塑料电子表盖注塑模具设计【含CAD图纸、说明书、三维图纸】

一 金属注塑成型加工的缺陷和对机械性能的影响本文论述的是金属注射成型技术产生的加工缺陷和对材料加工相关的机械性能的影响（金属注射成型） 。金属注射成型的工艺包括多个步骤：首先是在注射的金属粉末中混合热塑性粘合剂，然后是消除聚合物粘合剂的脱脂阶段，再通过固态了、扩散的烧结阶段，这个阶段通常导致密集的组件。金属注射成型过程出现的最主要的缺陷是和注塑相关的粉末分离和固态扩散导致的不均匀、有缺陷的机械性能。本文首先描述了一个两相的流体流量的方法,可以准确地预测粉末注射成型后体积分数 h 和得出相关的偏析缺陷结果.这个分析是通过持续跟踪一个基于弹粘类比的适当的烧结模型来预测产生的局部密度在烧结和关联的缺陷.因此,从这两个后续的模型,就有可能可以得到最终处理后的粉末密度和局部可能产生的缺陷。这个分析是通过对对一个使用多孔材料模型来得到最终的合成处理后力学性能的分析完成.关键词:金属注射成型、缺陷、偏析、烧结、建模简介金属注射成型金属注射成形是用于粉末冶金行业相对较新的处理技术，这在大量制造小型和错综复杂的金属组件在是特别有效的便利的。它包括混合组成的粉末和粘结剂四个基本步骤,注射成型、脱脂、最后烧结粉末骨架。1。应该适当控制在每个金属注射成形步骤产生的缺陷以获得最终的组件所需的性能。注射成型和烧结两个最重要分别获得相关绿色部分和最后部分的步骤。对热塑性原料的注射成型工艺,如喷射、空气陷阱、死区、焊接线、等的缺陷在金属注射成形中也可以发生。然而,强制粘结剂分离,称为相隔离,由于不同密度的金属粉末和相关热塑性而发生在高速和高压注塑工艺。它可以引起绿色组件的不均匀。所有出现在注入步骤的这些效应在下一步骤必定是放大。脱脂步骤后, 粘合剂被去除，并留下多孔粉末和毛孔的组件。在接下来的烧结步骤,debinded组件置于低于主要成分熔点温度环境下，以获得所需通过扩散结合一起的粉末粒子的最终密度。注射成型后的,脱脂,和烧结之后绿色组件之间的收缩导致的结果是,使一般范围在 10 - 20%的密度变成范围在 95 - 100%之间。为了得到最后的组件所需的尺寸精度和指定的机械性能, ,因此必须控制不均匀等缺陷，这些缺陷是影响材料包括初始密度、升温速率、烧结温度和气氛,摩擦、重力等加工因素。3.本文讲述了关于在金属注射成形工艺产生缺陷的实验调查。为了获得合格的金属注射成形产品，传统的试验和错误的方法广泛应用于工业 ，反复改进和调整工具和加工参数。数值模拟在金属注射成形的开发正在发展,并期望在替代试验和错误的来两个方法钟提供一个有效的成本。本文主要讲述在金属注射成形中注射成型和烧结步骤的建模和数值模拟, 在流体粒子流动注射过程中出现的 4、5 步骤展示一个两相流模型。每个阶段都有它自己的密度、速度场和体积分数特征。在粉末和热塑性聚合物之间有一个交互术语占论述这两个阶段之间的动量交换。在我们的研究团队，一个新的高效明确的算法被应用在有限元软件开发中。这个新改进算法高效率明确解决两相的不可压缩流问题。【6.7】基于连续介质力学的烧结模型的现象概念用来预测最后的组件尺。【8.10】在使用粘塑性本构定律使用的材料和工艺参数弯曲测试中得到肯定，并在烧结条件和膨胀法测试下进行。 【11.12】为了执行与金属注射成形相关联的烧结步骤的数值模拟，模型和确定的材料参数被应用在 ABAQUS 有限元求解器。在接下来烧结模拟中得出由两相的注入仿真产生的注塑组件导致的粉末体积分数产生分布。基于仿真结果,预测最终的机械性能和机械强度。实验对 316 L 不锈钢进行调查来验证提出的建模与仿真。