1 引言
金属粉末注射成形技术是近年来发展趋势较快、市场前景广阔的新型成形技术，是当今最热门的零部件成形技术[1]。在注射工艺中，涉及注射压力、注射温度、注射速度等工艺参数。通过数值模拟优化工艺参数，减少生产过程中试模的次数和废品数量，提高生产工艺效率和工艺经济性。
利用计算机对金属粉末注射成形过程进行模拟分析，能够对制品模具设计的合理性以及注射参数的设定提供参考依据，同时还能针对制品进行缺陷预测，减少试模次数，加快产品的研发。目前注射成形数值模拟软件有很多种，其中Moldex 3D使用最广泛，成为工业界主流的模拟分析软件。Moldex 3D软件利用计算机进行有限元仿真并构建了有效的数值计算方法，为使用者提供设计方案进行分析和模拟，协助使用者完成对各种复杂产品的分析处理。
照门座零件产品结构复杂，具有一定的斜度以及包括圆形通孔、环形槽、椭圆槽等多个复杂部分。该零件厚度分布不均匀，其中最薄为0.06 mm，最厚为14.521 mm。壁厚不均匀会造成零件冷却不均匀，严重影响产品尺寸精度和技术要求。本文选取该零件作为研究对象进行数值模拟研究，合理制定注射参数，提高产品质量，为其他零件注射过程提供技术指导，推动工业现代化发展。
2 数值模拟过程与分析
2.1 试验材料
实验采用Fe4Ni0.5Mo金属合金粉末与粘结剂(聚甲醛、高密度聚乙烯、硬脂酸等)[2]混合而成的喂料。材料的质量分数如表1所示，照门座零件如图1所示。零件使用Moldex 3D数值模拟软件进行注射过程的模拟，通过分析熔体流动波前、翘曲变形，最终优化成形注射成形工艺参数。
图1 照门座零件图
Fig.1 Scope-base parts
表1 材料质量分数
Tab1 Material chemical composition
元素规格/%检测值/%C0.50～0.600.53Ni3.90～4.204.24Mo0.40～0.500.48S<0.025—P<0.025—FeBalance余量
2.2 数值模拟过程
注射过程中涉及很多工艺参数[3-6]，包括注射温度、注射压力、注射速度等。设定模具温度为100 ℃，注射温度为190 ℃，注射压力以及流率分别为24 MPa、20 cc/sec，压力、流率变化曲线见图2与图3所示，其注射成形工艺参数数值如表2所示。
表2 注射成形工艺参数数值模拟方案
Table 2 Injection molding numerical simulation program
方案注射温度/℃注射压力/MPa浇口流率cc/s(a)1902820(b)1902825(c)1952025
图2 压力变化曲线
Fig.2 Pressure curve
图3 流率变化曲线
Fig.3 Flow rate curve
1) 产品网格划分
对产品进行网格划分，采用Moldex 3D中的Solid网格类型，对零件结构上会产生缺陷位置(圆孔、螺纹孔以及曲面)进行网格细节划分。通过对这些位置进行局部撒点，增加网格数量，曲率得到细化，网格排布上更接近零件的实际形状，模拟结果更加精确可靠。照门座件最终划分的网格数量为241 949，网格划分结果如图4所示。
图4 产品网格划分示意图
Fig.4 Product meshing
2) 确定浇口位置
利用Moldex 3D数值模拟软件，设计如图5所示2种方案。
图5 方案1(a)与方案2(b)浇口位置图
Fig.5 Option 1(a) and Option 2(b)
方案1在注射成形时最大流长比为17.22，喂料同时充满模具型腔，但该浇口位置在零件表面，影响零件表面质量。方案2的最大流长比为21.61，在该材料的最大流长比33范围内，浇口位置能够满足喂料熔体充满模具型腔的要求，且浇口位置在零件的底部，在设计时可以采用潜伏式浇口，不会影响零件的表面质量。基于上述2种方案，选择方案2为最终的浇口位置。
3) 设计冷却系统
在注射成形工艺中，要对模具进行加热，获得无缺陷的注射生坯。随着生产量的提高，需对模具降温，确保产品质量结构和尺寸精度[7-10]。设计冷却系统原则为：① 冷却回路数量越多，模具表面冷却温度均匀，变形小；② 产品壁厚不均匀，壁厚处应加强冷却，冷却通道间隔变小，并且适当靠近型腔。所以设计如图6所示2种冷却系统方案，设定冷却液初始温度为100 ℃，控制方式为温度控制。相对应的冷却效率对比如图7所示。
