵活、具有强度高、耐磨性好、工作时间长等使用性能[3], 而棘爪本身的尺寸不规则, 使用性能要求高, 采用传统的生产方法, 效率低、成本高, 因此开发出MIM技术制造棘爪的新工艺, 具有重要的现实意义。
2 实验方法
2.1 原料
2.1.1 粘结剂的制备
粘结剂由PW、MW、EVA、HDPE、SA等组元组成, 采用对比实验法, 将PW于95℃在混炼器中完全熔化后升温, 依次加入MW、EVA、HDPE, 搅拌后、进行混炼后, 再加入SA, 再搅拌2.5h, 制备出粘结剂1 号、2 号、3 号, 经过优选1 号为最佳配方, 备用。
2.1.2 实验所用的金属粉末原料
羰基铁粉、羰基镍粉、雾化铁粉、铬粉、钼粉等, 其中铁粉、镍粉、碳化钨的粉末物理特性如表1。
金属粉末质量配比:m (WC) :m (Ni) :m (Cr) :m (Mo) :m (Fe) =5:8:8:5:74
2.2 混料
(1) 将金属粉末按工艺要求的配方进行混合, 并在双锥混合机混合, 时间为6h。
(2) 将混合均匀的金属粉末与粘结剂配方1 号, 按工艺配方在混炼机内于温度150℃左右, 混炼1h。
(3) 将混炼后的喂料在塑料挤出装置中制粒, 供注射成形使用。
2.3 注射成型
在SZ-28 型注射成型机, 注射毛坯, 注射工艺参数为温度145℃, 压力85, 速度80, 时间4 秒, 毛坯外形完整, 光滑, 断面成分均匀。
2.4 脱脂
该工序采用两步脱脂法, 即首先在75℃用有机溶剂将毛坯中的熔点低的有机物, 通过溶解-- 扩散反应溶于溶剂中, 然后通过热脱脂进一步将大分子有机物脱除, 工艺参数:推舟速度4.0cm/min, 温度分别为:
一段150℃, 二段240℃, 三段350℃, 四段550℃, 五段750℃。
2.5 烧结
采用氮气/ 氢气混合气作为保护气, 设备为钼丝炉, 工艺参数:温度分别为:一段190℃, 二段390℃, 三段690℃, 四段1050℃, 速度0.5cm/min
2.6 热处理
采用气体渗碳, 工艺参数:温度860℃ -880℃, 保温时间3-4h, 油淬火处理, 低温回火1.5-2h, 表面硬度50-55HRC, 显微组织为回火马氏体 (1-2 级) + 分布均匀的小块状碳化物。
3 实验结果与结论
(1) 粘结剂的制备。 (1) 对成型工序的影响, 粘结剂是MIM的核心技术, 其组分的类型及数量影响喂料的流动性, 毛坯的成型性及毛坯的成品率。 (2) 对脱脂工序的影响, 骨架有机高分子的作用对毛坯的保型性至关重要, 直接影响溶剂脱脂的效果, 进而决定脱脂工序的成败。 (2) 双锥混炼工序, 混炼时间是关键, 否则, 金属粉末成分易偏析, 成品件组织分布不均匀。 (3) 溶剂脱脂, 温度高于80℃, 会出现鼓泡, 溶胀现象, 毛坯出现坍塌缺陷, 温度低于60℃脱脂效果不理想, 对于本实验所用粘结剂体系最适宜的温度是75℃。 (4) 棘爪最适宜烧结温度为1050℃ ±2℃, 几何尺寸最理想, 温度高, 尺寸小;温度低, 尺寸大。 (5) 热处理工艺参数的选择是保证棘爪的物理力学性能的关键工序。
4 结论
(1) 粘结剂的制备是MIM技术制造棘爪的核心技术, 它直接影响混料、成形、脱脂、烧结等工序的进行, 决定棘爪能否实现工业化生产。
(2) 脱脂工序是关键工序, 直接影响毛坯产品的几何尺寸、成品率及生产效率。
(3) 采用MIM技术生产的棘爪, 质量稳定、尺寸精度高、性能优良、可以实现大批量工业化生产。
参考文献
[1]German R M, Cornwall R C.The Powder Injection Molding Industry.An Industry and Market Report[J].
