（材料学专业论文）金属粉末注射成形流动过程研究.pdf

摘要 金属粉末注射成形( m i m ) 是粉术冶金与塑料注射成形相结合的一种高新技 术，可以大批量、低成本地制造形状复杂、性能优越的产品，满足了国防、通讯、 机械、汽车、医疗等行业对高性能异形关键精密零部件的需求，是当前先进制造 技术领域研究的热点之一。作者采用理论分析、软件仿真和实验测试相结合的方 法，主要研究了以下注射成形流动过程中的关键问题。 在m i m 流动模型基本假设研究方面，为了确定重力和惯性力对流动过程的 影响强度，采用量纲分析法首次分析了喂料熔体动量方程各项的量纲，结果表明 虽然金属粉末喂料的密度比聚合物大5 1 0 倍，但在m i m 流动分析中，方程的粘 性力项比重力项和惯性力项大2 3 个数量级以上，粘性力仍为主要控制因素。忽 略重力和惯性力对喂料熔体流动的影响，不仅简化了流动模型，节省了分析时间 和成本，而且无需考虑注射模具设计中流道布置方式。 在m i m 喂料流变方程研究方面，首次引入c r o s s w l f 七参数模型对m i m 中非牛顿流体流动过程进行研究，针对喂料粘度模型参数求解和现有模流分析软 件无拟合功能的问题，提出了自适应快速遗传算法拟合该模型参数，开发了算法 软件包，得到了w n i f e 高比重粉末喂料和3 1 6 l 不锈钢喂料粘度模型的7 个参 数，为高比重钨球零件和不锈钢模芯的质量预测、模具和工艺参数优化设计提供 了必须的材料数据，奠定了m i m 材料数据库的基础。 在m i m 可视化仿真软件开发方面，为了建立软件系统模型及基于 c r o s s w l f 粘度模型的流动分析算法，实现软件的前处理、求解器、参数拟合、 数据管理和图形操作等功能，将面向对象软件工程( 0 0 s e ) 与统一建模语言( u m l ) 技术首次引入到m i b i 仿真软件的设计开发中，建立了软件的用户模型、静态模型 和动态模型，描述了系统的功能需求、事件流程、类的结构与关系、对象之间的 通信、数据库结构和输入输出文件格式等，用v i s u a lc + + 与d e l p h i 开发工具编码 实现了2 维m i m 充模流动过程仿真软件，方便了对薄壁零件的质量预测以及模 具和工艺参数的优化设计。 在m i m 喂料注射成形性能研究方面，针对毛细管流变仪测试法衡量流动性 能的不足，提出使用螺旋线模具测试喂料熔体的注射成形性能，创造性地设计了 一套可快换浇口，模腔封闭的螺旋测试模，并在螺旋测试模上采用正交实验设计， 得出了高密度重合金喂料流动长度三。的回归公式，揭示了l 。随q 。、岛、死 和品的变化规律，并得出工艺参数对成形性能影响的强度顺序为q 。最大，p 。 与其次，因而改善喂料流动性能应优先控制注射速率q k 。 在m i m 领域中的注射成形仿真软件应用研究方面，对不锈钢模芯零件与高 比重钨球的注射成形过程进行了仿真和实验分析。不锈钢模芯零件充模仿真分析 表明，由于熔体流动的“跑道效应”，采用单浇口注射成形两侧流动严重不平衡， 端面四个波峰和波谷明显，中部芯柱出现欠注，并发现该零件中问芯轴处成形最 困难。通过优化单浇口位置、数量和零件的结构设计后，解决了模芯芯部断裂和 不良流动等问题。高比重钨球注射成形实验研究表明，喂料熔体以“喷射”方式 在模腔内流动，从浇口直接射向对面动模腔，造成动模腔内顶杆与模具配合间隙 的排气功能失效，熔接线增多，因此提出在模具分形面和定模板一侧开排气道以 增强其排气能力，弗采用高速高压注射成形工艺，解决了三维实体类零件内部的 熔接线缺陷等质量问题。 本研究是国家粉末冶金工程研究中心金属粉末注射成形技术研究项目的重 要组成部分，该项目获得了2 0 0 3 年国家科技进步二等奖。 关键字：金属粉末注射成形，流动分析，c r o s s 。w l f 粘度模型，遗传算法，u m l 螺旋线测试模具，喷射流动 a b s t r a c t m e t a lp o w d e r i n j e c t i o nm o l d i n g ( m i m ) ，t h ec o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a lp o w d e r m e t a l l u r g ya n dt h e r m o p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g ，i so n eo fh i g h t e c h a so n eo ft h e h o tr e s e a r c h e so fc u r r e n ta d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i tc a nb eu s e dt o m a s s p r o d u c ec o m p l i c a t e dp r o d u c t so f ：f i n eq u a l i t yw i t hl e s sc o s t ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n t sf o rp r e c