工艺技术_金属粉末注射成形工艺教材

中南大学 硕士学位论文 金属粉末注射成形工艺参数及浇口尺寸对流动性能的影响 姓名：许静静 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：蒋炳炎 20040101 摘要 摘要 本文对粉末注射成形( P I M ) 过程中w N i F e 喂料熔体的流动性能作了深入的研 究，通过讨论阿基米德螺旋线测试模具中喂料的流动长度，并根据设计的实验方案具 体运用M P I ( M o l d f l o wP l a s t i c sI n s 追h t3 1 ) 模拟分析软件和实验分析的方法，着重研 究了侧浇口的深度尺寸和注射工艺参数对喂料流动性能的影响。 为了实现注塑成形软件在粉末注射成形上的应用，本文对w ，N i F e 喂料的性能参 数进行了计算分析，研究分析了该粉末材料的物性参数，优选出适合该粉末材料的粘 度模型，并在M P I 软件原有的塑料材料数据库的基础上扩充了W N i F e 粉末喂料注射 成形所需的各项参数数据，为M P I 模拟仿真软件在P I M 成形领域的应用提供了广阔 的前景。 本文根据设计的实验方案，经过模拟分析和上百次的现场实验之后，借助于浇口 尺寸、工艺参数与螺旋线流动长度关系蓝线图的描绘。找到了浇口尺寸以及工艺参数 对流动性能影响的基本规律。研究表明：浇口尺寸与螺旋线测试模中喂料流动长度 不成比例关系是非线性的，L H 曲线为波浪状；L H 曲线无论是模拟结果还是实 验结果，都表现出流动长度随浇口尺寸的增加呈波浪式上升的整体变化趋势。当其它 实验条件一定而注射压力改变的情况下，浇口尺寸均匀取O 5 2 j m m 之间的6 个值时， 流动长度最长的浇口尺寸均在1 8 I I l I n 处，大于一般注塑成形时的最佳浇口尺寸值； 在实验结果中，相对注射压力而言，熔体温度和注射速率对L H 曲线关系的影响就相 对较小些，波动方向一致且比较平坦；浇口尺寸不变时，注射压力、注射速率以及 熔体温度、模具温度等工艺参数值的增加都会引起流动长度的增长，它们与流动长度 均成正比关系。正常的加工范围内，增加注射压力与提高熔体温度对流动长度的影响 具有等效性：可见，工艺参数对粉末注射成形的成型性能的影响规律与注塑成形的影 响是一致的。经过本文的模拟和实验分析结果的比较分析后，认为模拟与实验结果 之间的误差较小，二者具有可比性。 关键词：粉末注射成形；W _ N i F e 喂料；浇口尺寸：工艺参数；流动性能 模拟分板：M P I ；实验分析 A B S T R A C T A B S T R A C T T h i sp a p e ri sc o n c e m e dw i t ht h ef l u i d i t yo fV ，- N i F ef 爸e d s t o c ki nt h eP o w e rI n i e c l i o n M o l d i n g ( P I M ) b yd i s c u s s i n gt h ef e e d s t o c kn o w1 e n 昏h a n dt h er e s e a r c h e df l u j d i t yi s a 任毫c t e dm a i n l yb yt h ed e p t hd i m e n s i o no ft h eg a t ea n dt h et e c h n 0 1 0 9 i cp a r a m e t e r s t h e m a i nr e s e a r c ha p p r o a c hj s m a k i n gu s eo ft h eM I I ( M o l d f l o wP l a s t i c sI n s i 曲t3 ，1 ) s i m u l a t i o ns o n w a r ea n de x p e r i m e n t a t i o n s F o r 印p l y i n gt h es i m u l a t i o ns o R w a r eo ft h ep l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gt ot h eP I M t h e c h a r a c c e rp a f a m e C e r Sa n dt h eb e s tV i s c o s i 哆m o d e lo ft h eW N i F ef e e d s t o c kw e r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e LI nt h ed a t a b a s e so ft h eM P Is o R w a r e ，t h ep a r a m e t e r sd a t ao ft h i sP l M f e e d s t o c kt h a tw en e e di nP I Mf l o ws i m u l a t i o nw e r ee x t e n d e d ，w h i c hp r o v i d ea 譬o o d d e v e l o p m e