2010-1,vol.132/011017-1图 1 由气体雾化 316 l 不锈钢粉末和蜡为热塑性粘合剂 的金属注射成形原料SEM 照片1. 实验研究2.1 材料和程序。先进的金属加工颗粒提供了一种 316 l 不锈钢原料,LLC。,Carmel,IN 和石蜡基粘结剂被用做原料。粉末的体积分数为原料的 62%。图 1 显示的是通过电子显微镜扫描观察到原料的微观照片。球形粉末颗粒的直径小于 45m、D80=16m。可以观察到粉末和粘结剂混合得很好其中有一个说明均匀的原料在接下来的步骤地很重要的。在金属注射成形处理中，注射成型是把原料变成所需几何图形的过程。这个步骤包括对原料加足够温度的热量以使原料融化，然后在高压下包装，最后冷却和推出模具零件的型腔。在实验中使用了一台 22 吨的注射机。热脱脂是用来从未成形不锈钢零件上去除石蜡基粘结剂。预烧和烧结过程是在真空条件的一个炉中批处理进行。对各种注射、脱脂、烧结处理进行检查，找出其对最终组件的影响。2.2.注射成型中的喷射缺陷。喷射现象是指熔体没有形成统一的流向，而是形成一个指状的蒸汽，维持进入模腔的几何形状。学术上对金属注射成形喷射的描述有三种形式：传统的阶段是液体喷射和固相喷射。对于传统的喷射，液体流动蒸汽喷射到型腔壁上。然后倒流，最后形成一个充满型腔的一个流。在最后的模制品中出现的传统喷射导致的缺陷。对于固相喷射，一个固体的指状流蒸汽自己本身堆积而不是形成一个反向流动。固相喷射导致的结果是在表面产生不规则的熔接痕和开裂。玻璃式的模具型腔可以让我们使用高速电荷耦合 CCD-摄像机装置连续记录前面混合物灌装的过程，见图。2-14。然后，图像处理软件提供一个虚拟连续的填充阶段视图。在 MIN 中，由于粉末的数量是非常大的，粉末和粘结剂混合物的流变行为和热塑性聚合物的流变行为基本是不同的。事实上：粉末的数量是非常大的，例如 60%的体积。我们重点关注在型腔和一样厚度的浇口横截面上与喷射有关的事件。为了这个目的，我们使用了不同的流道和长度和不同尺寸的模具型腔。表 1 中描述了用注射参数来获得部件。图 2316 号不锈钢原材料的灌浆期在模具型腔中产生的喷射现象。A ：原材料 B ：回收原料这些参数也得到原料供应商的赞同。注塑的不同填充阶段利用 CCD 相机采用间隔为 0.04 秒的帧数记录。这些记录提供了一个准确的描述注射过程的填充情况。见图 2 图 3 所示为注射前的原料，可以观察到，在注射开始阶段，316L 号熔体像指状的蒸汽流入型腔内。然后，蒸汽到达型腔的对面。最后，主要沿着注入方向填充其他空腔，直到填充完成。可以注意到，熔体环摇在空腔的中间。蒸汽的重叠导致注射过程的连续出现问题。喷射是注射成型中加载聚合物的一个常见的现象。这种现象时不好的，它会导致最终组件的缺陷。第二列所示为在第一次注射阶段后对循环原料喷射的控制。它表明了喷射开始的形成。但确实是一个可以接受的结果。见图 2b。这种现象文字描述为固相喷射。从注射中期开始，熔体开始填充空腔的横截面。空腔下半部分的冷冻棒，这个细节还说明利用回收的原料比原来的原料注射的组件更均匀。这是因为循环利用的原料比原始的更均匀。2.3 为了研究注射成型在注射中粉末和粘结剂之间的隔离缺陷。设计了如表1 所给参数的五腔模具进行注射加工实验。实验得到的模制品如图 3 所示。拉伸成型和车轮组件被切成小段。以获得氦比重和精确的平衡。表 1 为 316 基础原料注射的处理参数使用参数：注射压力杆 160注射速度金属注射成型/s 160模具温度 （度） 50包装压力杆 45注射时间 s 0.18011017 - 2 /卷。