i s ek e yp a r t sw i t hi r r e g u l a rs h a p ea n dh i g hp e r f o r m a n c ei nm a n y i n d u s t r i e ss u c ha sn a t i o n a l d e f e n c e ，c o m m u n i c a t i o n ，m a c h i n e r y , a m o m o b i l ea n d m e d i c a ld e v i c e s o m ek e yi s s n e so ff l o wp r o c e s si ni n j e c t i o nm o l d i n gw e r es t u d i e d w i t ht h e o r e t i c a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a l t e s ta n ds o f t w a r es i m u l a t i o n ，w h i c ha r ea s f o l l o w s ： i nt h ec o m m o n a s s u m p t i o nr e s e a r c ho fm i m f l u i dm o d e l d i m e n s i o n a la n a l y s i s w a sf i r s t l ya d o p t e di na n a l y z i n ge a c hi t e m sd i m e n s i o ni nm o m e n t u me q u a t i o no f f e e d s t o c km e l ti no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fg r a v i t ya n di n e r t i a lf o r c eo nf l o w p r o c e s s t l 圮r e s u l ts h o w s 也a tt h ed i m e n s i o no fv i s c o s i t yf o r c ei sa t1 e a s t2 3 o r d e r s b i g g e rt h a l lg r a v i t ya n di n e r t i a lf o r c e si nf l o wa n a l y s i so f m i mw h i l et h ed e n s i t yo f m e t a lp o w d e rf e e d s t o c ki s5 - 1 0t i m e sb i g g e rt h a np o l y m e r s s ot h ev i s c o s i t yf o r c ei s ap r i m a r yc o f l t r o lf a c t o r i tn o to n l yc a ns i m p l i f yf l u i dm o d e lw i t hl e s sa n a l y t i c a lt i m e a n dc o s t ，b u ta l s om a k e sn on e e dt oc o n s i d e rt h el a y o u to fr u n n e r si ni n j e c t i o nm o l d d e s i g nt h a tn e g l e c tt h ei n f l u e n c eo fg r a v i t ya n di n e r t i a lf o r c eo nf l o wp r o c e s so f f e e d s t o c km e l t i nt h er e s e a r c ho fr h e o l o g i c a le q u a t i o no fm i mf e e d s t o c k t h ef l o wp r o c e s so f n o n - n e w t o n i a nf l u i dw a sf i r s t l ys t u d i e db yu s i n gc r o s s - w l fs e v e n p a r a m e t e r m o d e l f o rs o l u t i o no ff e e d s t o c kv i s c o s i t ym o d e lp a r a m e t e r sa n ds h o r t a g eo f r e g r e s s f u n c t i o ni nc u r r e n t m o l d i n ga n a l y s i s s o f t w a r e ，a q u i c ks e l f - a d a p t i v e g e n e t i c a l g o r i t h mw a s b u i l ta n dt h ep a c k a g ew a