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粉末注射成形工艺尺寸精度控制的研究

岳建岭  
【摘要】:粉末注射成形(PIM)工艺是一项能高效率生产小型形状复杂的精密零部件的先进的近净成形技术。然而,其产品尺寸精度却低于传统的粉末冶金工艺,典型的粉末注射成形产品尺寸精度为±0.3%,而传统粉末冶金产品为±0.1%,机加工可以达到更高。因此,产品的精度控制不高就成为制约粉末注射成形工艺产业化进程的关键因素。本论文就PIM工艺的精度控制方面进行了系统的研究,完成了以下几方面的工作: 1)喂料制备的控制。喂料的装载量和均匀性是影响尺寸精度控制的最为重要的因素,而粉末与粘结剂之间相互作用的好坏决定着喂料装载量和均匀性。加入适量的表面活性剂能够显著改善粉末与粘结剂之间的相互作用,研究了表面活性剂对粘结剂与粉末之间润湿角、喂料流变性能、喂料临界装载量和均匀性的影响,并通过建立的数学模型,对表面活性剂在粉末表面形成单分子吸附层所需的最少用量进行了估算。另外,还提出了评价喂料均匀性的一些方法。 2)注射环节的控制。在注射环节中,对喂料流变性和注射后的生坯保形性的评估是实现精度控制的关键,然而,二者之间又常常是互相矛盾的,喂料好的流变性并不意味着所注射的生坯具有好的保形性,因此应综合评价喂料流变性和生坯的保形性。采用PW-EVA-HDPE-SA粘结剂体系制取的注射坯具有最小的变形和最高的尺寸精度。 脱脂过程中的变形原因可追溯到注射后生坯内部的残余应力,在本文中,对于由粉末注射成形喂料的粘弹性特征而引起的残余应力可用一个修正了的公式近似表示如下:τ=τ_0exp[-(G/η)tc],这里(G/η)=1/t_r,t_c为冷却时间。因此,当喂料的冷却时间低于驰豫时间时,便会在生坯内部形成残余应力,其大小与喂料的热-力学性能有关。另外,延长喂料冷却时间或降低喂料的冷却速率有助于减小残余应力。 另外,还研究了以注射温度和压力为代表的注射参数对产品尺寸精度的影响。注射温度和压力越高,脱脂过程中出现的变形就越小,然而,当到某一程度后随注射压力和温度的增加将会导致残余应力的 出现而使得精度降低。注射压力和温度对产品精度的影响可分别由经 验公式6=23.218exp。0.034lP)和6=3460.lexp介0.0642T)来表 示。 3)脱脂过程的控制。注射过程的精度控制关键在于对脱脂保形性 的研究,本文研究了脱脂气氛、不同粉末特征、装载量以及升温速率 对脱脂保形性的影响,从理论上分析了脱脂变形的实质,并得出了脱 脂坯在整个脱脂过程中的强度变化曲线。 4)烧结环节的控制。烧结过程中产品的变形主要源于注射坯中的 不均匀的密度分布、烧结设备内部的温度梯度、不同烧结气氛的选择、 重力原因导致的蠕变变形以及产品与烧结炉内衬托之间的摩擦等因 素。本文主要研究了烧结设备内部温度梯度以及不同烧结气氛对产品 尺寸精度的影响。 5)提出了计算注射成形产品尺寸精度的数学模型。在烧结收缩各 向同性的条件下,考虑了喂料的均匀性、注射参数的不稳定、以及脱 脂和烧结过程对烧结体密度的影响等因素所建立的数学模型为 .,_._1,.,,1.,_二,11二,._,二、 }dLs}‘喜砂岭{!砂一’d劝}+}m止d脚,{+{心d。}}。 !一“l一3,、},‘州’!t“坯~’.川’!愧“墩f!。


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