金屬注射成型MIM模具設計

為MIM（金屬注射成型）設計模具并不是一項簡單的任務，公差要求嚴格，需要特別注意復雜的細節問題，這一切猶如攀登到冰山的頂峰，十分困難。

較高的公差精度、無飛邊、超級高的表面質量，所有這些標準都是金屬零件壓鑄模制造過程中所必須滿足的一些要求。毫無疑問，能夠達到這種水平的金屬模具制造商雖然有幾家，但為數極少。  然而，對于選擇這個行業的公司而言，是“有利可圖”的。David Lewis Sr.先生是Matrix 工具公司（在PA的Fairview地區）的總裁，這是一家生產注塑模和金屬壓鑄模（MIM）的模具制造商，為無線電通信、醫療、電子/電氣、汽車和個人保護品行業提供模具。Lewis先生說：“該公司最初是生產精密注塑模產品的，后來才從事MIM模具的生產。”

根據Lewis先生的經驗，MIM模具的結構最適合于中小型零件的生產。Matrix公司已為醫療器械行業做出了很大的貢獻，該行業使用的外科醫療器械的零件重量在0.15"23.4g之間。  “其他的零件還包括表蓋、傳動齒輪、金屬切削刀具、鉗夾和鑿尖，有的重量高達60g，”他說，“我知道還有更大的零件，如高爾夫球桿桿頭的更換件。總之，注塑模和金屬壓鑄模的制造無論對質量和服務都有很高的要求。”  Karl Hens先生十分認同Lewis先生的觀點，他以前是MedSource 技術公司（在明尼蘇達州的Minneapolis市）的技術副總裁。這是一家提供工程設計、產品開發和生產服務的供貨商，而且還為醫療器械行業提供供應鏈管理解決方案。“在尋求MIM模具制造商時，我首先要看其紀律性和組織性如何，是否是一家較大的工廠，是否采用ISO標準，其一切程序是否規范。”他說，“如果涉及到MIM模具制造這樣的復雜事情，模具制造商毫無組織能力，那么將會碰到災難。質量是關鍵，而更為困難的是，我們是從事醫療行業的，快速及時的上市十分重要。而且我們也希望快速周轉，要使質量和快速周轉都能令人滿意往往是很困難的。”

MIM的基礎知識  “首先，MIM模具的設計要有很好的計劃。”Lewis先生指出，“因為這是成敗的基礎和關鍵。它應該包括優良的冷卻水線路布局和分型線鎖緊裝置，以防止加工生產中模具的錯位、一副能很好支持模腔和型芯側壁的模具框架、一種適合于特定零件脫模的方法。”  “MIM模具的基本結構與注塑模相似，只有很少幾個例外。”Lewis先生補充說，“其中包括模腔和型芯鋼材、關閉角配合件和滑塊的選用、使材料具有良好流動性的流道系統的設計、閘門的位置、通氣深度、模壓成形區域的表面質量、應用于模腔和型芯細節的鍍層正確選擇。”  Hens先生詳細講述了這些觀點。“由于許多模具制造商一般根據設計圖開始制造模具，因此當制造模具時，他們給予機械師和制模工人很多的自由度進行細節設計。但這種方法一般對MIM模具的制造是無效的。”他說，“模具制造商和MIM制模工人不是去觀察一個模具的布局，他們的主要任務是研究和觀察一整套詳細的圖紙。他們花費在模具正面細節設計的時間越多，那么其模具獲得操作成功所花費的時間就越少。細節設計包括模具零件材料的選用、模具和模腔的公差、表面質量和涂層、閘門和流道的尺寸、通氣口位置和尺寸、壓力傳感器位置。在MIM模具的成功制造中，脫模和冷卻已成為關鍵的問題。”

1.模腔/型芯使用的鋼材
按照Lewis先生的說法，模腔/型芯使用的鋼材應能承受模壓成形材料引起的磨損。“凡是與模壓成形復合材料接觸的鋼材（包括閘門和流道），都應該由高耐磨性的高含鉻量和高硬度工具鋼制成，如D-2或A-2工具鋼。”他評價說，“H-13鋼材也可，因為其硬度高，還電鍍了一層高硬度涂層。凡是不與模壓成形復合材料接觸的任何細節零件，都可用更標準的S-7類工具鋼制造。”  可見，MIM模具的材料，需要非常的重視。

