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      金屬粉末注射成型設備和發展
      來源: | 作者:天悅MIM | 發布時間: 2020-01-08 | 532 次瀏覽 | 分享到:
      金屬粉末注射成型技術 (Metal Injection Molding,簡稱 MIM 是近 年來粉末冶金學科和工業中發展最迅猛的領域, 是現代先進的塑料注 射成型技術和傳統粉末冶金技術相結合而形成的一項新型粉末冶金 近凈型成形技術。

      金屬粉末注射成型技術 (Metal Injection Molding,簡稱 MIM 是近 年來粉末冶金學科和工業中發展最迅猛的領域, 是現代先進的塑料注 射成型技術和傳統粉末冶金技術相結合而形成的一項新型粉末冶金 近凈型成形技術。

      一、 MIM 成型技術

      MIM 基本丁藝過程是:將微細的金屬或陶瓷粉末與有機黏結劑均勻混 合成為具有流變性的物質, 采用先進的注射機注入具有零件形狀的模 腔形成坯件,新技術脫除黏結劑并經燒結,使其高度質密成為制品, 必要時還可以進行后處理。 i 亥技術不僅具有常規粉末冶金技術生產 效率高,產品一致性好,少切削或無切削,經濟高效的優點,而且克 服 r 傳統粉末冶金制品密度低,材質不均勻,力學性能低,不易成型 薄壁復雜件的缺點,特別適合大批量、小型、復雜以及具有特殊要求 的金屬零部件的生產加工 .

      該工藝技術在 20世紀 8O 年代中期實現產業化以來, 已獲得突飛猛進 的發展,注射成型的產品已遍及計算機信息產業、汽車摩托車產業、 醫療衛生器械、家用電器、儀器儀表、機械制造、化工、紡織、國防 軍工等領域。到目前為止,已有 20多個國家和地區的幾百家公司從 事該工藝技術的產品開發、 研制與銷售工作, 粉末注射成型工藝技術 也因此成為新型制造業中開發最為活躍的前沿技術領域, 被譽為世界 粉末冶金領域中的開拓性技術,代表著粉末冶金技術發展的主方向。 該工藝的主要特點如下:

      (1可成型復雜結構的零件該工藝技術利用注射機注射成型產品毛 坯,保證物料充分充滿模具型腔,也就保證了零件復雜結構的實現。 這一點是傳統機械加工和常規粉末冶金工藝技術所無法比擬的, 是注 射成型工藝發展的堅強基礎。

      (2注射成型制品尺寸精度高 , 注射成型工藝可直接成型薄壁、 復雜結 構件, 制品形狀已能夠達到或接近最終產品要求, 產品不必進行二次 加工或只少罱精加工。零件尺寸公差一般保持在±0. 1%~±0. 3%左右。 特別對于降低難于進行機械加工的硬質合金的加工成本, 減少 貴重金屬的加工損失尤其具有重要意義。

      (3與傳統粉末壓制工藝相比注射成制品微觀組織均勻,密度高,性 能好。

      二、連續燒結設備的必要性

      隨著 MIM 技術的規模產業化, 傳統粉末冶金和注塑行業的通用生產設 備以及各種專門的金屬注射成型:工業生產設備已廣泛應用于金屬注 射成型的產業化生產中。 企業對產業生產效率和設備自動化, 加工連 續化程度及設備性能要求的提高促進了金屬注射成型產業化進程。 MIM 產業的全面發展更需通過生產設備來提高企業的生產效率。正確 選擇和掌握 MIM 生產過程中的各種設備, 可提高產品的質量、 產量以 及勞動生產率,加速產業化發展。

      目前,混合工序主要采用傳統的雙行星混料機、單螺桿擠出機、活塞 擠壓機、雙螺桿擠出機、偏心輪混料器、 z 形葉輪混料器等,能夠保 證混料的均勻性與高效率。 注射工序也可以借鑒傳統的注射設備, 如 雙回路注射成型機、雙模板注射機、無拉桿注射機、全自動注射機、 電磁動態注射成型機等,都能夠較好地滿足充填的技術要求。

      對于脫脂工序, 由于脫脂是相關行業中以前從未涉及過的領域, 其原 理為:在保證注射成型所得的零件不變形的前提下, 運用黏結劑中各 種成分隨著溫度的升高不斷的發生物理、 化學變化的原理, 逐漸變為 氣態或液態物質, 脫離開注射成型毛坯, 以達到把黏結劑脫出的目的。 因而,該工序在整個 MIM 技術中的地位得尤其的特殊和重要。

