金属粉末注射成形流动过程研究材料学专业毕业论文Word下载.docx

金属粉末注射成形流动过程研究材料学专业毕业论文Word下载.docx

《金属粉末注射成形流动过程研究材料学专业毕业论文Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属粉末注射成形流动过程研究材料学专业毕业论文Word下载.docx（224页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

摘要

金属粉末注射成形（MIM）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MIM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5．10倍，但在MIM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MIM喂料流变方程研究方面，首次引入Cross—WLF七参数模型对MIM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—Ni．Fe高比重粉末喂料和316L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MIM材料数据库的基础。

在MIM可视化仿真软件开发方面，为了建立软件系统模型及基于Cross—WLF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（00SE）与统一建模语言（UML）技术首次引入到MIbi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Visualc++与Delphi开发工具编码实现了2维MIM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MIM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Qk。

在MIM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2003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，Cross。

WLF粘度模型，遗传算法，UML螺旋线测试模具，喷射流动

ABSTRACT

MetalPowderInjectionMolding（MIM），thecombinationoftraditionalpowdermetallurgyandthermoplasticinjectionmolding，isoneofhigh—tech．Asoneofthehotresearchesofcurrentadvancedmanufacturingtechnology,itcanbeusedtomass—producecomplicatedproductsof：

finequalitywithlesscost，whichmeetsthe

requirementsforprecisekeypartswithirregularshapeandhighperformanceinmany

industriessuchasnationaldefence，communication，machinery,amomobileand

medicaldevice．Somekeyissnesofflowprocessininjectionmoldingwerestudiedwiththeoreticanalysis，experimentaltestandsoftwaresimulation，whichareas

follows：

InthecommonassumptionresearchofMIMfluidmodel．dimensionalanalysiswasfirstlyadoptedinanalyzingeachitem’sdimensioninmomentumequationof

feedstockmeltinordertostudytheinfluenceofgravityandinertialforceonflowprocess．Tl圮resultshows也atthedimensionofviscosityforceisat1east2．3orders

biggerthallgravityandinertialforce’sinflowanalysisofMIMwhilethedensityofmetalpowderfeedstockis5-10timesbiggerthanpolymer’s．Sotheviscosityforceisaprimarycofltrolfactor．Itnotonlycansimplifyfluidmodelwithlessanalyticaltime

andcost，butalsomakesnoneedtoconsiderthelayoutofrunnersininjectionmold

designthatneglecttheinfluenceofgravityandinertialforceonflowprocessoffeedstockmelt．

IntheresearchofrheologicalequationofMIMfeedstock．theflowprocessofNon-NewtonianfluidwasfirstlystudiedbyusingCross-WLFSeven．Parametermodel．Forsolutionoffeedstockviscositymodelparametersandshortageofregress

functionincurrentmoldinganalysissoftware，aQuickSelf-adaptiveGeneticAlgorithmwasbuiltandthepackagewasdeveloped．ThenthealgorithmwasusedtogetthesevenparametersofviscositymodelofW．Ni-Feheavyalloyand316L

stainlesssteelfeedstock，whichprovidethenecessarymaterialdataforqualityforecastofmoldcorepartmadeofstainlesssteelandheavyalloytungstenball，andforoptimaldesignofmoldandprocessparameters，whichestablishesthefoundationofmatedaldatabaseofMIM．

1ntheresearchofvisualsimulationsoftwaredevelopment．inordertobuildtheSOR'

WaresystemmodelandflowanalysisalgorithmbasedonCross．WLFviscositymodel，andrealizefunctionssuchaspre-processor,solver,parameterregress，datamanagement，graphoperations，someadvancedsoftwaremethodsasOOSE（ObjectOrientedSoftwareEngineering）andUML（UnifiedModelingLanguage）were

appliedtosetupusermodel-staticmodelanddynamicmodelofMIMsimulation

software．Thesemodelsdescribesvstemfunction．eventflow,structureandrelationofclasses，objectinteraction，structureofdatabaseandI／OfilefoITllat．Finally,simulationsoftwarewasdevelopedwithVisunlC++andDelphifor2DmoldinganalysisofMIM．whichaffordsfacilitiesforthequalityforecastof2Dthinwallpartsandoptimaldesignofmoldandprocessparameters．