sd e v e l o p e d t h e nt h ea l g o r i t h mw a su s e dt o g e tt h e s e v e np a r a m e t e r so fv i s c o s i t ym o d e lo fw n i - f eh e a v ya l l o ya n d316 l s t a i n l e s ss t e e lf e e d s t o c k ，w h i c hp r o v i d et h en e c e s s a r ym a t e r i a l d a t af o r q u a l i t y f o r e c a s to fm o l dc o r ep a r tm a d eo fs t a i n l e s ss t e e la n dh e a v ya l l o yt u n g s t e nb a l l ，a n d f o ro p t i m a ld e s i g no fm o l da n d p r o c e s sp a r a m e t e r s ，w h i c he s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o n o f m a t e d a ld a t a b a s eo fm i m 1 nt h er e s e a r c ho fv i s u a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i no r d e rt ob u i l dt h e s o r w a r es y s t e mm o d e la n df l o wa n a l y s i sa l g o r i t h mb a s e do nc r o s s w l fv i s c o s i t y m o d e l ，a n dr e a l i z ef u n c t i o n ss u c ha sp r e - p r o c e s s o r , s o l v e r , p a r a m e t e rr e g r e s s ，d a t a m a n a g e m e n t ，g r a p ho p e r a t i o n s ，s o m ea d v a n c e ds o f t w a r em e t h o d s a so o s e ( o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g ) a n du m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) w e r e a p p l i e dt os e tu pu s e rm o d e l - s t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e lo fm i m s i m u l a t i o n s o f t w a r e t h e s em o d e l sd e s c r i b es v s t e mf u n c t i o n e v e n tf l o w , s t r u c t u r ea n dr e l a t i o no f c l a s s e s ，o b j e c ti n t e r a c t i o n ，s t r u c t u r e o fd a t a b a s ea n di o f i l e f o i t l l a t f i n a l l y , s i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hv i s u n lc + + a n dd e l p h if o r2 dm o l d i n g a n a l y s i so f m i m w h i c h a f f o r d sf a c i l i t i e sf o rt h eq u a l i t yf o r e c a s to f 2 dt h i nw a l lp a r t s a n do p t i m a ld e s i g no fm o l da n d p r o c e s sp a r a m e t e r s i i l i nt h er e s e a t c ho f m o l d i n gp e r f o r m a n c eo fm i m f e e d s t o c k f o rt h es h o r t c o m i n g o fc a p i l l a r y r h e o m e t r y , i t w a sp r o p o u n d e dt h a t u s i n gs p i r a l m o l dt e s t m o l d i n g p e r f o r