金属注射成型MIM模具设计

金属注射成型MIM模具设计

为MIM（金属注射成型）设计模具并不是一项简单的任务，公差要求严格，需要特别注意复杂的细节问题，这一切犹如攀登到冰山的顶峰，十分困难。较高的公差精度、无飞边、超级高的表面质量，所有这些标准都是金属零件压铸模制造过程中所必须满足的一些要求。毫无疑问，能够达到这种水平的金属模具制造商虽然有几家，但为数极少。然而，对于选择这个行业的公司而言，是“有利可图”的。David Lewis Sr.先生是Matrix 工具公司（在PA的Fairview 地区）的总裁，这是一家生产注塑模和金属压铸模（MIM）的模具制造商，为无线电通信、医疗、电子/电气、汽车和个人保护品行业提供模具。Lewis先生说：“该公司最初是生产精密注塑模产品的，后来才从事MIM模具的生产。”

根据Lewis先生的经验，MIM模具的结构最适合于中小型零件的生产。Matrix公司已为医疗器械行业做出了很大的贡献，该行业使用的外科医疗器械的零件重量在0.15"23.4g之间。“其他的零件还包括表盖、传动齿轮、金属切削刀具、钳夹和凿尖，有的重量高达60g，”他说，“我知道还有更大的零件，如高尔夫球杆杆头的更换件。总之，注塑模和金属压铸模的制造无论对质量和服务都有很高的要求。” Karl Hens先生十分认同Lewis先生的观点，他以前是MedSource 技术公司（在明尼苏达州的Minneapolis市）的技术副总裁。这是一家提供工程设计、产品开发和生产服务的供货商，而且还为医疗器械行业提供供应链管理解决方案。“在寻求MIM模具制造商时，我首先要看其纪律性和组织性如何，是否是一家较大的工厂，是否采用ISO标准，其一切程序是否规范。”他说，“如果涉及到MIM模具制造这样的复杂事情，模具制造商毫无组织能力，那么将会碰到灾难。质量是关键，而更为困难的是，我们是从事医疗行业的，快速及时的上市十分重要。而且我们也希望快速周转，要使质量和快速周转都能令人满意往往是很困难的。”

MIM的基础知识“首先，模具的设计要有很好的计划。”Lewis先生指出，“因为这是成败

的基础和关键。它应该包括优良的冷却水线路布局和分型线锁紧装置，以防止加工生产中模具的错位、一副能很好支持模腔和型芯侧壁的模具框架、一种适合于特定零件脱模的方

法。”“MIM模具的基本结构与注塑模相似，只有很少几个例外。”Lewis先生补充说，“其中包括模腔和型芯钢材、关闭角配合件和滑块的选用、使材料具有良好流动性的流道系统的设计、闸门的位置、通气深度、模压成形区域的表面质量、应用于模腔和型芯细节的镀层正确选择。” Hens先生详细讲述了这些观点。“由于许多模具制造商一般根据设计图开始制造模具，因此当制造模具时，他们给予机械师和制模工人很多的自由度进行细节设计。但这种方法一般对MIM模具的制造是无效的。”他说，“模具制造商和MIM制模工人不是去观察一个模具的布局，他们的主要任务是研究和观察一整套详细的图纸。他们花费在模具正面细节设计的时间越多，那么其模具获得操作成功所花费的时间就越少。细节设计包括模具零件材料的选用、模具和模腔的公差、表面质量和涂层、闸门和流道的尺寸、通气口位置和尺寸、压力传感器位置。在MIM模具的成功制造中，脱模和冷却已成为关键的问题。”

1.模腔/型芯使用的钢材按照Lewis先生的说法，模腔/型芯使用的钢材应能承受模压成形材料引起的磨损。“凡是与模压成形复合材料接触的钢材（包括闸门和流道），都应该由高耐磨性的高含铬量和高硬度工具钢制成，如D-2或A-2工具钢。”他评价说，“H-13钢材也可，因为其硬度高，还电镀了一层高硬度涂层。凡是不与模压成形复合材料接触的任何细节零件，都可用更标准的S-7类工具钢制造。”