IIl

InthereseatchofmoldingperformanceofMIMfeedstock．fortheshortcomingofcapillaryrheometry,itwaspropoundedthatusingspiralmoldtestmoldingperformanceoffeedstock，andasetofspiralmoldwascreativelydesignedwith

quicklyexchangegatesandclosedmoldcavity．Withthespiralmold，anorthogonal

experimentwasmadeongettingregressequationofflowlengthLmoftheheavyalloyfeedstock．ThentheruleofL册varyingwithQ蝌，Pm，and△死wasdiscovered．Q卅ranksfastintlleinfluenceonprocessparametersofmoldingperformance．Pmand△

％second．Thereforetheinjectionrate幽shouldbecontrolledprimarilytoimprove

theflowperformanceoffeedstock．

IntheapplicationresearchofMIMsimulationsoftware，simulationandinjection

experimentshavebeenmadeonthestainlesssteelmoldcoreandheavyalloytungsten

ball．TheformeranalysisresBItsshowthatbecauseof“Runwayeffect”．thereisseriousdisequilibriurnflowontwosidesininjectionmoldingwithsinglegate，therearefourobviouswavecrestsandtroughsonflowfront，thereisshortshotatcentralpole．andthereisallareatomostdifficultlymoldinthecoreaxis．Bothbreakageof

centralpoleanddefectiveflowcanbeimprovedbyoptimizingthesinglegate

position．gatenumbersandstructuredesignofparts．Thelatteranalysisresultsshowfeedstockmeltflowsinthecav对inthewayof‘'

jetting”andWasdirectlyinjectedagainstthecavityplatefromgate．Asaresult，thegapbetweenejectingpinandthe

cavityplatetoventairiSfailedandthenumberofweldlineincreases．Thereforeit

wasproposedtomakesomeventsatonesideofstationarymoldplateandparting

planetoincreaseventingcapabilityandtoeliminatetheweldlinedefectof3Dsolid

partswiththemoldingprocessofhighinjectionrateandpressure．

ThisresearchiSoneofimportantcomponentsofMetalPowderInjection

MoldingTechnologyResearchProjectofNationalEngineeringResearchCenterforPowderMetallurgy仆IERCforP／M）。

whichhasobtainedthesecondprizeofNationalSci&

TechAdvancementAwardin2003．

Keywords：

MetalPowderInjectionMolding，Cross-WLFViscosityModel，

FlowAnalysis，GeneticAlgorithm，UML，SpiralMold，JemI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（MIM）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“。

21。

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1600C左右时，使喂料成为可流动的熔

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MIM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。

MIM喂料的这些特性使注射成形工艺参数难以控制，MIM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m1]。

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MIM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（MIM），最早可追溯到20世纪20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1979年，由Wiech等人组建的Parmatech公司制造的两件金属粉末注射成形零件——波音707、727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MI~f技术的『F式问世””1。

第l项MIM专利由Rivers于1978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1981年由Wiech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Rensselaer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。

MIM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Wiech等人组建的Parmatech公司外，美国Remington武器公司、IBM公司、FormPhysics公司、Ford航天和通讯公司等在20世纪80年代初都纷纷加

博七学位论且=第一章绪论

入到MIM的开发和生产。

。

其中，1982年Brunswick公司进入MIM行业，并收购了Wiech公司，随后又逐步注册了Omark工业、Remington军品、Rockv牙科等子公司。

1986年，日本NipponSeison引进了Wiech工艺。

到1990年，以色列Metalor2000公司从Parmatech公司引进了Wiech工艺技术，建立了生产线“。

1998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1200家以上的公司和机构从事MIM技术的研究、开发、生产和咨询业务。

在最近5年旱，MIM产业的年增长率为20％～30％，2000年全球MBI产品市场总值达到7亿美元，预计到2010年，全球MIM的总产值可增加到24亿美元“。

此外，MIM的生产已从Fe—Ni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MIM生产的材料体系如表卜2所示。

表I-2MIM生产的材料体系

材料体系合金成分

低合金钢Fe一2Ni，Fe一8Ni

不锈钢216L，17-4一PH

1具钢42CrM04，M2

硬质台金wC—Co（6％），WC—Co（8％）

陶瓷At203，Zr02，Si02

磁性材料Fe．Fel4Nd2B，SmC05

钛合金TiAl，Ti一6A]一4V

铝合金Ni3AI，NiAI

美国宾夕法尼亚大学（PennsylvaniaStateUniversity）R．MGerman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PowderInjectionMolding等5本书，发表了400多篇文章，并同新加坡的南洋理工大学Lob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MIM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