m a n c eo ff e e d s t o c k ，a n das e to fs p i r a lm o l dw a sc r e a t i v e l yd e s i g n e dw i t h q u i c k l ye x c h a n g eg a t e sa n dc l o s e dm o l dc a v i t y w i t ht h es p i r a lm o l d ，a no r t h o g o n a l e x p e r i m e n t w a sm a d eo ng e t t i n gr e g r e s se q u a t i o no ff l o wl e n g t hl mo ft h eh e a v y a l l o y f e e d s t o c k t h e nt h er u l eo fl 册v a r y i n gw i t hq 蝌，p m ，a n d 死w a sd i s c o v e r e d q 卅 r a n k sf a s ti nt l l ei n f l u e n c eo n p r o c e s sp a r a m e t e r s o f m o l d i n gp e r f o r m a n c e p ma n d s e c o n d t h e r e f o r et h ei n j e c t i o nr a t e 幽s h o u l db ec o n t r o l l e dp r i m a r i l yt oi m p r o v e t h ef l o wp e r f o r m a n c eo ff e e d s t o c k i nt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fm i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s i m u l a t i o na n di n j e c t i o n e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e o nt h es t a i n l e s ss t e e lm o l dc o r ea n d h e a v ya l l o yt u n g s t e n b a l l t h ef o r m e ra n a l y s i sr e s b i t ss h o wt h a tb e c a u s eo f “r u n w a ye f f e c t ”t h e r ei s s e r i o u sd i s e q u i l i b r i u r nf l o wo nt w os i d e si ni n j e c t i o nm o l d i n gw i t hs i n g l eg a t e ，t h e r e a r ef o u ro b v i o u sw a v ec r e s t sa n dt r o u g h so nf l o wf r o n t ，t h e r ei ss h o r ts h o ta tc e n t r a l p o l e a n dt h e r ei s a l la r e at om o s t d i f f i c u l t l ym o l di nt h ec o r ea x i s b o t hb r e a k a g eo f c e n t r a l p o l e a n dd e f e c t i v ef l o wc a nb e i m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h es i n g l eg a t e p o s i t i o n g a t en u m b e r sa n ds t r u c t u r ed e s i g no fp a r t s t h el a t t e ra n a l y s i sr e s u l t ss h o w f e e d s t o c km e l tf l o w si nt h ec a v 对i nt h ew a yo f j e t t i n g ”a n dw a sd i r e c t l yi n j e c t e d a g a i n s tt h ec a v i t yp l a t ef r o mg a t e a sar e s u l t ，t h eg a pb e t w e e ne j e c t i n gp i na n d t h e c a v i t yp l a t et ov e n ta i ri sf a i l e da n dt h en u m b e ro f w e l dl i n ei n c r e a s e s t h e r e f o r ei t w a