2.關閉角/滑塊
“在MIM模具生產工藝中，飛邊是一個嚴重的問題，對制模工人來說是一個實質性的問題。”Lewis先生說，“為了防止出現這種問題，所有關閉角和滑動區域的良好配合是十分重要的，只有這樣，才能生產出一個優質的MIM零件。模具制造商必須通過使用三角法計算滾動尺寸，然后應用這個知識檢查陰、陽面鋼材的關閉角，保證使其在他所計算尺寸的±0.0001公差范圍之內。”  人們需要保持的公差一般對于金屬模具而言已經是相當精確的，因為MIM模具的供料件對飛邊很敏感，很容易產生飛邊。“如果塑料件產生飛邊，很容易將飛邊清除掉，但如果是金屬，其飛邊就會如刀鋒那樣造成問題。”他解釋說，“您必須制造一個不會產生飛邊的模具。”

3.通氣口深度
Lewis先生解釋說，在各種模具中，為了釋放由模壓材料產生的內部氣體，采用良好的通氣口是十分關鍵的。他指出，MIM模具在通氣口深度方面是與注塑模有很大不相同的。“一個典型的塑料模具，根據其模壓樹脂的不同，可能到處都有0.0005"0.002in（1in=25.4mm）深的通氣口，而MIM模具肯定會在這些通氣口的深處產生飛邊，”他解釋說，“MIM模具的通氣口深度一般在0.0001"0.0002in之間，但也可能隨著選用的不同模壓復合金屬材料而變化。”  按照Hens先生的說法，好的供料在之后的凝固過程中，收縮率極低。“為了盡量加強形狀保持力度，因此大量使用了金屬粉末填充劑，其用量往往接近體積的70%。”他解釋說，“為了能夠獲得高填充給料的良好流動性，采用了低分子量的分子和粘結劑，使MIM供料產生很高的飛邊靈敏度，類似于許多填充尼龍材料所顯示的特性。石蠟和聚乙烯/甘油基供料比乙酰基供料有較好的特性，但會影響到其較高的飛邊靈敏度。”

4.拋光
MIM零件的另一個關鍵區域是模壓成型區的表面質量。“從模腔區脫模在很大程度上取決于模腔和型芯工具鋼的表面質量，因為在模壓成形過程中，其收縮率極低。”他說，“金屬模壓件的收縮并不會真的發生，除非粘結劑材料通過后模壓成形工藝被抽取出來。因此，模壓成型區的拋光十分關鍵。一般來說，模壓表面應達到600復合光潔度，可能在很少的情況下需要達到金剛石光潔度。”

5.電鍍
“如鉻或鎳那樣的高硬度電鍍層將能增強模壓金屬件脫模過程中的效率，再結合高拋光表面，使其能產生更好的效果。”Lewis先生解釋說，“有些類型的鉻和鎳添加了釋放劑，其目的是為了提高它們的脫模特性。”

學習曲線
在掌握了基本知識以后，仍然有更多的因素需要考慮，然后再順序漸進的學習。注塑模設計經驗，需要逐步的積累。按照Hens先生的說法，MIM的另一個挑戰來自于原材料，一般指供給的材料。因為其內部含有大量非常精細的金屬粉末，往往接近體積的70%。“是金屬粉末造就了最終的零件。”他解釋說，“塑料零件給金屬粉末增加了流動性，并在注射成型之后全部除去。粉末帶有一點磨擦性，因此必須采用較硬的刀具以較高的主軸轉速加工。許多模具商因為沒有高速機床，只得采用燒蝕方式加工。然而，卻不能遺留下粗糙的表面質量，因為MIM需要有緊密的公差。”

Hens先生補充說，不同的金屬基本上具有同樣的模具制造要求，除非有時候需要插入不同的收縮率。“這里所指的不是模具內部的收縮率。只有當零件從模具中脫離時以及進入加熱爐時，才會發生收縮現象。”他解釋說，“在模具中，收縮率幾乎接近零，每英寸的收縮率不到0.001in，因此在模具中的收縮極小。”  此外，Hens先生還提出最后一個忠告。“經驗表明，有些模具廠在認識到他們所面臨的挑戰前已經制造了一些質量不好的模具。”他說，“不管什么時候，當一個模具廠為一家MIM生產廠制造了第一個模具以后，再加上模具的設計，已經花費了很多的時間。一般來說，其結果是模具很好，達到了預定的工作目標，或者是在經過第一個模具試用以后，只做了很少的一點改動。仔細地分析第一個模具的細節似乎比較容易，但由此會對模具的細節產生過分的信心。花費很多的時間和資金調試第二個模具的情況也并不是不正常，有時候往往涉及到返工的問題。在這一點上，模具制造商懂得了道路的艱辛，如果他們在這一點上不放棄MIM模具，那么一般來說，之后生產的模具將是非常優秀的。”