132,2010 年 1 月作 ASME图 3 316L 不锈钢在金属注射成形注射过程由于片缺陷导致的毛胚模制品密度的不均匀。图 a：注塑组件，图 b：拉伸试样的轮廓密度，图 c:经过分割的车轮组件的轮廓密度。当时得到模制部件的密度，见表 3b 和 3c。偏析效应取决于原料的性能、模具设计和工艺参数。2.4 脱脂阶段发生的裂缝和扭曲。由于在模制部分去除了粘结剂，组件逐渐变得脆弱。在脱脂时容易发生裂纹和变形的缺陷。因此，应该根据原料和组件的形状来正确设计脱脂过程。提出的热循环的拉伸和弯曲试验标本见图 3，以速率为 0.625C / min 加热到130C 然后加热到 220，然后以 0.1C / min 的较低速率最后维持温度一小时【7】 。然而,当这个循环用于脱脂的热带植入物与相同的原料原型为图 4a 视，出现裂缝，见图 4b【16】 。同时，当骨关节植入物在支持板上脱脂时，由于重力，在接触位置有明显的失真，见图 4c。为了避免这些缺陷，可以缓慢加热延长热脱脂的周期和采用半腔模具。 【16】 。2.5 烧结中的不均匀收缩和变形。在注塑模具设计时设计的型腔应尽可能呈现烧结中的收缩部分。不幸的是，诸如绿色不均匀、重力、摩擦力、温度梯度等因素导致收缩的不均匀。我们进行了一个拉伸试验的测试，见图 5.试验分别平均取对应于长度、宽度、和厚度为 13.11%,14.09%和 14.55%的量的铸件进行烧结拉伸试验测量。不能去除注塑和脱脂有关的缺陷。但会在烧结过程中这些缺陷被放大。举个例子，图 6 所示为试样在 1150烧结后的弯曲变形，这是在注射成型中由于注射不足或保压不够导致的绿色不均。3 金属注射成形的两相注入模拟3.1 两相的模型注射成型。在欧拉描述的框架下对金属注射成形的注入阶段进行仿真。两个不同阶段的流动表达理论原料混合物注射流。即固体表述为金属粉末的流动而液体表述为粘结剂聚合物的流动。两个不同的流动由通过动量交换条件的 n-s 方程进行阐述。在每个瞬时 t,每个阶段，模具型腔填充部分体积分数用两个变量_ s 和 f来定义 。分别命名为固体和流体体积分数。根据质量守恒,s 和 f 应该不断满足以下饱和条件: s + f = 1 和T s + f = 0 1固体和液体的流动是描述为 Vs 和 Vf 两个截然不同速度场.混合物的有效的速度被定义为:图 4 316 l 不锈钢金属注射成形髋关节植入物发生在脱脂的的裂缝和变形缺陷,a，注塑模型和脱脂组件。：在脱脂阶段产生的裂缝。c：脱脂阶段发生的变形JANUARY 2010, Vol. 132 / 011017-3填充前追踪与有效的速度场有关平流效应。使用的填充状态字段变量 F 表达填充过程和在填充模腔的一部分对应的值等于 1.0， ，而在未填充图 5 比较的几何形状的 316L 不锈钢拉伸试验后试样的注塑成型和烧结表示在各个方向上的收缩不均所述模腔的一部分的值为零。此字段变量许可表达前的位置与时间。利用Taylor-Galerkin 方法是用于处理相关的平流方程。该混合物的流动：所以，下面各相流量的的质量守恒公式，可以直接使用，以评估体积分数的演变：式 EQ4 的解决方案在规定的瞬间直接测量的隔离效果。不可压缩混合物相当于每个阶段从相关联的饱和的体积分数的约束产生的质量守恒，从而导致一个单一表示混合物不可压缩条件的公式：在金属注射成形注射的阶段，由于雷诺数通常是很小的，在纳维斯托克斯方程中可以忽略平条件。然后，每个阶段的动量守恒方程可以减少到两个耦合的Stokes 方程：和P 代表在该混合物中的压力场，ms 和 MF（ms=-Mf）术语代表之间的互动效应，两个不同的阶段的流量。