      脫脂后的零件幾乎沒有任何強度, 稍微有些振動都有可能使零件遭到 破壞。 同時考慮脫脂、 燒結階段盡町能地減少零件重復加熱造成的能 源浪費,考慮將傳統的脫脂、燒結、熱處理等單一工序集成為綜合工 序,這樣可以減少生產中不確定的因素,提高成型零件質量,也大大 提高了生產效率。

      綜合工序的提出, 便誕生了連續燒結設備的概念。 為了不使我國在激 烈的同際競爭中落敗,并占據國際行業的領先地位,積極地發展 MIM 技術是十分必要的, 尤其是對傳統的單一工藝進行集成與綜合, 以形 成有效的綜合工藝,并盡快對綜合上藝沒備進行研發。

      三、連續燒結設備及其控制技術

      大量的熱脫脂研究表明, 熱脫脂的關鍵在于控制脫脂溫度在低溫階段 (150~350% 慢速升溫 (1~C/min , 不產牛變形或缺陷, 所以要求真 守脫脂爐具有良好的溫度穩定性和均勻性。 真空熱脫脂與氣氛熱脫脂 相比,真空壓力低,有利于黏結劑的揮發及分解物的排,所以脫脂速 率大于常壓下的氣氛脫脂。 由于這一特點, 使得 MIM 脫脂與其他相關 工藝存在很大的差異,介紹市面上幾種品牌的連續燒結設備。 各種燒結爐從操作方式上分有立式和臥式兩種, 立式燒結爐存在的缺 點為容易在氣氛存在的情況下溫度上非常不均勻; 臥式燒結爐存爐體 的曲端也存在溫度與內部溫度偏差現象, 這樣使得燒結產品質節大打 折扣。脫脂燒結一體爐有以下六部分組成,捕集系統、真空系統、充 氣系統、外循環系統、電氣控制部分和真空控制部分。其爐體采用夾 層水冷結構,爐膽由內向外分別由小銹鋼波紋外隔熱氈、鋯氈、發熱 體和耐高溫不銹鋼波紋內隔熱屏組成。 內隔熱屏可防止脂類物質逸散 到爐體其他部位,同時便于清理。爐采用內封門,可有效地阻止熱量 的散失和脂類物質的逸散。 捕集系統由多級水冷碟片式捕集器、 除脂 罐、多級過濾器和起動閥組成。脂類物質可順暢地白:接流入到除脂 罐內。 真空系統由兩級真空系統組成, 旋片式真空泵和羅茨泵可根據 產品材料和脫脂要求的真空度選擇使用。 充氣系統可通過三個玻璃轉 于流量計摔制, 實現寬流量調節。 外循環系統由密封的風機和熱交換 器組成,可實現快速冷卻。 電氣控制系統由爐溫控制系統、真空控制 系統、充氣控制、 冷卻循環系統組成。通過熱電偶測定實際溫度并與 設定溫度進行比較,改變電流及設備加熱功率,實現溫控,使得三個

      加熱區同時升溫,真空熱脫脂通過在運行時不斷地通入保護性氣體, 使內外爐膛形成一個較小的壓力差, 實現氣體單向流動, 有效地避免 了脂類物質污染發熱體和內爐膛因溫差過大而變形, 實現脫脂的目的 隨著金屬注射成型技術的不斷發展, 其技術層面也越來越廣, 其中德 國研制開發一種快速催化脫脂技術。 該技術對脫脂爐的要求較高, 需 要專門的耐酸性的脫脂設備, 設計爐子時要考慮環保問題。 這種技術 脫脂后的零件毛坯件強度很低,極易損壞 (實際上任何脫脂后的毛坯 件強度都不高 ;并且在燒結前總會有黏結刺殘留住毛坯件中。這種 情況下, 減少產品的中問環節對提高產品成品率起到了相當重要的作 用。