[2]Hofman Hetal.Modern Development of P/M[J], 1985.
注射成形 篇3
关键词：RPM技术,塑料注射成形模具设计方法,应用研究
1 快速成形 (也称快速原型) 制造技术在电器壳体类注塑模具产品开发上的应用研究
快速经济模具制造技术突出表现在快速原型 (RP) 与快速模具制造 (RT) 上。近年来, RP+RT的研究成为国内外RPM界十分关注, 并大力开发的领域之一。
(1) 快速成形技术的优越性及独有特性。
在产品设计和制造领域应用快速成型技术, 能显著地缩短产品投放市场的周期, 降低成本, 提高质量, 增强企业的竞争能力。一般而言, 产品投放市场的周期由设计、试制、征求用户意见、修改定型、正式批量生产等环节所需的时间组成。由于采用快速成型技术之后, 从产品设计的最初阶段开始, 设计者、制造者、推销者和用户都能拿到实实在在的样品, 因而可以及早地、充分地进行评价、测试及反复修改, 并且能对制造工艺过程及其所需的工具、模具和夹具的设计进行校核, 甚至用相应的快速模具制造方法做出模具, 因此可以大大减少失误和不必要的返工, 从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质将产品投入市场。
(2) 我们采用北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司Mem系列熔融挤压快速成形设备针对该塑料制件进行的应用研究———电器壳体零件原型件制作 (图1) 。
首先把三维数模用三维软件 (UG) 输出快速成型数模 (*.STL) 。使用快速成型专业处理软件处理三维数模, 对数模上的坏边、坏面、反向面进行修补, 使其没有缺陷。加支撑, 调整支撑结构, 输出支撑, 进行切片演示。最后输出 (*.Cli) 文件。
熔融挤压成形工艺原理是材料先抽成丝状, 通过送丝机构送进喷头, 在喷头内被加热熔化, 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动, 同时将熔化的材料挤出, 材料迅速固化, 并与周围的材料粘结, 层层堆积成型 (图2) 。A450 RPM快速成型机成型空间:350mm×380mm×450mm成型层厚 (Z轴) :0.125mm~0.4mm成型精度:±0.2mm/100mm成型速度:2~60cm3/h (图3) 。
熔融挤压成型工艺将三维CAD模型沿高度方向每隔一定厚度进行分层, 获得每个层片的轮廓信息, 然后自动生成轮廓扫描路径和填充路径, 形成层片加工文件。熔融挤压成型设备根据层片文件逐层加工, 层层叠加最终即可获得三维实体。分层过程和加工过程全部由控制软件自动完成, 无需手工编程。这种加工方法不受刀具干涉的限制, 可以加工任意复杂形状的零件 (图4) 。
当前主要的分层算法有:基于STL模型整体拓扑信息的分层算法、智能化的快速分层算法、基于STL几何连续性的分层算法、基于STL模型几何连续性的分层算法, 基于STL面片法向矢量的自适应分层算法。
分层原理的数学表示:
三角形系列到多边形系列的转换过程就是本文所要讨论的分层问题。这个过程的数学原理可以用以下式子表示:
STL模型:FT:是由m个有向三角形组成的STL模型;Ti是第i个三角形, 其法线方向为实体外部的方向:
分层平面FP:是分层的平面集合, 由分层精度在成型前确定的一系列平面, 在分层中用它们依次切割STL模型得到交线段。Pj=Zj, 是过点 (0, 0, Zj) 平行于xoy的平面系列:
轮廓线FL:是截面轮廓线组成的集合, 由多边形组成, 边是通过三角形集合与分层平面集合求交得到的:
前式描述了分层原理, 说明分层是通过STL模型中的三角形与分层平面求交而得的。后式描述了分层所需要得到的结果, 截面轮廓是由一系列封闭多边形 (环路) 组成的。快速成形专业处理软件针对该塑料制件的参数分析与数据输出见图5。