sp r o p o s e dt om a k es o m ev e n t sa to n es i d eo fs t a t i o n a r ym o l dp l a t ea n dp a r t i n g p l a n e t oi n c r e a s ev e n t i n gc a p a b i l i t ya n dt oe l i m i n a t et h ew e l dl i n ed e f e c to f3 ds o l i d p a r t sw i t h t h em o l d i n g p r o c e s so f h i g hi n j e c t i o nr a t ea n dp r e s s u r e t h i sr e s e a r c hi so n eo fi m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm e t a lp o w d e ri n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c to f n a t i o n a le n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e rf o r p o w d e rm e t a l l u r g y 仆i e r cf o rp m ) 。w h i c hh a so b t a i n e dt h es e c o n dp r i z eo f n a t i o n a l s c i & t e c ha d v a n c e m e n ta w a r di n2 0 0 3 k e y w o r d s ：m e t a lp o w d e ri n j e c t i o nm o l d i n g ，c r o s s - w l fv i s c o s i t ym o d e l ， f l o w a n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，u m l ，s p i r a lm o l d ，j e m i 唱 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：丛塑盏日期：血生年土月堑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名弛塞。导师签名髫乞日期：毕土月堕日 博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属粉末注射成形工艺概况 金属粉末注射成形技术( m i m ) 是传统的粉末冶金技术与热塑性塑料注射成 形技术相结合而产生的一种高新技术，如图卜1 所示。它既克服了传统粉末冶 金只能生产形状简单的零件的不足，又避免了塑料零件力学性能低的问题；既 具有传统粉末冶金零件致密性好、力学性能高的优点，同时又发挥了塑料注射 成形技术大批量、高效率地生产形状复杂零件的优点“。2 1 。 图1 1 金属粉末注射成形技术交叉学科示意图 粘结剂的性质决定了成形工艺以及模具和注射成形机的设计与操作。对于 采用热塑性粘结剂的喂料成形，采用往返运动的单螺杆注射成形机，对于采用 热固性粘结剂的喂料，则采用传递模塑成形机，模具中的喂料被加热软化并引 发热固化反应。目前，金属粉末注射成形普遍采用热塑性粘结剂，因此其成形 工艺与热塑性塑料注射成形相似。 粉末注射成形工艺流程如图1 - 2 所示，主要由粉末和粘接剂的混合、注射 成形、脱脂和烧结等工序组成。其基本过程是将金属粉末与粘结剂混合均匀，制 成注射料，接着在注射机上成形，然后除去粘结剂( 脱脂) ，最终烧结成接近全致密 的产品，最终零件的精度要求决定是否进一步进行精密切削加工。其中注射成 形是金属粉末注射成形工艺中的一道关键工序l 。在注射成形过程中将粉末与 粘结剂的混合物( 简称为喂料) 加热到1 6 0 0 c 左右时，使喂料成为可流动的熔 博士学位论文 第一章绪论 体状态，此时粘结剂充当金属粉末载体将粉末载入到各种形状的模腔中成形。 塑料注射成形只需要一道成s t 序而不需要经过烧结，而粉末注射成形概念是 指其中的所有工序。因此粉末注射成形是指混合、成形、脱脂和烧结的全过 程，而不像塑料注射成形只有一道工序。 图卜2m i m 的关键工序 在图卜2 中，混炼工序是将金属粉末与粘结剂混合均匀的过程，只有当喂 料混合均匀无相分离时才能在注射后得到均匀的坯块，并最终得到尺寸一致的产 品。注射成形是指喂料通过注射机喷嘴注射到模腔中成形的过程，均匀的注射成 形坯才能保证后续工序尺寸的稳定。脱脂是将粘结剂除去并产生少量预烧结的 过程。烧结是m i m 中最后一道工序，由于致密化过程的产生，会出现1 6 1 8 的 线收缩，并且尺寸变化很大。为了获得所需的性能，烧结时需控制烧结体密度、 杂质含量及组织，因为其组织、密度的改变势必会影响到产品的尺寸及精度“3 。 