澆口對高速精密圓柱滾子軸承注塑保持架質(zhì)量的影響

李建星，王子君，孫小波，寧仲

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

注射模具中，澆口是連接流道與型腔之間的一段細(xì)短通道，起著調(diào)節(jié)控制料流速度、補(bǔ)料時間及防止倒流等作用［1］。澆口位置和數(shù)量是重要的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，對注塑件的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的注塑保持架，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇澆口位置和數(shù)量，往往設(shè)計不合理。利用CAE軟件對注塑保持架澆口位置和數(shù)量進(jìn)行分析和優(yōu)化，改變?nèi)劢雍鄣姆植迹梢蕴岣咦⑺鼙３旨芾鞆?qiáng)度，避免熔接痕對保持架外觀和性能產(chǎn)生影響；從而為注塑保持架模具設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，并能及時優(yōu)化注塑保持架結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計［2］。

高速精密軸承注塑保持架在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，每個滾動體法向受載極不均勻，滾動體的運(yùn)動也不均勻，當(dāng)滾動體的公轉(zhuǎn)角速度與保持架的角速度不一致時，滾動體與保持架兜孔之間會發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時會造成保持架橫梁斷裂，軸承振動急劇增大致使軸承失效，因此，要求高速精密注塑保持架應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。

1 保持架結(jié)構(gòu)

高速精密圓柱滾子軸承采用的注塑保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，圓周均布10個方形窗孔，保持架每個橫梁內(nèi)側(cè)中部均有凸臺，并且凸臺端面與橫梁具有一定的夾角，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。保持架尺寸公差和形位公差精度要求較高，要求滾子裝入窗孔中滾動靈活。

圖1 保持架結(jié)構(gòu)示意圖

2 保持架Moldflow分析

應(yīng)用Pro／E建立保持架的三維實(shí)體模型，其外形尺寸為：外徑47.7 mm×內(nèi)徑42.8 mm×凸臺內(nèi)徑40.8 mm×寬度18.3 mm。將保持架模型轉(zhuǎn)化為STL文件導(dǎo)入Moldflow［2］進(jìn)行注塑成型仿真模擬分析。采用表面網(wǎng)格類型劃分修改后得到三角形個數(shù)為3 106的網(wǎng)格模型。注塑件材料選用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮，相關(guān)參數(shù)為：模具表面溫度170℃，注射溫度380℃，充填控制、速度／壓力切換和保壓控制均為默認(rèn)設(shè)置。

2.1 澆口位置預(yù)分析

澆注系統(tǒng)設(shè)計時，結(jié)合模具類型，應(yīng)盡可能使?jié)沧Ⅻc(diǎn)的位置靠近最佳澆口位置［3］。Moldflow以圖像形式給出的最佳澆口位置如圖2深色區(qū)域所示，即澆口設(shè)置在保持架橫梁中部比較合適。

圖2 最佳澆口位置

2.2 澆口的位置和數(shù)量

注塑保持架一般采用潛伏式澆口或點(diǎn)澆口，澆口尺寸根據(jù)保持架圈梁及橫梁寬度盡可能取較大值。

軟件分析得到的最佳澆口位置是澆口設(shè)置的重要參考信息，但不一定就是模具設(shè)計的實(shí)際澆口位置。根據(jù)注塑保持架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，澆口位置可以設(shè)置在橫梁中部也可以設(shè)置在圈梁上。多澆口設(shè)置便于順利充模保證精度，因此設(shè)置了4種方案對保持架澆注系統(tǒng)進(jìn)行全面模擬分析。

（1）澆口設(shè)置在橫梁中部，5個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖3所示，由圖可知，未設(shè)置澆口的橫梁中部形成5條熔接痕，在圈梁和橫梁的交界處上下各分布5條熔接痕。

圖3 橫梁設(shè)置5個澆口熔接痕分布

（2）澆口設(shè)置在橫梁中部，10個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖4所示，由圖可知，熔接痕分布在窗孔圈梁中部，達(dá)20條熔接痕。

圖4 橫梁設(shè)置10個澆口熔接痕分布

（3）澆口設(shè)置在圈梁上，1個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖5所示，由圖可知，熔接痕分布在保持架橫梁的不同位置共9條，圈梁上僅分布2條熔接痕。

圖5 圈梁設(shè)置1個澆口熔接痕分布

（4）澆口設(shè)置在圈梁上，3個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖6所示，由圖可知，熔接痕分布在橫梁共5條，澆口處圈梁上的熔接痕部分分布在保持架窗孔處。

圖6 圈梁設(shè)置3個澆口熔接痕分布

2.3 模具澆注系統(tǒng)設(shè)置及試驗(yàn)

上述4種澆口的位置和數(shù)量設(shè)計方案都在保持架橫梁上形成熔接痕，方案2和方案3的熔接痕明顯多于其他2種方案；方案4保持架澆口處圈梁上的熔接痕部分分布在保持架窗孔處，而方案1保持架圈梁上熔接痕全部分布在圈梁和橫梁的交界處；方案1對稱式注塑可保證保持架精度。選擇方案1保持架澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，并依據(jù)澆注方案設(shè)計模具。