这两个条件是成正比的。两相之间的速度差异：其中 k 是相互作用的参数，该参数可以是常数或加工和材料参数的函数。在各相的流量的粘性行为由如下状态方程表示：图 6 316L 不锈钢钢烧结失真的弯曲试验片，由于相关联的缺陷发生在注射成型步骤图 7 粘度曲线上获得的 316L 不锈钢基于原料和相关的粘性行为每个阶段从造型这里 s 和 f 是偏柯西应力张量固相和液相 s 和 f 是相关的偏应变率，T 是该混合物的温度，s 和 f 分别是每个阶段的粘性模量。3.2 测定粘合剂和粉末粘性现象。在金属注射成形通过注射阶段的建模混合物理论必须解决两个耦合斯托克斯方程。因此，有必要提供的粘性行为的自己的各相流量以及交互作用参数两个阶段之间的动量换。粘性行为双相模拟一般被视为非牛顿的，根据原料的性质。然而，的原料混合物的粘性行为来衡量，一般采用毛细管流变测试。因此，为了提供双相输入的要求;仿真，一个特定的方法已经被提出来确定粘性行为的每个阶段，双相的框架下建模17,18开展了对粘度测量316L 不锈钢粉末和聚合物的基本原料3.3 两相注塑数值的实现。解决这两个耦合的斯托克斯问题要用到有限元方法，传统的计算方法，包括使用隐式的程序。在这些解决方案中，求解过程全局的自由度数几乎增加了一倍，因为花费巨大的计算能力，可能导致有些模拟无效。作者的贡献，包括开发显式算法对两相的模拟【17、18】 ，基于以前用于显式方法的原则开发的模拟的铸造和聚合物注入和单相模型【19,20】 。该算法的效率，已经证明，计算成本和模拟相媲美的具有相同的自由度数比单相模型。这个解决方案是在几个部分的步骤进行。大多数步骤在两个不同的阶段并行计算，除了这整个步骤需要评估模腔中的压力场。基于混合插值的元素，两个耦合 Navier-Stokes 方程在三个连续的步骤解决分别考虑粘性扩散的影响，相互动，和不可压缩。新算法的程序在表 2 中进行说明。表 2 两相的情况下提出了标准算法。Ks 和 Kf 为刚度矩阵在每个阶段对扩散的影响;Ms 和 Mf 为每个阶段的总质量矩阵;Fs 和 Ff 为每个阶段外部承载负载向量,分别地;K 是交互效应刚度矩阵;Vs 和 Vf 代表第一个试验的每个阶段的速度场;Vs和 Vf 代表第二次试验中每个阶段的速度场;Vsn + 1 和 Vfn + 1 是每个阶段考虑时间的最终速度场的结果;P 代表混合压力场,一个代表着在有限元法中装配操作;C CT 分别是梯度和分散的运算符;P 是压力场的混合物;Ka 和 Kd 的矩阵,分别代表了在解决充填状态方程中平流、扩散效应;Fn + 1 和 Fn 代表填充状态时间，tn + 1 和 tn;代 n、f、n 为每个阶段即时体积分数 tn;Kadv 和 Kdiv 是矩阵,分别代表了在解决体积分数方程平流、扩散效应;n 和 f 为每个阶段在即时预测的体积分数 tn + 1,n + 1 和 fn + 1 代表每个阶段的即时体积分数 tn,作为重要的结果的预测,M 是一个独立的质量矩阵。3.4 两相的注塑仿真例子。基于以上两相的模型和数值方法, 对两相的注塑模拟内部软件 FEAPIM被开发出来。对车轮部分进行两相的注入模拟,见图 8。注射温度用于 165C 融化原料、模具温度是 60C,注射时间是 0.5 秒,注射压力是 100bars。车轮组件是网状的微型元素类型,包括 2923 个节点和 11241 个元素。选择微型元素有限元建模,金属注射成形建模为复杂不可压缩流。这些元素满足所谓的在一个全局意义上 Babuska-Brezzi 条件【21】,插值函数对速度场的要求是高于压力场。