图卜3 注射成形机机座上方的基本结构 注射成形是金属粉末注射成形工艺中的一个关键环节，它采用和塑料注射 成形完全一样的设备，如图l 一3 所示，它主要由注射装置、锁模装置和温度控 制系统等组成。注射成形过程包括填充、保压、冷却三个阶段。填充阶段由注 射机螺杆向前移动并推动熔体从料筒的喷嘴依次进入模具的主流道、分流道、 浇口、模腔，一模四腔的浇注系统和模腔如图卜4 所示。 博士学位论文 第一章绪论 图卜4 一模四腔的模腔和流道系统的组成 在填充结束后进入保压阶段，完成因熔体冷却收缩的保压补缩：在保压的 同时，喂料中的热量通过模具散发出去，伴随着冷却阶段。模腔中的熔体固化 后，温度减到脱模温度，开模取出已硬化的成形坯，然后开始新一轮循环。 1 2 金属粉末注射成形工艺特点 金属粉末注射成形技术中的注射成形工序直接采用了塑料注射成形技术， 使用同样的注射成形机和模具布置方式，且加工工艺参数相似，但两者之间也 存在许多不同之处。 在成形工艺方面，塑料注射成形的注射成形就是最终工序，得到的成形件 是最终产品，要求注射成形工序能生产出组织均匀、应力均匀和熔接线位置分 布合理的零件：而金属粉末注射成形工序比塑料注射成形多，除注射成形工序 外，还有脱脂和烧结等后续工序。注射成形仅是整个m i m 工艺的一个中间工 序，零件只是一个半成品。 在材料成形性能方面，两种工艺使用的成形材料存在较大差异，m i m 喂料 与高分子聚合物相比具有密度和导热系数大，比热容小，因此m i m 喂料在充模 时流动性差，凝固速度快，易出现欠注缺陷，得到的成形坯强度较低，金属粉 末喂料与热塑性塑料h d p e 物理性能对比如表卜l 所示“3 。 表i - 1m i m 喂料与热塑性塑料h o p e 性能对比 密度比热容导热系数强度 材料 g c m k j k g ，o c w m k m p a h d p eo 9 52 3 0 3 o 4 8 2 0 3 0 m i m 喂料 5 0 - 1 01 3 0 8o 5 1 00 6 - 4 博士学位论文 第一章绪论 在熔体组成成份方面，塑料聚合物属于单一物质组成的连续介质：而m i m 喂料由粉末和粘接剂两相混合物组成，因此喂料流变性能和成形性能比聚合物 熔体复杂。 m i m 喂料的这些特性使注射成形工艺参数难以控制，m i m 产品可能出现的缺 陷基本是在注射成形过程中形成，如欠注、裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末与粘 结剂分离现象等，这些缺陷在脱脂和烧结后，通常又会导致不规则收缩、水泡及 翘曲等不良后果m 1 。 由此可见，注射成形工序在粉末注射成形中起到了举足轻重的作用，系统 深入地研究金属粉末注射成形的流动过程，揭示工艺参数等因素对喂料成形性 能的影响规律，对m i m 技术从实验室走向工业化生产具有重要的理论和实践意 义。本文的研究范围将界定在粉术颗粒形态均匀、粘结剂性质良好、粉术与粘 结剂混合均匀的情况下注射成形工序中的理论和技术问题。 1 3 注射成形技术研究进展与现状 1 3 1 金属粉末注射成形技术发展现状 金属粉末注射成形( m i m ) ，最早可追溯到2 0 世纪2 0 年代，此时，已经有 学者采用粉末注射成形来生产陶瓷零件。第二次世界大战期间，该技术得到了 进一步发展，在火花塞和耐热喷管等的生产方面得到了应用。随后的几十年 间，粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1 9 7 9 年，由w i e c h 等人组建 的p a r m a t e c h 公司制造的两件金属粉末注射成形零件波音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，荣获设计大奖后才引起世界粉末冶 金行业的普遍重视，并标志着m i f 技术的f 式问世”1 。 第l 项m i m 专利由r i v e r s 于1 9 7 8 年发明。但这一专利能否应用于大量生 产人们普遍持怀疑态度。真正可批量生产且具有实用性的第l 项专利是1 9 8 1 年由w i e c h 发明“3 “，但是按照当时的专利技术，成形后的坯件脱脂、烧结分 别需要2 3 天，生产周期约长达1 周时间。美国的r e n s s e l a e r 大学等单位投 入了很大的精力来研究金属粉末注射成形技术，开展了金属粉末注射成形喂料 的充模流动过程计算机仿真方面的理论研究，并对喂料的混合、注射成形、毛 坯的脱脂、烧结等工艺过程作了深入的理论及应用研究“”1 ，从而推动了金属 粉末注射成形技术向实用化方向发展。 m i m 技术的出现给金属零件的生产带来了一场革命。由于金属粉末注射成 形能生产普通机加工难以生产的复杂的精密小型零件，生产效率很高，能大量 节省原材料，所以金属粉末注射成形很快就进入了商品化生产。除了前面提到 的由w i e c h 等人组建的p a r m a t e c h 公司外，美国r e m i n g t 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 航天和通讯公司等在2 0 世纪8 0 年代初都纷纷加 博七学位论且= 第一章绪论 入到m i m 的开发和生产。