n tf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h eM I Ps i m u l a t i o ns o R w a r ei nt h eP I M 厅e l d A R e rt h eM P Is i m u I a t i o na n dh u n d r e d so ft h ee x p e r i m e n t sa n dt e s t sf 0 I l o w i n 2t h e d e s i g n e ds c h e m e s ，t h eb a s i cI a wt 1 1 a tt h eg a t ea n dt h et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sa 艉c tt h e f l u i d i t yw a sf o u n db yd r a w i n 垂t h e i rr e l a t i o nc u r v e s M yt e s tr e s e a r c hw o r ki sa sf o II o w s ： r h er e l a t i o no ft h ed e p t hd i m e n s j o n so fl h eg a t ea n dl h ef l o wl e n g t hi s n lI i n e a r t h eH L c u r v ei so b v i o u sw a v e ；l nt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n dt h ee x 口e r i m e n t ，t h eH L c u r v eh a st h et e n d e n c yt h a tw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed e p t hd i m e n s i o no ft h eg 贰e ，t h ef l o w l e n g t hi n c r e a s ew a V i I y w h e nt h ei n j e c t i o np r e s s u r ec h a n g e da n dt h eo l h e rc o n d i t i o n ss t i l l a r ei n V a r i a b I e ，a tt h es 帅et i m e ，t h ed 印t hd i m e n s i o n so ft 1 1 eg a t eg i v ea v e r a g e l ys i xv a l u e s b e t w e e n0 5 m ma n d2 1m m T h eg a t ed i m e n s i o no ft h el o n g e s If l o wI e n g t hi s1 8 m m ， C o m p a r e dw i t h t h ei n j e c t i o np r e s s u r e ，t h ee f | l e c t st h a tf e e d s t o c kt e m p e r a t u r ea n dt h e i n j e c t i o nV e I o c i t ya 何e c t t h eH - Lc u r v ea r es m a l l e L A st ot h et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s 、 m e nt h ed i m e n s j o no ft h eg a t ei sj n V a r i a b i e t h e 竹o wJ e n g t hj n c f e a s e dw i t hf h ej n c r e a s i n g o f a l lo f t h et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r ss u c ha st h ei 1 1 j e c t i o np r e s s u r e 、t h ei q j e c t i o nv e l o c i t y 、 t h ef e e d s t o c ka n d山em o I dt e m p e r a t u r e s I n c r e a s i n gt h ei n j e c t i o np r e s s u r ea n dt h e 删s 幻c kt e m p e m t u r eh a v ec h es a m ee 腩c to fg o i f l gu pt h ef l o wl e n g c h T h u 曲 a n a l y z i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s t ，w ef o u n dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi