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金属粉末注射成形流动过程研究

蒋炳炎

  金属粉末注射成形(MIM)是粉末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(OOSE)与统一建模语言(UML)技术首次引入到MIM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Visual C++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L_m的回归公式,揭示了L_m随Q_m、P_m、△T_m和凡的变化规律,并得出工艺参数对成形性能影响的强度顺序为Qm最大,尸m与△几其次,因而改善喂料流动性能应优先控制注射速率Qm。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,并发现该零件中间芯轴处成形最困难。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,并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。……   
[关键词]: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
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2003年