成形材料以工程塑料ABS为主, 成形材料具有良好的弹韧性, 可以非常方便的用于装配验证。喷头技术是熔融挤压成型工艺的核心, 当前小型喷头技术、双喷头技术紧跟此项工艺的最新技术发展趋势。图6为北京殷华A450RPM快速成形机生产的该塑料电器壳体原形零件。
2 本塑料制品模具的设计 (侧分型结构) 与制造、产品的试模、修模及批量生产
本课题的主要研究内容是:“基于RPM技术的塑料注射成形模具设计方法应用研究”———紧跟国内外塑料注射成型模具设计与产品开发的先进发展方向, 以侧向分型塑料注射成形模具为研究对象, 结合企业的科研及生产具体情况, 采用先进方法设计制造的注射模具产品满足客户的全方面要求。
目前已完成模具产品的设计、制造加工、试模、修模等工作, 塑料制件已批量生产。实践证明:此次的试模于前端设计、制模、分析, 使制品提前作了一些防范措施, 故于试模时减少了许多问题点, 而这些问题点的排除无形中减少了成本, 时间的浪费, 当然也得到了客户的恳定, 这就产生了无形的利润。相信RPM技术将在塑料注射成形模具设计与制造过程中发挥着重要的作用。
参考文献
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注射成形 篇4
在MIM工艺中,喂料稳定流动、均匀填充模腔成形是其中的关键[5]。因此喂料的流变行为是影响成形制品质量的一个关键因素。粉末注射成形喂料是由粉末和黏结剂混合而成的一种分散的两相流体,其流变行为较复杂,受粘结剂成分、粉末装载量、粉末与黏结剂之间的相互作用等诸因素的影响[5]。本工作以注射成形制备高氮无镍奥氏体不锈钢(原料粉末成分为Cr16.75%,Mn11.15%,Mo2.82%,C0.023%,命名为00Cr17Mn11Mo3钢,烧结渗氮后成为0Cr17Mn 11Mo3N钢)为对象,研究了黏结剂组分对喂料流变行为的影响,确定一种具有较好流变性能的理想黏结剂体系,为获得高质量高氮奥氏体不锈钢注射成形坯体奠定基础。
1 实验
00Cr17Mn11Mo3粉末采用惰性气雾化方法生产,其平均粒径为16.38μm,粉末形貌如图1所示。
黏结剂采用热塑性蜡基黏结剂体系,其组分包括石蜡(PW),聚丙烯(PP)高密度聚乙烯以及硬脂酸(SA),主要配方组成如表1所示。将不同成分的黏结剂分别和相同体积分数(均为64%)金属粉末在LH60Roller 混炼机上于160℃混合1h后得到喂料。采用Instron3211毛细管流变仪测量喂料的黏度和流变学性能。
2 实验结果与讨论
2.1 喂料的黏度
在MIM工艺过程中,评价喂料流变性能的主要指标是喂料黏度以及黏度对应变和温度的敏感性[6]。黏度是描述熔体流变行为最为重要的量度,它是表征熔体抵抗外力引起流动变形能力的指标[7]。粉末注射喂料体系黏度值的大小还体现了喂料本身的混合均匀程度,即在相同混炼条件、相同固体颗粒装载量的前提下,黏度值越小说明粉末颗粒与有机物黏结剂体系的相容性、均匀性越好,流动越容易,注射时填充模腔性能越好,也说明在此条件下能获得更加高的固体颗粒装载量。表2 为采用毛细管流变仪测得的不同温度和剪切速率条件下三种喂料的黏度值。
比较表2中的各组数据,可以看出在相同的温度和剪切速率条件下,喂料B的黏度都是最低,说明其流动填充模腔性能最好,这样从喂料的黏度来判断,喂料B最好。
2.2 剪切速率对喂料黏度的影响
图2为165℃时三种喂料的黏度与剪切速率的关系,可以看出随着剪切速率的增加,黏度值降低,呈现假塑性体流变行为。
对于假塑性体材料的黏度[7,8],有:
undefined
式中η为黏度,undefined为剪切速率,K为系数,n为应变敏感性因子,n<1。n表示流体对剪切速率变化的敏感性,n值越大表明黏度随剪切速率的变化速度越慢,喂料流动变形的稳定性较好,但n值太大则没有足够的剪切稀化效果,要取得好的流动性也就成了问题。一般的观点是在n>0.2的前提下,尽可能小一些[9]。这是因为n越小,喂料黏度随剪切速率的变化而上升或下降的速度越快。注射成形过程是在一定温度和压力作用下进行的,喂料黏度随剪切速率上升而迅速下降对较窄模腔的充型是非常有利的。作黏度与剪切速率的双对数图,经过线性拟合,可以得到各喂料的n值,分别为nA=2.44,nB=2.74,nC=3.46。A喂料的n值最小,从应变敏感性来看,A喂料最好。