s s m a l Lt h es i m u l a t i o na n dt e s 【c a nb ec o m D a r e d K e y w o r d s ：P I M ；W _ N i F ef 色e d s t o c k ；t h ed i m e n s i o n so ft h eg a t e ：t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s t h ef l u i d i t y ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；M P I ；e x p e r i m e n ta n a l y z i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 粉术注射成形技术概述 粉术注射成形I I M ( t h eP o w d e r 妞i e c t i o nM o I d i n g ) 是【自陶瓷粉术注射成形( C I M ) 发展而来的，最早可溯源于二十世纪二1 年代，在此期| 1 _ l J ，已经有人用陶瓷粉术注射 成形生产零件。1 9 7 9 年，由w i e c h 等人组建的P a 兀1 1 a t e c h 公司的两件会属粉末注射成 形制品：波音7 0 7 、7 2 7 飞机用纯镍螺纹密封环和火箭用铌基燃料推进器荣获设计人 奖后引起了世界粉术冶金行业的普遍重视，它标志着P I M 技术证式面世I I 。I 。 P I M 技术的出现给金属零件的生产带来了一场革命。由于粉术注射成形能生产普 通机加工难以生产的复杂、精密的小型零件，生产效率很高，能节约贵重的原材料， 所以粉来注射成形很快进入了商品生产。除了前面提到的山w i e c h 等人组建的 P a 皿a t e c h 公司外，美国R e m j n 毋o n 武器公司、I B M 公司、F o r mP h y s i c s 公司、F o r d 航天和通讯公司等V 在8 0 年代初，就纷纷加入到P I M 的) F 发和_ i 产陋I 。到目阿为儿 全球共有美国、法旧、德廷I 、瑞士、F 1 本等国家的约1 2 0 0 家以上的公i j ：| 和机构从事 P I M 技术的研究、) 1 ：发、生产和咨询业务，所涉及的产品包括：军械零件、精密仪表 零件、医疗器械零件、钟表零件、纺织椟件、7 J 具和刃具等。在最近5 年甩，P I M 产 业的年增长率为2 0 3 0 ，2 0 0 0 年全球P I M 产品市场总值达到7 亿美元，预计到2 0 1 0 年，全球P I M 的总产值可增加到2 4 亿美元卜。此外，P I M 的生产原料已从F e - N i 合 会、不锈钢、高比匝合命、硬质合金等向陶磁粉术的注射成形方向发展，其粉木注射 成形零件的种类、规格不断扩大，正在成为一种新的主要加工方法。 粉末注射成形技术是粉术冶金与耀料注射成形技术相结合而产生的种高新技 术它结合了卜述i j 町种技术的优点，利用粉术冶金技术的特点烧结产乍m 致密、有较 好的机械性能及表面质量的会属零件，利用塑料的注射成形技术束大批量、商效率地 生产形状复杂的零件。其主要的生产流挈Z 为：混合余属粉末+ 混合粘结剂+ 混喂料+ 制 粒+ 注射成形+ 脱脂十烧结。粉末注射成形I ：艺的流程图见嘲1 2 所1 。 幽1 2 粉末注射成形l ：艺流科酬 中南人学I ：学颂十学协论文 粉术注射成形工艺生产：出的零件在机械性能、袭面质量、形状复杂群度、材料利 用率、生产效率等方面都优f 常规的粉术冶金、精密铸造等工艺，被誉为”令最 热门的零部件成形技术? 曩“，表1 3 为粉术注射成形工艺与其他j I ：艺的性能对比。 表1 3 粉末注射成形与其他I ：艺的性能对比 性能对比P I M 产品精密铸造，“一镐常规粉末冶金产 最小孔行( m m ) 0 42l 展小肇厚( m m ) O 41 表面粗糙度R 8 l 5 “7 “ 尺寸公筹O 3 O 5 0 0 5 相对密度 9 4 9 9 1 0 0 9 4 9 9 最人蛙厚( m m ) 1 2 任意任意 虽人重茸 1 0 0 91 0 k g2 k g 最小重培 0 1 95 95 9 通过对国内外的资料及我们的研究、生产情况的分析和n 纳，粉朱注射成彤f 艺的特点主要表现在以下方面： ( 1 ) 能生产形状很复杂的精密零件： ( 2 ) 生产效率很高而且烧结后的零件般不需要后续的机加：I ： ( 3 ) 材料利用率较高高比藁合会、硬质合企、陶瓷等粉术的汴射成彤小J “的 成本较低； ( 4 ) 粉术注射成形，匕“线的改备投资较小。 目1 。l 典删产黼实物_ I ! 片 民用产品，见图1 1 为典型产品实物照片， 了基础。 目前国内已有多家单位J l ：展了粉 术 i ：射成形的、t 川研究盘n 刮t 南人 学的粉术冶会田家T 秤研究中心、北 京有色金属研究总院、北京 ；f 】4 铁研究 总院“、厂州有色金属研究院等先后 J r 腰了P I M 的研究j ：作，片建、 。F 实 验乍，“线，尼儿址- 村人。