圖7 保持架澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

澆注后的保持架表面平整、光滑，無裂紋及凹凸缺陷，檢測保持架徑向拉伸強(qiáng)度為111.6 MPa。裝機(jī)試驗(yàn)初期軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常，軸承溫升、主機(jī)電流、主機(jī)振動等試驗(yàn)參數(shù)無異常波動，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲無異常；隨著載荷的增大試驗(yàn)機(jī)主體振動突然加大，主機(jī)電流及目標(biāo)軸承溫升無明顯變化。停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)保持架橫梁部分?jǐn)嗔眩覕嗔巡糠智『锰幱谧⑺鼙３旨艿娜劢雍畚恢谩?/p>

保持架在裝機(jī)試驗(yàn)時橫梁受到滾子的作用而斷裂，需檢測垂直于橫梁方向力的大小。由于窗孔直徑為11.4 mm，設(shè)計拉伸夾具寬6 mm，高5.6 mm，進(jìn)行保持架窗孔橫梁拉伸試驗(yàn)，檢測保持架橫梁斷裂時的拉力見表1（優(yōu)化前）。

表1 保持架橫梁斷裂時的拉力 N

由檢測結(jié)果可知，保持架橫梁斷裂時的最大拉力為566 N，最小拉力為353 N，離散性較大，說明保持架橫梁熔接痕的強(qiáng)度差異較大。

3 保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

由于軸承套圈尺寸、滾子尺寸和數(shù)量不變，在保證保持架適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)間隙且不影響軸承噴油潤滑的同時，應(yīng)充分利用軸承的徑向和軸向空間，合理增加保持架圈梁的厚度和寬度，進(jìn)而提高保持架的強(qiáng)度，優(yōu)化后保持架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化保持架結(jié)構(gòu)圖

仍采用Moldflow進(jìn)行注塑成型仿真模擬分析，建立優(yōu)化后保持架的三維實(shí)體模型，尺寸為：外徑47.9 mm×內(nèi)徑38.9 mm×寬度19.3 mm。采用表面網(wǎng)格類型劃分修改后得到三角形個數(shù)為3 200的網(wǎng)格模型，保持架材料及相關(guān)參數(shù)不變。

3.1 優(yōu)化后保持架澆口的位置及數(shù)量

澆口設(shè)置在保持架橫梁中部，將在其他保持架橫梁上形成熔接痕，減小了保持架橫梁的力學(xué)性能。優(yōu)化結(jié)構(gòu)后保持架澆口位置設(shè)置在圈梁內(nèi)環(huán)上，澆口的位置及數(shù)量設(shè)計方案如下。

（1）澆口設(shè)置在圈梁上，1個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖9所示，由圖可知，在圈梁上僅分布有2條熔接痕，熔接痕大部分分布在橫梁上，容易發(fā)生斷裂，拉伸強(qiáng)度降低。

圖9 圈梁上設(shè)置1個澆口熔接痕分布

（2）澆口設(shè)置在圈梁上，均布3個澆口，充填分析后的熔接痕分布如圖10所示，由圖可知，澆口處圈梁分布有3條熔接痕，非澆口處圈梁分布有10條熔接痕，橫梁上無熔接痕。

圖10 圈梁上設(shè)置3個澆口熔接痕分布

3.2 優(yōu)化后保持架模具澆注系統(tǒng)設(shè)置及試驗(yàn)

優(yōu)化后的2種澆口位置和數(shù)量設(shè)計方案中，方案1在保持架橫梁上形成熔接痕較多，方案2在保持架橫梁上無熔接痕。方案2注塑成型時，澆口處圈梁首先成型形成3條熔接痕；接著保持架橫梁成型，橫梁距離澆口位置的不同成型時間有先后，但未在保持架橫梁處形成熔接痕；非澆口處圈梁最后成型，熔接痕分布較多。保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后圈梁厚度增大，可有效避免由于熔接痕造成的強(qiáng)度降低。方案2提高了保持架橫梁的力學(xué)性能，滿足了設(shè)計要求。

優(yōu)化后保持架澆口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示，并據(jù)此設(shè)計模具。檢測注塑后保持架徑向拉伸強(qiáng)度為108.3 MPa，保持架圈梁截面積增大可有效抵消熔接痕造成強(qiáng)度的降低；保持架表面平整、光滑，無裂紋及凹凸缺陷。

圖11 優(yōu)化后保持架澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于保持架窗孔尺寸不變，仍采用原拉伸夾具進(jìn)行保持架窗孔橫梁拉伸試驗(yàn)，檢測保持架橫梁斷裂時的拉力見表1（優(yōu)化后）。拉伸試驗(yàn)中，拉力曲線約在520 N出現(xiàn)拉伸平臺，說明保持架橫梁在拉伸時具有一定的韌性；斷裂時的最小拉力為692 N，較優(yōu)化前提高65.7%。

裝機(jī)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，軸承外圈溫度、主機(jī)電流、振動等測試參數(shù)隨試驗(yàn)工況的變化正常波動，試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定后，各測試參數(shù)示值穩(wěn)定，無異常情況發(fā)生。

4 結(jié)束語

澆口位置和數(shù)量對注塑保持架質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，運(yùn)用CAE軟件進(jìn)行最佳澆口位置分析只能作為參考，還應(yīng)根據(jù)注塑保持架的實(shí)際情況調(diào)整保持架的澆口位置和數(shù)量。運(yùn)用Moldflow可以根據(jù)設(shè)計方案有效地模擬出注塑保持架熔接痕的分布，從而為保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)、模具設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。