图6 方案1(a)与方案2(b)冷却系统图
Fig.6 Cooling water circuit plan 1(a) and plan 2(b)
对比2种冷却系统和冷却效率可知，方案(a)为直通水路系统设计，尾部采用软管连接，从图7(a)可以看出，模具上下模的冷却效率差别较大，上模冷却效率为44.798%，下模冷却效率为55.200%，其差值为10.402%，模具上下冷却效果不均匀，成形坯易产生翘曲变形；方案(2)采用回路设计，从图7(b)可以看出，模具上模冷却效率为48.195%，下模冷却效率为51.803%，其差值仅为3.608%，可认为模具上下模冷却均匀，对成形坯产品尺寸精度几乎影响。综上所述，冷却系统设计选用方案(b)。
图7 方案(a)与方案(b)冷却效率图
Fig.7 Cooling efficiency scheme one(a) and scheme two(b)
2.3 结果分析
1) 流动波前分析
流动波前主要用来判断喂料熔体是否可以充满模具型腔。通过数值模拟分析，根据模拟方案得到如图8所示的流动波前结果。方案c喂料熔体当时间为1.043 s时，熔体停止流动，在模腔前段仍存在有未充满的部分，说明注射压力太小，无法使熔融状态的喂料充满模具型腔。若要想使喂料充满模具型腔，则需要提高注射压力[11-13]。方案(a)、(b)在设定的参数下，均可以顺利充满模具型腔，充满模具型腔的时间分别为0.457 s、0.369 s时间上相差不大，对两者进行后续的数值模拟研究。
图8 不同注射参数条件流动波前分析云图
Fig.8 Flow wavefront analysis under different injection parameters
充填时间越短，可以保证产品的致密度和较高精度。充填过程中的压力分布会影响产品的变形，压力分布不均匀，存在内应力，产品会发生变形。依据充填-压力模拟过程如图9所示，压力分布均匀，产品无变形。
图9 充填-压力过程云图
Fig.9 Backfill-pressure process
2) 翘曲变形分析
翘曲变形与模具温度差、注射压力等有关，其中模具上下模温度差影响效果显著。模具上下模的温度差值越大，越可能产生翘曲。翘曲变形是有规律的，翘曲平面往往是向高温处弯曲[14]。翘曲变形如图10所示。
图10 翘曲变形云图
Fig.10 Warpage deformation analysis
方案(a)、(b)在不同注射参数条件下的翘曲变形依次为0.161 mm、0.164 mm，可见方案(a)比方案(b)翘曲变形小。
图11为翘曲体积收缩率的云图，从色阶图中看出，方案(a)、(b)的体积收缩率为1.467%～2.869%、1.490%～2.896%，两者的结果大体一致，但方案(a)收缩率偏小。
图11 翘曲-体积收缩率云图
Fig.11 Warpage-volume shrinkage
综上所述，当注射温度190 ℃，注射压力28 MPa，浇口流率20 cc/s时，即选择方案(a)为注射成形过程数值模拟最优方案。
3 模具设计与制造
模具设计的主要问题就是零件的收缩率，零件在经历脱脂、烧结工序后会有较大的尺寸变化。金属粉末注射成形工艺中，零件的尺寸变化由烧结收缩率γ与烧结后零件的相对密度ρ实/ρ理决定，收缩率γ与喂料中金属粉末的装载量φ有关，关系式如下：
γ=1-[φ/(ρ实/ρ理
(1)
式中： ρ实为零件的最后密度； ρ理为烧结材料的理论密度(ρ实<ρ理)。
收缩率是尺寸变化量与初始尺寸(图面)的比值，基于工艺的成形性，获得图纸公差范围内的尺寸。因此，在模具设计时，要对每个型腔的尺寸进行放大，用来补偿烧结后尺寸的变化。
设图纸的尺寸为L0，初始模具尺寸可通过型腔尺寸的放大系数Z来表示：
(2)
最后，模具型腔尺寸LZ可以根据图纸尺寸L0与模具放大系数来表示：
LZ=L0Z
(3)
材料的理论密度进行计算：
ρ理
(4)
其中： ρ理为理论密度； ρ1、 ρ2、 ρ3、…、 ρn为各个元素的密度； ω1、ω2、ω3、…、ωn为各个元素所对应的含量。
经计算可得，金属粉末密度与粘结剂密度分别为：
ρ金属=7.82 g/cm3
ρ粘结剂=1.37 g/cm3