学f 粉术冶 金家1 襁研究l ，心矗：批 缘的8 6 3J 去 会、自然科学基会等的资助F “ 腱了 全f 虮系统的应川研究：彳11 ，墩得了 较尺的成粜， i 玎制了系列f I ( J 1 = ：J 1 1 肢 为进一步地投入崩J 5 f l 化的大批墩，l i 产打F 第一。章绪论 1 2P 】l I l 充填流动模拟研究现状 近年来，对嘤料熔体在注射成形一p 充摸过程的模拟受到了极人的哭注，尽管由 于喂料熔体在模腔内是一种非等温、非牛顿流体的不稳定流动，使模拟计算存在着网 难，但在非弹性流体模型范围内，已经取得了一些成就。粉术注射成形源于塑料注射 成形，其充模流动t p 的许多概念也源于注塑成形捧f 。他们之间最大的区别在于喂料流 变行为的不同上。因此流变本构方程不同。P I M 喂料由于加入了粉术且粉术占了很大 的含量，使它的流变行为要复杂得多，而且，喂料中粉末的存在使其热物性参数与塑 料相比相差较大这使得P I M 喂料熔体的压力梯度、温度梯度远大于塑料熔体。在 P I M 工艺中，喂料n 勺微小变化也会改变其流动行为和产品最终一陛能1s l 。尽管如此，人 们主要还是在注塑充模流动模拟的基础j ：来开展P I M 喂料充摸流动模拟的研究T 作。 注塑成形过程充填流动模拟始于2 0I 扯纪6 0 年代。荚因、英国、加拿大等网的学 者在6 0 年代完成了一维流动和冷土口数值模拟。其中，T 0 0 r ，B a l l m a n 和c o o p e r 川最先 用数值方法进行充坝过程的模拟，开创了该领域的广阔前景。一维流动模拟一般仪限 于流道、浇口系统内的流动，它是充模流动模拟一项重要内容。在随后的7 0 年代， 人们完成了二维分移亍程序，将数值模拟转向了：维流动过程。纯一维流动情况卜，给 定时刻的流体流动自i 沿是已知的，但对二：维流动，这一点不复存在。如何确定新时刻 的流动前沿位置，叩确定新时刻的计算区域是一个新的难点。B r o ，e r 和G u t f i n g e 和 1 姐m 一加l 将流动网络分析法用到了二维流动过程中。H i e b e r 和s h e n l ”2 I 甩有限差分法 计算了流体的二维流动过程，同时提出了确定某时刻熔体流动前沿位置的“预测一 校矛”两步法，并且刷有限元有限差分泫成功地对二维流动过程进行了数值计算。 进入8 0 年代，则开展了兰维流动与冷却分析，并把研究扩展到保压、纤维墩向、分 子取向以及制品翘J I n 预测等领域。9 0 年代后，开展了流动、保乐、冷却、麻力分析的 注塑全过程的集成化研究。美国K K W a n g 领导C o m e l l 人学C I M P 研究小组f 11 9 7 4 年开始，在美国政府的资助下，在注塑成型模拟研究方面墩得了令人瞩 的成就，他 们在非牛顿、非等潞熔体流动的流变模型，冷茸J 过程的热传导模型，保压穆I 翘曲分析 的粘弹性模型以及数值讨算乃法力亩f 都收褂r 实质性的成粜【1 引。 P I M 喂料熔体的充模流动模拟的研究 ：作主要是在注塑充模流动模拟的基础上 开展起来的。在国外，w a n g L e o n a r d N a i m i 州及其他一峰学者。? I 在注魍成形的基 础上用有限元，有限差分、有限差分数值方法对P I M 喂料熔体的充模流动作了火量的 工作，并取得了一些成就。充模流动模拟使P I M 喂料熔体流动可视化。并被用予分毒厅 工艺条件和喂料性质对流动过程的影响，以及优化浇口位置及大小，工艺参数，模具 设计及流道系统。往这方而，P a n d e l i d i s z o u 以及N 句m i L e e 作了大最工作，对浇 口位置优化作了模拟分析。P a I l d e l i d i s 和z o u 还对：L 艺参数的优化进行了研究分析。 中南人学r 学硕十学位论文 流动可视化使人们能够了解浇口位置、焊线位置、熔体温度场、压力场、速度场和剪 切速率场等与产品质量息息相关的信息。N a j m i 和L e e 将有限元，有限差分法应用到 P I M 喂料熔体的二维充模流动中。K w o n 等人l I 州认为充模过程中喂料与模壁之问有厚 度为粉末粒径数量级的纯粘结剂。提出了滑动速度理论和滑动边界层理论。在此理论 的基础上，韩国P o h a n g 科技大学开发r 专门使朋于粉术注射成型的C A E 系统 P i 砌o w 。该软件p ”可以建立有关喂料和粘结剂密度、比热、热导率、流变性能等参 数的数据库，优化I ：艺条H ，指导流道系统、浇l j 位置、冷却系统等方面的改汁。 在国内，粉末注射成形计算机模拟方面的研究起步更晚，专门的研究机构较少 目前中南大学的粉术冶令国家工程研究q t 心在国家的8 6 3 基会、自然科学基金等的资 助下取得了较大成粜。粉? f 所先后利用有限元订限差分混合法模拟了喂料熔体在一一 维、二维型腔中充模流动过程和P 【M 坯件在模内的冷却凝同过程，预测了坯件冷却过 程中是否生成缩孔和产生应力丌裂1 ：用B A s 【c 语言编制了相应的计算机程序来模 拟计算粉末注射成形喂料的性能参数；用C 语言编制了比较完整的二维充模流动模拟 软件l 瑚。 1 。3 注射成形C A E 流动模拟软件 1 3 1 商业化c A E 软件 目前，注塑模C A E 技术已从实验室阶段进入实用化阶段。