2.关闭角/滑块“在MIM模具生产工艺中，飞边是一个严重的问题，对制模工人来说是一个实质性的问题。”Lewis先生说，“为了防止出现这种问题，所有关闭角和滑动区域的良好配合是十分重要的，只有这样，才能生产出一个优质的MIM零件。模具制造商必须通过使用三角法计算滚动尺寸，然后应用这个知识检查阴、阳面钢材的关闭角，保证使其在他所计算尺寸的±0.0001公差范围之内。”人们需要保持的公差一般对于金属模具而言已经是相当精确的，因为MIM模具的供料件对飞边很敏感，很容易产生飞边。“如果塑料件产生飞边，很容易将飞边清除掉，但如果是金属，其飞边就会如刀锋那样造成问题。”他解释说，“您必须制造一个不会产生飞边的模具。”

3.通气口深度 Lewis先生解释说，在各种模具中，为了释放由模压材料产生的内部气体，采用良好的通气口是十分关键的。他指出，MIM模具在通气口深度方面是与注塑模有很大不相同的。“一个典型的塑料模具，根据其模压树脂的不同，可能到处都有0.0005"0.002in

（1in=25.4mm）深的通气口，而MIM模具肯定会在这些通气口的深处产生飞边，”他解释说，

“MIM模具的通气口深度一般在0.0001"0.0002in之间，但也可能随着选用的不同模压复合金属材料而变化。”按照Hens先生的说法，好的供料在之后的凝固过程中，收缩率极低。“为了尽量加强形状保持力度，因此大量使用了金属粉末填充剂，其用量往往接近体积的70%。”他解释说，“为了能够获得高填充给料的良好流动性，采用了低分子量的分子和粘结剂，使MIM 供料产生很高的飞边灵敏度，类似于许多填充尼龙材料所显示的特性。石蜡和聚乙烯/甘油基供料比乙酰基供料有较好的特性，但会影响到其较高的飞边灵敏度。”

4.抛光 MIM零件的另一个关键区域是模压成型区的表面质量。“从模腔区脱模在很大程度上取决于模腔和型芯工具钢的表面质量，因为在模压成形过程中，其收缩率极低。”他说，“金属模压件的收缩并不会真的发生，除非粘结剂材料通过后模压成形工艺被抽取出来。因此，模压成型区的抛光十分关键。一般来说，模压表面应达到600复合光洁度，可能在很少的情况下需要达到金刚石光洁度。”

5.电镀“如铬或镍那样的高硬度电镀层将能增强模压金属件脱模过程中的效率，再结合高抛光表面，使其能产生更好的效果。”Lewis先生解释说，“有些类型的铬和镍添加了释放剂，其目的是为了提高它们的脱模特性。”

学习曲线在掌握了基本知识以后，仍然有更多的因素需要考虑，然后再顺序渐进的学习。按照Hens先生的说法，MIM的另一个挑战来自于原材料，一般指供给的材料。因为其内部含有大量非常精细的金属粉末，往往接近体积的70%。“是金属粉末造就了最终的零件。”他解释说，“塑料零件给金属粉末增加了流动性，并在注射成型之后全部除去。粉末带有一点磨擦性，因此必须采用较硬的刀具以较高的主轴转速加工。许多模具商因为没有高速机床，只得采用烧蚀方式加工。然而，却不能遗留下粗糙的表面质量，因为MIM需要有紧密的公差。”

Hens先生补充说，不同的金属基本上具有同样的模具制造要求，除非有时候需要插入不同的收缩率。“这里所指的不是模具内部的收缩率。只有当零件从模具中脱离时以及进入加热炉时，才会发生收缩现象。”他解释说，“在模具中，收缩率几乎接近零，每英寸的收缩率不到

0.001in，因此在模具中的收缩极小。”此外，Hens先生还提出最后一个忠告。“经验表明，有些模具厂在认识到他们所面临的挑战前已经制造了一些质量不好的模具。”他说，“不管什么时候，当一个模具厂为一家MIM生产厂制造了第一个模具以后，再加上模具的设计，已经花费了很多的时间。一般来说，其结果是模具很好，达到了预定的工作目标，或者是在经过第一

个模具试用以后，只做了很少的一点改动。仔细地分析第一个模具的细节似乎比较容易，但由此会对模具的细节产生过分的信心。花费很多的时间和资金调试第二个模具的情况也并不是不正常，有时候往往涉及到返工的问题。在这一点上，模具制造商懂得了道路的艰辛，如果他们在这一点上不放弃MIM模具，那么一般来说，之后生产的模具将是非常优秀的。”