其中，1 9 8 2 年b r u n s w i c k 公司进入m i m 行业，并收 购了w i e c h 公司，随后又逐步注册了o m a r k 工业、r e m i n g t o n 军品、r o c k v 牙科 等子公司。1 9 8 6 年，日本n i p p o ns e is o n 引进了w i e c h 工艺。到1 9 9 0 年，以 色列m e t a l o r 2 0 0 0 公司从p a r m a t e c h 公司引进了w i e c h 工艺技术，建立了生产 线“。1 9 9 8 年，中南大学国家粉末冶金工程中心从美国引进生产线。到目前为 止，全球共有美固、法国、德国、瑞士、日本、中国等国家的1 2 0 0 家以上的公 司和机构从事m i m 技术的研究、开发、生产和咨询业务。在最近5 年旱，m i m 产业的年增长率为2 0 3 0 ，2 0 0 0 年全球m b i 产品市场总值达到7 亿美元， 预计到2 0 1 0 年，全球m i m 的总产值可增加到2 4 亿美元“。此外，m i m 的生产 已从f e n i 合金、不锈钢、高比重合金、硬质合金等向更多新型材料的方向发 展，其粉末注射成形零件的种类、规格也不断扩大。它正在成为一种新的主要 加工方法，用于m i m 生产的材料体系如表卜2 所示。 表i - 2m i m 生产的材料体系 材料体系合金成分 低合金钢 f e 一2 n i ，f e 一8 n i 不锈钢2 1 6 l ，1 7 - 4 一p h 1 具钢 4 2 c r m 0 4 ，m 2 硬质台金w c c o ( 6 ) ，w c c o ( 8 ) 陶瓷a t 2 0 3 ，z r 0 2 ，s i 0 2 磁性材料f e f e l 4 n d 2 b ，s m c 0 5 钛合金t i a l ，t i 一6 a 一4 v 铝合金n i 3 a i ，n i a i 美国宾夕法尼亚大学( p e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y ) r mg e r m a n 教 授，提出了创新和最优化工程解决方案，进行了多学科整合研究，先后撰写了 p o w d e ri n j e c t i o nm o l d i n g 等5 本书，发表了4 0 0 多篇文章，并同新加坡的南洋理工大 学l o b 教授开展合作研究，发表了有关收缩率和浇口尺寸对成形工艺影响的文章。 由于m i m 在制造几何形状复杂、组织结构均匀、性能要求高的产品上具有 优势而倍受瞩目，被誉为当今最热门的零件成形技术之一，广泛地应用于航空 航天、汽车、电子、军工、医疗器械、日用品及机械等领域。典型产品及应 用领域如表卜3 所示“。 博士学位论文第一章绪论 表1 - 3 典型产品及应用领域 应用领域m i m 典型产品 航空航天工业飞机翼铰链、火箭喷嘴、导弹尾翼、陶瓷涡轮叶片芯子 点火控制锁部件、涡轮增压器转子、阀门导轨部件、汽车刹车装置部件、 汽车业 汽车晒棚部件 电子业磁盘驱动器部件、电缆连接器、电子管壳、计+ 算机打印头、电子封装件 军工业 地雷转子、枪扳机、穿甲弹弹心、准星座、集束箭弹小箭 医疗牙齿矫形拖槽、体内缝合针、活体组织取样钳、防辐射屏罩 表壳、表带、表扣、高尔夫球和球座、运动鞋扣、体育枪械零件、文件装 日用品 订打空器 机械行业异形铣刀、切削丁具、微型齿轮 目前国内已有多家单位开展了粉末注射成形的应用研究，如中南大学粉末 冶金国家工程研究中心、北京有色金属研究总院、北京钢铁研究总院、广州有 色金属研究院等先后开展了m i m 的研究工作，并建立了实验生产线。“”3 。尤其 是中南大学粉末冶金国家工程研究中心在国家“8 6 3 ”项目、国家自然科学基金 项目等资助下开展了全面、系统的研究工作，研制了一系列军用及民用产品， 为商品化生产打下了基础，目前已产业化的典型产品实物照片如图卜5 所示。 图1 - 5 中南大学m i m 典型产品实物 博士学位论文 第一章绪论 1 3 2 注射成形流动过程研究进展 从m i m 方面来看，目前来自材料化学学科的研究人员对粉末、粘结剂以及 脱脂和烧结等工序开展了广泛的研究，而对m i b l 技术中的注射成形工序研究较 少，通常直接将注塑成形技术的设备、工艺引入金属粉末注射成形工艺。流动 仿真在整个金属粉末注射成形过程中是最关键的，它可以预测注射成形缺陷， 优化注射工艺参数，在国内外已经受到很大重视。 1 ) 注射成形流动过程的可视化实验研究 在注射成形流动过程研究领域中，日本东京大学p o l y m e r 实验室的 h y o k o i 教授，以实验研究著称，对生产中的问题通过设计实验模具来进行各 种可视化测试，开展了注射成形过程的可视化与传感测量技术的研究，从而解 决在工业界中分析软件解决不了的问题”“。 他自行设计了一套带有玻璃棱镜的可视化模具实验装置，在模具上设计制 造一个特殊导槽，将三棱镜嵌入到导槽中，棱镜的一个面紧贴模腔，而其他两 面与由模具侧面开出的且平行于分型面的视窗口邻接，通过观察从斜面反射回 的图像来监视模具内的成形情况。这个特殊的装置使研究者能观察到熔体从浇 口进入模腔的整个填充过程。该可视化实验模具可以安装在注射机上，可在常 规成形条件下作为实际成形模具使用，且能承受高达5 0 m p a 的高压。 