当时国际市场上相应 推出了包括注塑、冷却等各阶段模拟的多种商业化软件，他们丰要有1 2 4 l ： 1 ) 美国A C T e c h ，公司的C M Q I d 软仆。该软件其钉：蔓个层次的解决方案。籀燃 的软件用于初始阶段的设计。第二层此为三维流动模拟软件c F l o w 和冷却分析软件 C C o o l 。第三层基于第二层的分析结果，进行纤维定向分析、应力和翘曲分析，可以 优化选材、制品和模具跛讨。以及工艺条件设胃获得最好的制品质量、最低的生产 成本、最佳的生产效率。2 ) 澳大利亚M o l d n o w 公司的注塑C A E 软件。该软件主要包 括流动模拟程序、冷却分析程序署i 1 应力分机程学等。目l j 以i ：炳人公司已经将其软件 产品c M o l d 和M o I d n o w 含二为一，即为现稿：的M o I d t l o w ，它具体包括多种软件， 其中的M P I ( M o l d n o wP l a s t i cI n s i g h t3 1 ) 软件足专门针对淀擐成型的仿真模拟而设 计的。它汇聚了这埘人产品的优点，无沦赴数学模型、程序编制，还是 J 户抖f 、软 件接口方面都达到了很高的水平，在美咽和吐界再地得到了广泛n 勺应用。3 ) 德田I K V 研究所的C A D C A E 软件c a d m o u l d ，其直接推广了A a c h e n 大学的科研成果。4 ) 此 外还有美国S D R c 公司的I D E A s 系统、通用公刮的T c o p 软件、A E c 公司的M 0 1 d c o o l 软件、P r i m e C V 公州、Pr i r n e C a l m a 公司、意大利P c 公司以及英围D e l t a c a m 公：】 的注塑模设计制造软件包。 第一章绪论 在国内，注塑模c A D C A E c A M 系统的研究起步较晚，注塑成形模拟研究始于 8 0 年代。但经过几f F 的刁；懈努力，通过对固外软件歼发经验技术的吸收和研究，特别 是在“八五”期问，在国家“八五”科技攻关项日的支持下，我国的注塑流动模拟、 冷却模拟方面都取得了长足进展，并在某些方面达到了国际9 0 年代初的水平。华中 理工大学模具技术困家重点实验室自行丌发了困内第一个注塑模C A D c A E c A M 集 成系统软件H S C 2 O ，现己在一批工厂中推广使片j 。 1 3 2M P I 软件 本文模拟实验的设备是仿真模拟用的计算机，运用的软件是M o l d f l o w 公司的注 塑成形C A E 软件产品M P l ( M o l 醐o w P l a s t i c s I n s i g h t ，r e l e a s e3 1 ) 软件。美困M o l c H l o w 公司是专业从事注型成形的C A E 软件及j e 咨询公训，足塑料成形分析软件的创造暂。 自1 9 7 6 年发行了世界上第一套流动分析软件以来一赢书导着耀料成形c A E 软件市 场。近几年M o l d n o w 公司的软件产品在汽车、家电、电子、通讯、化工和F i 用品等 领域得到了广泛应用。 一、M P I 软件的作用嘲 传统的注塑模j I 设讨土i 要依靠设计人员的芒C 觉和经验，模县设计加j f ：究后往往需 要经过反复地调试j 修E 彳能正式投入q i 产，发现问题后不仅要重新调裕1 艺参数， 甚至要修改塑料制品和模具，这种生产方式降低了新产品的丌发速度。利用M P I 软件 在模具加工之前，在计算机上对整个注塑成形过程进行模拟分析，包括填充、保压、 冷却、翘曲、纤维墩向、结构应力、收缩以及气辅成形和热例性材料流动分卡斤，找：I ； 可能出现的缺陷，挝商一次试模的成功率，以达到降低牛，。：成本、缩短，L 产刷期的 J 的。 1 优化制品设计 塑件的壁厚、浇口数量、位置及流道系统设计等对于塑料制品的成败和质量关系 重大。以往全凭制品设计人员的经验来设计，往往费力费时设计 的制品也不尽合 理。利用M P I 软件t 玎以快速地设计出最优的塑料制品。 2 优化模县设计 由于塑料制品f 阿多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往 要经过反复试模、修模j 能成功。利用M P I 软件一叮以对型腔尺i 扼尧口位置及尺寸流道 尺寸和冷却系统等逊7 j ：优化没汁。在计薜机i 逊f J ：试筷、修汝，i q 人人握滔横具质艟 减少试模次数。 3 优化工艺参数 由于经验的局l 艇性j F 程技术人员微难精确地设置制吊最合理的加T 参数选择 合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。M P I 软件可以帮助工程技术人员确定最佳的 中南人学 1 ：学硕+ 学佛论文 注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保瓜眶力和傈压时问、冷却时 间等，以注塑出最佳的塑料制品。 二、M P I 主要功能介绍 l 、M F F l o w 流动分析 M 阶l o w 分析聚合物裆：摸具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择，填充 和保压的工艺参数，可以在产品允许的强度范围内和合理的充模情况下减少模腔的壁 厚，把熔接线和气穴定位于结构和外观上允许的位置上，并且定义一个范围较宽的工 艺条件。 