      為了實現脫出黏結劑、 脫除剩余黏結劑和燒結工序之問的真正連續操 , 德國開發了 MIM — MASTER 催化脫黏和燒結系統。 此系統包括催化 脫黏部分和連續燒結部分及其附屬裝置, 包括廢氣燒除、 氣體對流干 燥裝置、 旁路運輸帶、 注酸系統、 電氣控制柜和全過程控制系統 (PIC。 連續催化脫脂部分設計為馬弗式網帶結構, 采用 Ni-Cr 加熱元件。 金 屬注射成型零件被放置到傳送網帶上,在預熱帶加熱到一定的溫度, 這樣,在通過脫黏結劑帶時,酸就不會凝結在工件。通過脫黏結劑帶 時,上件在載氣 (一般為氮氣 和催化劑 (常用硝酸 作用下脫出黏結 劑。爐內氣氛流動方向很重要,在預熱帶,氣氛流動方向與工件運動 方向相同,直到進入廢氣燒除裝囂。在脫出黏結劑帶,爐內氣氛流動 方向與工件運動方向相反, 保證已基本脫除黏結劑的零件能夠遇到最

      高濃度的酸。此爐的燒除裝置尺寸可小于相同生產率的批料爐,因為 廢氣足在整個脫除過程中期連續產生的,不會像批料爐那樣,較大量 的廢氣在一定的時期內產生,其燒除廢氣裝置設計為兩段式結構:第 一階段通人燃料氣如天然氣等,與甲醛(廢氣成分之一共同作用,在 欠氧的情況下燃燒,還原氮的氧化物和殘余的硝酸;第二階段,剩余 的甲醛和燃料氣與過量的空氣混合充分燃燒,生成二氧化碳和水。 金屬注射成型零件經過脫脂爐后, 通過一條密封的橫向傳送帶送入連 續燒結爐。零件在脫剩余的黏結劑和燒結過程中應避免振動,因此采 用特殊設計的步進梁傳送結構。燒結部分主要分為升溫、燒結、冷卻 三段。升溫段擔負脫剩余黏結劑與預燒的作用,采用 Ni-cr 線圈作為 加熱元件,一般最高溫度為 800℃。燒結帶承擔了主要的燒結作用, 加熱元件為絲,最高溫度可達 l600oC。金屬粉末注射成型零件在惰 性或還原性氣氛中進行燒結, 生產中產生的廢氣由一個位于人口段的 排氣煙筒經燃燒后排出。冷卻帶設計為雙層壁式水冷結構,冷卻水流 速及冷卻水溫度均可以手動調節。 燒結質量雖然與各個工序都有關系, 但是最主要的還是由溫度的均勻 性和燒結工藝的穩定性決定的。所以,要求用于金屬粉末注射成型的 燒結設備具有非常好的溫度均勻性,使得 MIM 產品達到各向同性收 縮,從而減少燒結變形和提高產品精度;要求燒結爐密封性能好,漏 氣率小,保證所需溫度和壓力及氣氛,從而實現燒結質密化;要求溫 度準確,控制靈敏,可實現 MIM 產品穩定的批量化生產。并且,目前

      國內生產的燒結爐主要問題是溫度控制精度不高, 這樣在生產過程中 難以確定穩定的生產工藝。 德國生產的連續性燒結爐在控制精度上都 是走在同行業最前沿的,同樣也存在著弊端,高度自動化的設備要求 操作十分規范.稍有差錯就會耽誤整個設備的運轉,造成的損失也是 巨大的。另外,脫脂燒結過程中產生的脂類廢棄物質很容易依附在爐 內各元部件上,對設備的性能也會造成很大的影響。從整體上看該燒 結爐盡管也實現了脫脂、 燒結的綜合, 但仍存在著溫度控制不夠靈活, 脫脂與燒結之間的預熱段壓力不穩等問題, 也沒有考慮與后續熱處理 進行綜合的口行性。 綜上所述,連續燒結設備的理想目標為:(1融合傳統的單一工序, 實現脫脂、燒結、熱處理等工序的綜合。增加熱處理功能段,在燒結 后對零件直接進行熱處理,可以大大節省生產成本,降低生產周期, 同時更能保證生產質量。(2實現脫脂區域和高溫燒結區域溫度及產 品在區域內停留時間等的靈活控制, 這樣可以滿足有不同工藝要求的 各類產品生產需要,同時也可以改善因控制不靈活而耽誤生產的狀 況。(3提高設備自動化控制與自調節能力,提高設備運行可靠性, 降低操作人員勞動強度,提高生產效率。 四、結論 通過對 MIM 成型工藝過程的分析以及粉未注射成型零件特點的分 析,應將傳統脫脂、燒結乃至后處理等單一工序融合為綜合工序的必 要性,并給出了連續燒結設備的結構與控制模式。

       

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