y o k o i 教授嵌入透明棱镜的加热简试验装置，观察动态成形过程，该装置 在加热料简上轴向开出3 个槽，在槽中分别嵌入3 块玻璃，并将玻璃块夹紧， 以防止塑料熔体漏出，为了能观察到内部的动态成形过程，采用最快5 0 0 帧s 和7 0 倍高速摄象头( h s v 一1 0 0 0 ，n a ci n c ) 和频闪装置记录模具和料筒内部的图 像。采用含有最新开发的软件分析程序的图像处理装置对得到的图像数据进行 精确的定量分析，其实验装置如图卜6 所示。 图卜6 高速摄像头和闪光灯记录图像装置 热电耦传感器的集成装置是y o k o i 教授设计制造的温度测量装置，该装置 把许多热电耦集成在很薄的底层或陶瓷板上，连接点按行依次排列，相互之间 博士学位论文 第一章绪论 非常接近，其节距只有0 3 m m 。传感器沿着模腔或喷嘴中的熔体流动方向垂直 放置，塑料熔体流过传感器并被传感器的前沿分成两股液流。此时，热电耦可 测出熔体的温度分布，虽然传感器的存在对下游的流动有一些影响，但不会影 响此刻在分流点处测得的温度分布。 可视化测量技术被认为是研究各种注射成形现象的一种有效的、切实可行 的实验分析工具。当前，在日本工业界，带棱镜的模具、带玻璃的加热料简和 集成的热电耦传感器被广泛应用于数值仿真的结果检验，以改善、开发新机器 和新树脂材料，并可控制和消除成形缺陷。但是可视化工程的技术难度高，成 本消耗大，并且不具备对成形缺陷的预测功能，因此对更具生产实际意义的注 射成形流动过程计算机仿真技术的研究日益受到重视。 2 ) 注射成形流动过程计算机仿真技术的研究 流动仿真的目的是预测喂料熔体流经流道、浇口并填充型腔的过程，计算 模腔的压力场、温度场、速度场、剪切速率场和剪切应力场，并将分析结果以 图表、等值线和彩色云图的方式直观地反映在计算机屏幕上，优化浇口位置、 数目和注射成形工艺参数从而预测所需的注射压力及锁模力，以及可能出现的 欠注、烧灼、不合理的熔接线位置和气穴等缺陷。 早在2 0 世纪6 0 年代初，国外就开展了对熔体充填过程的仿真研究， t o o r 、b a l i m a n 和c o p p e r ”2 3 最先用数值方法进行熔体充填过程的仿真，展示了 该领域广阔的应用前景。h a l o r d 和g w i l l i a m s o ”对熔体的圆管流动及一维流 动做了详细研究，并建立了有限差分算法的计算模型，从而使一维充模流动仿 真趋于成熟。 2 0 世纪7 0 年代中期，研究学者转向对二维流动过程的仿真研究。 e b r o y e r 、c f u t f i n g e r 和z t a d m o r o ”采用流动网格分析法( f l o wa n a l y s i s n e t w o r k 。f a n ) 进行了二维非等温非牛顿流体的流动分析，对保压固化及分子取 向问题进行了有益的探索，提出了流动前沿位置的确定方法，并被后来的研究 者发展成为“控制体积法”。 2 0 世纪7 0 年代后期至今，三维流动过程的仿真成为流动仿真技术的研究 热点。c a h i e b e r 和s f s h e n o ”基于有限元有限差分混合法将h e l e s h a w 流推广到非牛顿流体的非等温的三维流动，但是该方法是基于零件中性面来进 行数值仿真的，并不是真实的三维流动分析。目前，三维流动仿真的研究方法 主要包括速度法、流动路径法和有限元有限差分混合算法。有限元有限差分 混合算法由于计算精度高而成为商品化分析软件普遍采用的方法。 近1 0 多年来，随着粉末注射成形技术的兴起和成熟，n a j m i 、l e e 、w a n g 、 l e o n a r d 。7 侧等众多学者在聚合物流动仿真研究的基础上，采用有限元有限差 分、有限差分等数值算法对p i m 喂料熔体的充模流动过程作了大量研究，并取 得了一些成果。p a n d e l i d s 、z o u 、n a j m i 和l e e 。”对p i m 填充过程中浇口位置 8 博士学位论文 第一章绪论 和工艺参数的优化进行了仿真分析。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仿真中，得到了浇口位置、熔接线位置、温度 场、压力场和剪切速率场等相关的可视化信息。此外，韩国p o h a n g 大学的 t h k w o n ”“等学者，对熔体与模壁的滑移现象进行了数值仿真，并开发了专门 用于粉末注射成形的c a e 软件p i m f l o w 。 在国内，塑料熔体的流动仿真研究日趋成熟，华中理工大学模具技术国家 重点实验室李德群教授和郑州工学院橡塑模具国家工程中心申长雨教授一直从 事塑料注射成形仿真理论及其软件开发研究，取得了显著的成果。 随着注射成形技术在不同学科领域中应用扩展，国内外注射成形技术的研 究机构也在不断增多。7 “”，国内外主要注射成形技术研究机构如表卜4 所 刁k 。 表1 - 4 国内外主要注射成形技术研究机构 机构名称研究特色 注塑模c a e 仿真软件专业开发公司，聚台物材料性能测 试，开发产品包括： 澳大利亚m o l d f l o w 公司a 制件工艺性测试及模其设计优化