2 、M F ，C o o l 冷却分析M F ，c o o I 冷却分析 系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件。M F ，c o o l 和M F F l o w 相结合可以得到十分完美的动念的注塑过程分析这样可以改蒋冷却管路的设计，从 而产生均匀的冷却，并由此缩短成形周期，减少产： 成形衍的内M 力。 3 、M F ，W 舯翘曲分析 M F W j r p 分析螺个塑件的翘曲变形，包括线性弯曲和非线性，同时指出产生翘曲 的主要原因以及相应的补救措施。M F ，w j r p 能在一般的工作环境中考虑到注塑机的大 小、材料、特性、环境因素和冷却参数的影响，预测并减小翘曲变形。 4 、M F ，S t r e s s 结构应力分析 M F ，S t r e s s 分析迥料产品在受外界载荷的情况下的机械性能，根据注塑工艺条件优 化塑料制品的强度和刚度。M F ，s t r e s s 预测在外载荷和温度作用下所产生的应力和位 移，对于纤维增强塑料M F ，s t r e s s 根据流动分析和塑料的种类的物性数据，来确定材 料的机械特性，用f 结椅应力分析。 近年来，随着计算机技术的飞速发展将计算机模拟技术沲用于粉术注射成形的 模拟越来越受到人f _ j 的重视。对于模具设计哲来说，如果能在设计方案构思阶段，预 测出喂料熔体在型腔内的流动情况，以便尽早发现问题，修改设计图样，而不是仪依 靠经验用传统的“试错法”来反复试模、修模，这擞犬地提高了模具没计水i F 和依次 试模成功率。因此注射流动过程C A E 软件的出现，是注射成形模具设计和制造程序 上的一次变革，对键高模具利用率。降低牛产成本，提高生产效率无疑具有重要的意 义。 虽说目前市场上还没有专门的粉束注射成形的模拟软件，但是出丁金属粉爪注射 成形的流动模拟研究的方法有限差分和有限元法的耦合法，与计算塑料注射成形 的流动过程的方法基本上一致口刮，所以象M P I 软件这样的塑料流动模拟软件在分析 原理和方法上，是i 叮以用作粉末注射成形的充填模拟的。此外，我们若要从头丌始编 写金属粉束注射成彤流动过程的计算机模拟程序，则需要投入犬量的，j ：作鞋和人力、 时阃，所以如果将企属粉水喂科的一系列“关什能参数去取代州料参数，利川M P l 6 第一章绪论 软件的M F F l o w 流动分析功能来计算金属粉末成形喂料的流动过程，分析的结果与实 际结果基本上相吻合。 1 4 熔体流动性测试技术的发展概况 l 。4 ，l 熔体流动性测试方法 研究会属粉术沌射成形的流动性能首先要深入了解喂料熔体的流变学，一般熔体 流变学研究主要是通过试验测试的方式进行并伴随着测试技术的发展而发展的，所 以测试技术在熔体流变学研究中占有重要的地位。 粉末喂料熔体流变学是在塑料熔体流变学的基础上发展起来。我国的塑料测试技 术研究工作旱在上世纪5 0 年代中期就已经歼始，在7 0 年代仞期已初具成效。8 0 年代 以来，我国塑料性能试验方法标玳的试、修订工作有了K 址发展，至上世纪术，有天 方法标准从数量和质量方面，在很大程度上与国际标准或：二业先进国家标准接近或相 似，已基本上可以与其接轨| 2 ”。 就测试塑料的流动性或流变性的方法而言，各国都有自己的标准。测试流动性的 如：J I SK 7 1 9 9 - 9 l ( 羽毛细管流变仪测热毅性塑料流动性) ，D l N5 3 7 6 4 9 2 ( 易流动热 塑性模塑材料的流动和老化性能) ，N F 【S 07 8 0 8 9 4 ( 热嘲性模制材料流动性测定) ， A s 刚D5 6 9 9 0 ( 测量热塑性塑料模制材料流动性) ，A s T MD3 1 2 3 9 4 ( 测定低压热 固性模塑化合物螺线流动性能) 。测试流变性的如：B S2 7 8 2P t 7M e t h7 2 2 B 9 6 ( 用毛 细管测塑料熔体的流变性流动性) ，N FT5 1 5 6 0 9 0 ( 用毛细管流变仪测塑料熔体流变 性) 等。这些测试标准的原理都是极其张近的，而且所使f H 的测试仪器一般为毛细管 流变仪或转矩流变仪，测试结果主要为塑料熔体的粘度。刘P I M 喂料熔体而苦，因为 其与塑料熔体有其相似之处，因此以上的这些测试仪器基本上也可以用于对P I M 喂料 熔体的测量。 此外。由美囡A S l M 标准( D 3 1 2 3 7 2 一热固性埋料流动性测试) 及意大利 v E D R I L 公司介绍，采用标准的阿萋米德螺窿线模j L 测试热m F k 嘲# ： 的流础。肚，即将 待测定的塑料，加入注射成型机( 传递成型压机) 内，在定的温度及压力下注射入 型腔呈螺旋线的模蜞内，塑料所能达到的流动长度，即表示浚塑料的流动性。其测试 得到的螺旋线的长度，定性地反映出各类塑料熔体流动性的茅异。虽然该标准试验针 对的是塑料熔体，似根掘 国内外粉末成型特别是注射成型1 ：艺介绍，如果用螺旋流动 测试模具对P I M 喂料熔体进行测试，在注射条件F 提供流幼情况的特征。将足时菜 喂料作出模具成型性能及决定最佳成形工艺的一个非常有效的段。