假设烧结后的相对密度为97%，则烧结后的实际密度为7.585 4 g/cm3。
由于该喂料的金属粉末体积装载量为58%，则材料的收缩率为：
将得到的值代入式(2)可得模具的放大系数为：
3.1 模具设计
在模具设计时，模具材料为Cr12钢，其质量分数如表3所示。
表3 材料质量分数
Table 3 Material chemical composition
元素规格/%检测值/%C2.00～2.302.10Si≤0.400.35Mn≤0.400.30S≤0.03—P≤0.03—Cr11.50～13.0012.10
1) 设计浇注系统
基于模具DFM分析以及数值模拟的结果，照门座件的浇口位置设定在照门座零件的底面上，浇口类型为含顶针式潜伏式浇口。
2) 设计冷却系统
经数值模拟分析得出，设计的冷却系统如图12所示，可使上下模的冷却效率基本一致，有效减少成形坯的翘曲变形。
图12 冷却系统示意图
Fig.12 Cooling system
3) 模具装配图
模具装配图如图13。
图13 模具装配图
Fig.13 Mold assembly drawing
3.2 模具制造
喂料熔体在模具型腔表面高速流动会造成磨损，影响模具使用寿命[15-16]。因此需对模具进行热处理，提高模具的硬度与耐磨性，延长模具寿命。模具实物图如图14。
图14 模具实物图
Fig.14 Mold physical map
4 试验研究
1) 注射成形
根据注射成形数值模拟最优结果，在型号为MIM-80的注射成形机上进行试验，得到无缺陷的成形坯，如图15所示。
图15 成形坯示意图
Fig.15 Forming blank
经过测定，得到成形坯质量与密度分别为23.835 g、5.085 g/cm3，符合零件生产要求。
2) 脱脂
在型号为STZ- 400L-OA的催化脱脂炉中进行催化脱脂。如图16所示为成形坯与脱脂坯，脱脂坯与成形坯相比颜色偏灰色，且颜色逐渐向金属亮色转变，尺寸上没有明显变化。
图16 成形坯(a)与脱脂坯(b)示意图
Fig.16 Forming billet(a) and degreased billet(b)
对脱脂坯以及相应成形坯进行质量测定，测得成形坯质量为23.835 g，相对应的脱脂坯质量为21.813 g，依据脱脂率公式计算脱脂率。
脱脂失重率计算公式为：
(5)
式中：δ为脱脂率；m1为照门座成形坯质量(g)；m2为照门座脱脂坯质量(g)。
将计算得到的质量代入式(5)得：
综上可知，脱脂率达到了8.48%。
3) 烧结
在型号为VM40/40/150的金属注射成形真空烧结炉中进行烧结，烧结温度控制在1 290～1 295 ℃，气氛为真空，真空度为20～30 MPa。烧结产品零件如图17所示，
图17 烧结产品零件实物图
Fig.17 Sintered product parts
根据表1，将Fe4Ni0.5Mo中各元素的成分代入式(4)进行计算，得到：ρ理=7.82 g/cm3，测得照门座零件的实际密度为ρ实= 7.58 g/cm3。
对产品零件进行性能检测，硬度达到21～23HRC，产品的尺寸公差达到±0.06%，零件的相对密度为96.9%(≥95%)，符合零件生产要求。
5 结论
1) 根据照门座零件的成形性和工艺性要求，在流长比允许的范围内，确定了零件的浇口位置及浇口类型；利用Moldex 3D软件对冷却水路与冷却效率进行对比分析，确定了冷却水路设计。
2) 对注射参数(注射温度、注射压力、浇口流率)设计对比实验。利用Moldex 3D软件对零件的流动波前、翘曲变形的模拟结果进行了对比分析。结果表明，当注射温度为 190 ℃，注射压力为28 MPa，浇口流率为20 cc/s时，数值模拟结果最佳。翘曲变形的最大位移为0.161 mm，翘曲变形后的体积收缩率为1.467%～2.869%。
3)试验研究结果表明，成形坯的质量为23.835 g、密度为5.085 g/cm3；脱脂坯无明显尺寸变化，脱脂率达到8.48%；烧结后的零件硬度达到21～23HRC，偏差达在公差范围(±0.06%)之内，且相对密度为96.9%(≥95%)，符合零件生产质量要求。
[1] 张驰，胡红军.半导体工业中箱形件Housing1533粉末注射成形[J].铸造技术，2004(06):471-473.