在注射成型的填充状态变化和粉末体积分数显示在图 8。4烧结阶段金属注射成形工艺的数值模拟4.1 烧结的宏观模型。一个基于连续介质力学原理可宏观模型可以在整个烧结阶段和结束阶段用来预测这个铸件组件缩孔和扭曲。注射成型后的原始部分和脱脂被认为是一种可压缩的多孔材料部分。烧结体的变形部分量很大,动量和能量守恒方程 8。模型主要的问题包括烧结过程中规则构成部分。高温下烧结,多晶材料的致密化由扩散过程决定。相关宏观行为可以看作是蠕变变形，这个现象导致部分【3】的收缩和变形。烧结体的变形被认为是独立的。一个线性基于连续介质力学的粘塑性本构定律可以用来描述这个过程 8。它可以被表示为：其中 vp 是粘塑性应变率, 是柯西应力张量,是偏应力张量, m = tr（） / 3 是压力的意思,I 是一个二阶张量,Gp 和 Kp 是多孔材料的剪切和体积粘性常数等, s 是烧结致密化过程的压力驱动。弹性粘滞类比用来确定粘度模【22】：这里 z 是单轴粘度、vp 是粘性泊松比, 是多孔材料的相对密度,由质量守恒方程 =tr。参数 z 和 s 是本构定律的两个主要参数 ,应该正确地确定数值模拟的目的。无压烧结通常用于成形零件。在烧结中零件的弹性形变非常小, 和由于粘塑性而产生的收缩相比可以被忽略,对于 316 l 不锈钢粉末烧结的金属注射成形组件,晶界扩散是致密化主要原因。基于库伯的蠕变模型和连续介质力学多孔材料的单轴粘度表示为【11】:图 8 填充状态和粉末体积分数变化的期间注射成型在不同填充阶段,来自 316 l 不锈钢原料两相的注入模拟T 是绝对温度,G 是晶粒尺寸,k 是一个常数,是原子体积,Db0 是系数的谷物边界扩散,R 是气体常数,Qb 激活能源对晶界扩散机制。下面的方程来描述行为的选择晶粒生长在烧结的 316 l 不锈钢粉末【23】:QG 是活化能对晶粒生长而 B 是一个材料系数。对 316 l 不锈钢,当温度小于1200C,成功之路上= 315.8 焦每摩尔,否则 QG= 50 焦每摩尔。Suri et al.。对 316 l 不锈钢粉末发生在烧结的研究晶粒尺寸的变化【24】 。在他们的试验中,气体雾化粉末材料的特性和目前用于实验原料相似。这些实验数据,确定材料常数 B 在式【12】中等于 0.98 平方微米/ s。由 Olevsky 提出的烧结压力的表达式被广泛用于不锈钢粉末的数值模拟【8】如下:其中 r 是粉末粒子半径，C 是材料常数。这个表达式现在用于工作中=。4.2 材料参数的确定。在我们的实验室已完成了进行烧结重力梁弯曲测试确定参数与单轴粘度【25】 。 在识别算法, 在式 【11】晶界扩散激活能量选为167 焦每摩尔3。用优化方法来确定，A= k / Db0。基于确定单轴粘度,在烧结的通过实验膨胀计收缩曲线来确定烧结应力参数 C 进入在式 13 【11、25】 。整个烧结过程分为三个阶段。所确定的参数以 8C / min 循环加热到 1360C并持续 1 h，如表 3 所示。计算单轴粘度和基于该模型收缩和相关确认参数显示在图 9。43 烧结仿真例子。用有限元软件提供的有限元分析求解器对完全耦合热应力进行数值模拟。烧结模型描述和标识的方程式。 （9）- （13）参数通过用户子程序 UMAT 实现的。在有限元分析中提供了 C3D8RT 编织元素类型部分。它包括 3748 个节点和2352 个元素。考虑了模拟中由于重力和摩擦造成的密度不均匀生。模拟中用到库仑摩擦模型。组件和氧化铝载体之间的摩擦系数被设置为 0.5。使用两相的注入仿真获得的初始密度轮廓如图 8 示。