2.3 温度对喂料黏度的影响
除剪切速率外,另一个影响黏度的重要因素是温度。从表2中已经发现,喂料的黏度随着温度的升高而逐渐降低。这主要是由于随着温度的升高,提供流动性的粘结剂分子链平直化,并且粘结剂之间的相互斥力增加。由于温度的影响是一个热激活过程,因此温度和黏度的关系可以通过Arrhenius关系来表述[6,10]:
undefined
E是粘流活化能(kJ· mol-1),R是气体常数8.314(J·K·mol-1),T是温度(K),η0是指前因子。E值的大小表征了黏度对温度的敏感性。E值越小表明黏度对温度的变化越不敏感。对于MIM喂料这一点非常重要。因为物料进入模腔会产生较大的温度变化,如果黏度变化太大,则必然引起应力集中、开裂、变形等一系列的缺陷,因此选择较小的E值的喂料对于MIM非常有利。
在剪切速率为1181.1s-1(与注射时的剪切速率相当)的条件下,取三种喂料的黏度和温度的关系如图3所示。通过线性拟和所得到的E值分别为EA=20.3kJ/mol,EB=22.8kJ/mol 和 EC=28.7kJ/mol。从E值的大小判断,喂料A的E值较低,说明其黏度对温度变化的敏感性最小,可以有较宽的注射温度区间。
2.4 喂料的综合流变性能
由上述讨论已知,注射料的黏度越低,应变敏感性因子越小,粘流活化能越小,流变学性能越好。然而,这几个参数是相互制约的。模塑性指数αSTV通常被用来评价喂料的综合流变性能[6]。其表达式为:
undefined
其中αSTV的下标STV代表了剪切敏感性、温度敏感性和黏度的综合影响。αSTV值越大,流体流变性能越好。温度为165℃,剪切速率为1181.1s-1时,三种喂料的αSTV值分别为(αSTV)A=6.37×10-4, (αSTV)B=5.79×10-4 和(αSTV)C=4.3×10-4,喂料A的αSTV值最大,说明其具有较好的流变性能,也进一步说明了粘结剂配方为65%PW+30%HDPE+5%(质量分数)SA更适合作为高氮无镍奥氏体不锈钢粉末注射成形的有机载体。
另外为了更深入地了解粘结剂1#的特性,本工作对剪切速率与活化能之间的关系进行了研究。活化能E以及η0随剪切速率的变化如图4所示。
从图4可以看出,随着剪切速率undefined的增大,η0迅速减小。这是由于undefined增大,聚合物分子链平直化、构型简化,相应的分子间接触、交割弱化,代表相互作用的指
前因子减小。当undefined>35.4s-1,η0与undefined的关系可以近似地表述为:undefined。而粘流活化能E随着undefined的增加而增加,可能是由于颗粒的部分有序化使系统处于较低的能态,因而引起活化能的升高。活化能E与undefined的关系可近似地表述为:undefined。这样一个多因子的流变方程可以建立起来:
undefined
这种经验公式在注射成形有过程的工程数值计算是有参考价值的。因为在实际的注射成形过程中,T,undefined总是同时变化的。
3 结论
(1)64%(体积分数)气雾化高氮奥氏体不锈钢粉末与蜡基粘结剂(主要组分为石蜡、高密度聚乙烯、聚丙烯以及硬脂酸)混合后得到的喂料的表观黏度均随着剪切速率的增加或温度的升高而降低,呈假塑性流体,具有较好的充模性。
(2)在三种喂料中,配方为65%PW+30%HDPE+5%SA(质量分数)的粘结剂体系所组成喂料具有较好的综合流变性能,更适合作为高氮奥氏体不锈钢粉末注射成形的有机载体,其黏度随剪切速率和温度的变化可以通过经验公式表示:undefined。
参考文献
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