它比熔融指数法 来得直观，对比性搬，设备简便，各成型加工单位均能实现。而且测试条件与实际生 产操作工艺接近，州时能提供的因素也比较多，更符合实际l j 。 中南人学I ：学硕十学位论文 1 4 2 螺旋流动测试模具 评定熔体的流动性能最优越的模具，是根据其充摸长度就能直 接测H ：熔体在注塑 条件下的行为的模县I 引I 。这种模具的型腔可做成长度很大的简单的槽状，槽上有刻 度，能立刻读出物料在规定注塑条件下充入槽中的长度。这种槽的最合适形状是螺线， 因为尺寸不大的模具便能有足够长的槽。可以说螺旋流动钡4 试模具是测试P I M 喂料熔 体的流动性能的非常有效的手段，流动性能的好坏主要是通过测试模的流动K 度来判 断，螺线长度实质| 二表征限料熔体在宽的贸切应力和温度1 【芏闱内的流变性能I l 。 目前实验室用谈具种类主要有阿熬米德螺旋线( A r c h i m e d e a ns p i r a l ) 流动测试模 具和对数螺旋线( 1 0 9s p i r “) 流动测试模具例f 。关于螺旋线模具有如下相关的专利： + S U1 4 13 4 8 2 j A ( E q u i p m e n tf o rd e t e r n 砸n i n gm o u l d i n gp r o p e r t i e sO fp 0 1 y m e rm a t e r i a l s h 硒t 、) I ，om a t c h i n gd i e sf o m i n g s p i r a I c h a n n e Ii n t o 州t c hp o i y m e ri s i r l j e c t e d A R S ) ，+ S Ul7 5 3 3 6 6 Al ( P o l y m e m a t e r i a I sn u i d i t y - s t u d y i n gm o u l d h a sp l a s t i c i s e d m a t e r i a if 宅dt 。s p i f 窟lc h a n n e I ，i e ，h e l i c a is p l n g ，p u g e ra n dd i eh a v i n gc o n i c a lg r a d u a t e d s u r f 如e S A J S p ”。旧内外学者在螺旋线模具的基础上对塑料的性能进行了以下的相关 研究： R o s s i p e a k e s 茸先用弱基米德螺旋线模具作了塑料熔体流动实验，在标准条件下 测出塑料流出量和流动长度柬反映工艺特性。这些实验证实：不同的高分予材料对其 加工的工艺条件及设备的敏感性差别很大；材料特性和二J ：艺条件将最终影晌塑科制品 的物理机械性能。S 【a 曲研究了番：不同亳嫂和厚度的矩彤腔c h 允模胍力，浇L 】尺J 对充模性能的影响。肖熔体流动长度增加时，物料的螺旋流动趋于平衡，其熔体的凝 固作用更加突出，因此需要增加施于熔体的压力。实验表f ! j j l ，流动艮度和注射压力之 间里线型关系。L e e 只w a t e r 利用阿基米德螺旋线模具研究了高密度聚乙烯分子景分布 对其流动长度的影响，并证实：流动长度取决于分子量分布，熔化温度，注射压力以 及螺旋槽厚度。B u k k l e 利J | j 阿基米德螺旋线模具研究残余应力的分布情况，发现注 塑制品的表面是处J 二受压状态。而其内部则处F 受拉状态。注朔条件和聚介物的性质 对制品的机械性能商很大的影响恻。z h a n g ，x i a o y u ( u n i v e r s i L y m w e l l ) 利用阿基米 德螺旋线模具对P P P C ，A B s 三种就流动性而苦具有代表性的塑料材料进行了流动性 试验，研究了注射压力、泣射速度、熔体温度、模具温度对熔体流动长度的影响。并 且，在实验结果的搪础上总结了毛细管流变仪所测流动参数与熔体在阿基米德螺旋线 模具中流动长度蚓l 向关系。最后褂出结泛：垌叫坫米德蝶旋线模其米测聚合物材料的 可模塑性非常接近e 实的注射成理条件p 。 国内，上海塑料研究所的沈予金曾提在荚困A S T M D 杯准：3 1 2 3 7 2 的基 i 卜将测 量热固性材料流动性的阿基米德螺旋线模其改进成为适合我国国情的测量热塑性塑 料的阿基米德螺旋线模具该方案思想的提惜对我国螺线模的研究有一定的建设性意 8 第一章绪i 仑 义。1 9 9 7 年，华北二 学院的李迎春利用可变浇口的阿基米德螺旋线模具，研究了 点浇口的大小对聚I 巧烯( P I ) ) 注射成型过程向影I 帆得到了浇【_ 】尺、j + 与剪切速率、压 力降、温度以及粘度之间的关系，最后由实验数据给出了适合聚丙烯的点浇L ：l 直径尺 寸范围。1 9 9 8 年，其又利用浇口可变的阿棼米德螺旋线模具对另种材料聚乙烯( P E ) 傲了同样的研究，得出了适合P E 的点浇口尺寸范围，对提高实际注射成型过程中的 工艺精度具有很重要的意义川。 以上都是阿基米德螺旋线模具被用于塑料熔体的研究除此之外，其在金属粉术 注射成型( P o 、柑e rM e t a lI n j e c t i o nM 0 1 d i n g ) 工艺研究中也被广泛采用。