Zhang C，Hu H J.Box-shaped Housing 1533 powder injection forming in the semiconductor industry[J]. Casting Technology，2004(06)：471-473.
[2] 张驰，徐春．金属粉末注射成形技术[M]．北京：化学工业出版社，2008.
Zhang C，Xu C，et al.Metal powder injection forming technology[M].Beijing：Chemical Industry Press，2008.
[3] 韩凤麟．金属注射成形-21世纪的金属零件成形工艺[J].粉末冶金工业，2012，22(02)：1-9.
Han F L.Metal injection forming-21st century metal parts forming process[J].Powder Metallurgy Industry，2012，22(02)：1-9.
[4] 朱海洋．金属粉末注射成型用新型聚醛基粘结剂的制备及应用[D].合肥:合肥工业大学，2017.
Zhu H Y.Preparation and application of new polyaldehyde-based binders for metal powder injection molding[D]. Hefei University of Technology，2017.
[5] 周萌萌.Fe-8Ni合金注射成形工艺及力学性能研究[D].马鞍山:安徽工业大学，2019.
Zhou M M.Study on Fe-8Ni alloy injection forming process and mechanics performance[D].Anhui University of Technology，2019.
[6] 潘超.316L不锈钢粉末注射成形模拟及实验研究[D].昆明:昆明理工大学，2016.
Pan C M.316L stainless steel powder injection forming simulation and experimental research[D].Kunming University of Technology，2016.
[7] Najmi LA，Lee D．Modeling of mold filling process for powderfor powder injection molding[J].PolymerEngineering and Science，1991，31(31)：1137-1148.
[8] Mukund B N,Hausnerova B,Shivashankar T S．Development of 17-4PH stainless steel bimdal powder injection molding feedstock with the help of interparticle spacinglubricating liquid concept[J].Powder Technology,2014,257(5):124-131.
[9] 曲选辉，温宏宇，敖晖,等．粉末注射成形过程计算机模拟研究[J].材料工程，2001(06):33-36.
Qu X H，Wen H Y，Ao H，et al.Computer simulation study of powder injection forming process[J].Materials Engineering，2001(06):33-36.
[10]郑洲顺，曲选辉，韩旭里，等．粉末注射成形充模流动过程模壁凝固层增长的计算与模拟[J].中国有色金属学报，2008，18(03)：511-515.
Zheng Z S，Qu X H，Han X L，et al.Calculation and simulation of the growth of the die wall solidification layer during the powder injection molding flow process[J].China Journal of Nonferrous Metals，2008，18(03)：511-515.
[11]毛金英．粉末注射成形充模过程中凝固层形成规律的计算与分析[J]．粉末冶金技术，1997，17(01)：14.
Mao J Y.Calculation and analysis of the formation law of the solidified layer during the injection molding process of powder injection[J].Powder Metallurgy Technology，1997，17(01)：14.
[12]宋仁金.注射成形 Inconel713C 合金性能的研究[D].昆明:昆明理工大学，2017．
Song R J.Injection forming Inconel713C alloy properties[D].Kunming University of Technology，2017.
[13]Mohamed Azzouni，Vincent Demers，Louis Dufresne.Mold filling simulation and experimental investigation of metallic feedstock used in low-pressure powder injection molding[N].International Journal of Material Forming，2021-01-18.
[14]吴映辉，王鹏驹．注射成型充模流动模拟的边界元方法[J].中国塑料，1996(05)：78-80.
Wu Y H，Wang P J.The boundary meta method of injection molding molding flow simulation[J].Chinese Plastics，1996(05)：78-80.
[15]Richard Heldele，Michael Schulz，et al.Micro powder injection molding:Process characterization and modeling[J].MicrosystTechnol，2006：941-946.
[16]Gulsoy H O，Pazarlioglu S，Gulsoy N，et al.Effect of Zr，Nband Ti addition on injection molded 316L stainless steel for bio-applications：mechanical，electrochemical and biocompatibility properties[J].Journal of the Mechanical Behavior of Materials，2015，51(02)：215．