通过节点插值导入到烧结仿真中。从数值模拟获得的烧结组件尺寸的变化如图 10 所示。圆柱坐标系用来表达烧结模拟的结果,车轮中心设置为坐标系原点。由于绿色不均匀性、摩擦和重力影响,不均匀的收缩现象发生在不同的方向,见图 11。最后烧结组件的相对密度的显示在表 12。这个实验工作也进行了验证烧结仿真结果。Winwerth的视频显微镜测量用来测量绿色部分和烧结的维度,图 13 所示。特征尺寸大小从 R1 到 R4以及厚度比较如表 4 所示。注塑后引发的磨损的模具腔和小热膨胀在注射成型导致绿色部分尺寸变化。从仿真预测的烧结部分尺寸与平均实验值吻合得很好。表 9 316L 不锈钢提出了单粘度和收缩模型参数的获得与确定:（a）单轴粘度和(b)收缩然而, 实验测量得到的公差比这些从模拟得到的更准确,这意味着最初的绿色不均匀性和烧结部分之间的摩擦系数和在高温下的支持应该更精确地确定。这些因素对最终的烧结零件不均匀收缩有重要影响。5 预测烧结零件的强度5.1 烧结后模型强度的评估。对于多孔材料烧结后,下面的表达式提出了确定屈服强度和极限抗拉强度【26】:这里上标 0 表示锻造材料的强度,下标 y 和 UTS 表示屈服强度和极限抗拉强度,= 1 是孔隙率,Kc 是强度集中系数, 是一个常数。图 10 烧结前和后获得的数值模拟部分车轮几何图形的比较的下面的经验表达式,给出了力量集中系数的确定【26】:图 12 316L 不锈钢烧数值模拟结砂轮产生的最终相对密度图 13 316L 不锈钢的车轮组件尺寸变化:【a】注塑后和【b】烧结之后表 4 轮子部件从实验和数值模拟结果尺寸大小的比较其中 X 是颈部和粒子之间的直径，D 是粒子的直径。X / D 常被用来评估烧结粘结效果。Skorohod 提供以下在烧结确定 X / D 的表达式【27】:这里 0 是在绿色烧结部分的孔隙度。5.2 316L 不锈钢烧结部分强度预测。316L 不锈钢烧结零件的极限抗拉强度和屈服强度。根据（14） - （16）计算方程式。这个屈服应力 y0 选择 261 MPa,最终的抗拉强度极限抗拉强度UTS 选为 580 Mpa，锻造材料对应 316L 不锈钢 【28】 。常量 在表【14】设置为 1.8。没有时间限制不同温度下烧结组件强度的预测用来和拉伸测试结果对比,如图 14。通过模拟得到的实验数据曲线具有相同的趋势,但他们显示有些偏差。这是由于这样的事实,即模型的强度预测是基于一系列的经验方程。另一方面, 每个最高烧结温度拉伸测试实验只有一个样本。烧结组件的实际强度不能使用组标本平均值。这个测量值可以受许多随机因素如孔隙度、缺陷及测量技术影响【29】 。表 14 316L 不锈钢钢烧结零件屈服强度和极限抗拉强度的数值预测和实验数据6 结论金属注射成型是一个多步骤处理技术, 由于各种物理和技术的因素每一步都会出现相关的处理缺陷。粉末分离是一个发生在金属注射成形喷射过程特殊的现象。拟议中的两相的注入模型和相关的明确算法实现了有限元模拟预测了隔离缺陷是有效的。这个对烧结过程一体分析方法可以预测烧结部分的收缩和变形。在本构定律输入参数推荐的材料识别方法的,所得仿真结果更准确。结合注入模拟和烧结模拟预测两相绿色不均匀性、摩擦,和重力引起的不均匀的收缩和变形的烧结缺陷是准确的。可以评估基于该模型和仿真结果烧结零件的强度。我们的研究小组努力提高两相注入模拟和烧结模拟的准确性,以及全局流程的优化,减少或避免缺陷。参考文献1德国, R. 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