L i n ， C B ( T a m k a n gU n i v e r s h y ) 用阿基米德螺旋线模具研究了s i c 含量在0 2 0 之间的 3 5 6 A l 合会的流动性和机械性能。实验结果表明：”S i c 颗粒含量在2 0 以下( 不含 2 0 ) 时，流动长度不随S I C 颗粒含量的变化而变化：2 ) S i C 颗粒含量增加会导致硬 度，侧面磨损和粗糙度的增加：3 ) 当s i c 颗粒含量一定时，住低泓卜切划公减少1 | ；_ j 片的长度，降低测面磨损和粗糙度。Y a r d d i ，F M ( u n i v o r s i t yo f w i s c o n s i n M i l w 彻k o e ) 和R o h a t g i ，I ) K ，通过脱察永久型阿肇米德螺旋线模具和砂 型阿基米德螺旋线模具熔体铸造过程中的熔体流动长度和微观结构，研究了悬浮熔体 颗粒双阶段流动所引起的颗粒隔离问题。实验表l 蚰，颗粒的大小对流动和流动长度又 很大的影响；此外，在引前所理解的双阶段流动概念范围内，微观结构中的颗粒隔离 现象在该实验中被实H “。 阿基米德螺旋线模具除了在实验领域中倍受关注外许多学者还经常以熔体在阿 基米德螺旋线模具I I ，的流动为例，进行充填模拟、有限，B 流动分析、有限差分分析等 各种计算机模拟和数字建模H 4 郴I 。阿基米德螺旋线摸具还可j f J 柬测试塑 ：H t 射成烈巾 的表面滑移，分子定向，制品收缩，制品公差等：特别足对叫收嘲料而由，于其备 种物理化学性能不稳定，变化规律已经突破常规，使用阿誉米德螺旋线模贝来衡冕其 流动性和模塑性将足最直接，最有效的方式：在进行新材料，新产品的开发时使用螺 旋线流动性测试模具将取得其他方法无法取得的效果阳l 。 阿基米德螺旋线流动测试实验模具H i 仳克服了酊面所提到的其他实验装簧的局 限性，而且具有实验结果对比性、直观性强，设备带4 造方便实验条件与实际生产条 件非常接近以及模其的改进和扩展的潜力犬等诸多优点，凶此浚种测试模具J - 受到越 来越多的科学工作哲的青睐。本课题也正是基与以上这些原因，所以选用阿基米德螺 旋线流动测试模作为我们流动性能充填模拟的模腔模型和实验用模具。 中南人学r 学硕十。产侮论文 1 5 浇口和工艺参数对注射成形的意义 在注射成形工艺的每个流程当中，注射填充阶段最为关键，可以说，会属粉末注 射成形制品的大部分缺陷都是在这一个耳：节产乍的，如袁而塌陷、内部缩孔、，r 裂、 两相分离、变形翘J | 1 1 、分层，欠注等等。师H ，这魑缺陷戈法住悦脂和烧结阶段得剑 弥补1 “。此外，生坯内部的残余应力还会在脱脂或烧结阶段得到松弛，从而可能导致 制品的变形或丌裂。因此十分有必要的研究模具没计和注射成形工艺参数对成形缺陷 生成的影响，以便获得质量合格的坯件。 浇注系统是模具结构设计中的极为重要的部分，而浇注系统的最重要的组成部分 就是浇口。它是熔体进入模腔时通过的尺寸比较小的一段流通。浇fl 的形状剃尺寸取 决于许多因素：熔体的性能，制品的厚度，漠腔的容量，熔体和模具的温度，制品尺 寸的精度等。因此。浇口最侍形状、尺寸的确定是一个很难的课题。 注射成形中用得比较普通的是圆形和矩形横截面的浇口，矩形浇口由于深度和宽 度可以独立地改变。一般都优先采用，用得最为普遍的浇口是矩形边缘浇口，它具有 许多优点H ： ( 1 ) 横截面形状简乖，容易加工；( 2 ) 浇L ti 埔E 够达到定f 内精度：( 3 ) 浇l f l 的 尺寸修改容易而迅速；( 4 ) 浇口的深度和宽度叮以独立改变：改变浇| _ = I 深度可以萌节 保压时间；改变浇阳宽度则可调节充模时的流动条件。例如，增：f J | l 浇口宽度可使压力 损失降低，而浇口内聚合物的凝固时间则无显著变化，因而傈压时阿也无显著变化。 圆形口的直径增大时，压力损失降低，同时浇口内熔体的凝固时间卸延长，因而保压 时问也延长。由此t I 了f 见，浇口对熔体流动住能影响很大。此外，浇门的尺寸对制品 的力学性能也有影响。例如，高温注塑的聚苯乙烯，随着浇口尺寸的增大。冲击强度 的变化幅度不大，而在低温注塑时变化幅度几乎达到4 0 。 除了模具结构设计外，成形过程中的工艺条件对注射成形零件的质量优劣也会 产生很大的影响。原因在于工艺参数的波动将引起材料热物肚和流变性能的变化， 从而产生应力应变l I | l 线的多值性，即： ：艺参数的变化导敏分义，这种注射成形过程 中工艺参数的微小变化所导致的流动状念的突变( 缺陷产牛) j ，能1 荆 线性动力学系 统中的混沌状念现馨拥关。 注射成形的 ：艺条件包括：注射对阊、注射温度、注射压力、注射速率等。工 艺参数合理与否，刈制品的质量影响很火。注射成形过程叫I ，模具温度过低，注射n 三 力和注射速率又偏低时，常常使坯件表面出现各种皱纹幂j 细微裂纹，还又可能引起“欠 注”。相反，如果注射匝力和注射速率太高n 熔体粘度较低时就易引起“喷射”，这样 坯件内部将形成气扎。因此制定含理的注射工艺参数是关系往射成彤产品质量的重要 因素。另外，选择合理： ：艺参数的同时必须考虑特定的模具结构和所采用的材料性能。 第一章绪论 1 6 课题提出依据及意义 本课题来源于国家重点基础研究发展规划的9 7 3 计划项目“材料先进制备与加工 的科学基础”( G 2 0 0 0 0 6 7 2 0