澆口對高速精密圓柱滾子軸承注塑保持架質量的影響

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短通道，起著調節控制料流速度、補料時間及防止倒流等作用［1］。澆口位置和數量是重要的模具結構參數，對注塑件的質量產生直接影響。對于結構復雜的注塑保持架，根據經驗選擇澆口位置和數量，往往設計不合理。利用CAE軟件對注塑保持架澆口位置和數量進行分析和優化，改變熔接痕的分布，可以提高注塑保持架拉伸強度，避免熔接痕對保持架外觀和性能產生影響；從而為注塑保持架模具設計提供科學依據，并能及時優化注塑保持架結構和模具設計［2］。

高速精密軸承注塑保持架在高速運轉條件下，每個滾動體法向受載極不均勻，滾動體的運動也不均勻，當滾動體的公轉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生碰撞，嚴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具有良好的機械強度。

1 保持架結構

高速精密圓柱滾子軸承采用的注塑保持架結構如圖1所示，圓周均布10個方形窗孔，保持架每個橫梁內側中部均有凸臺，并且凸臺端面與橫梁具有一定的夾角，結構較復雜。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 保持架結構示意圖

2 保持架Moldflow分析

應用Pro／E建立保持架的三維實體模型，其外形尺寸為：外徑47.7 mm×內徑42.8 mm×凸臺內徑40.8 mm×寬度18.3 mm。將保持架模型轉化為STL文件導入Moldflow［2］進行注塑成型仿真模擬分析。采用表面網格類型劃分修改后得到三角形個數為3 106的網格模型。注塑件材料選用碳纖維增強聚醚醚酮，相關參數為：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設置。

2.1 澆口位置預分析

澆注系統設計時，結合模具類型，應盡可能使澆注點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深色區域所示，即澆口設置在保持架橫梁中部比較合適。

圖2 最佳澆口位置

2.2 澆口的位置和數量

注塑保持架一般采用潛伏式澆口或點澆口，澆口尺寸根據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置的重要參考信息，但不一定就是模具設計的實際澆口位置。根據注塑保持架結構特點，澆口位置可以設置在橫梁中部也可以設置在圈梁上。多澆口設置便于順利充模保證精度，因此設置了4種方案對保持架澆注系統進行全面模擬分析。

（1）澆口設置在橫梁中部，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 橫梁設置5個澆口熔接痕分布

（2）澆口設置在橫梁中部，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20條熔接痕。

圖4 橫梁設置10個澆口熔接痕分布

（3）澆口設置在圈梁上，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 圈梁設置1個澆口熔接痕分布

（4）澆口設置在圈梁上，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 圈梁設置3個澆口熔接痕分布

2.3 模具澆注系統設置及試驗

上述4種澆口的位置和數量設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保持架澆注系統的結構圖如圖7所示，并依據澆注方案設計模具。

圖7 保持架澆注系統結構圖

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度為111.6 MPa。裝機試驗初期軸承運轉正常，軸承溫升、主機電流、主機振動等試驗參數無異常波動，運轉噪聲無異常；隨著載荷的增大試驗機主體振動突然加大，主機電流及目標軸承溫升無明顯變化。停機檢查后發現，試驗保持架橫梁部分斷裂，且斷裂部分恰好處于注塑保持架的熔接痕位置。

保持架在裝機試驗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，設計拉伸夾具寬6 mm，高5.6 mm，進行保持架窗孔橫梁拉伸試驗，檢測保持架橫梁斷裂時的拉力見表1（優化前）。

表1 保持架橫梁斷裂時的拉力 N

由檢測結果可知，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度差異較大。

3 保持架結構優化及分析

由于軸承套圈尺寸、滾子尺寸和數量不變，在保證保持架適當的引導間隙且不影響軸承噴油潤滑的同時，應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，進而提高保持架的強度，優化后保持架結構如圖8所示。

圖8 優化保持架結構圖

仍采用Moldflow進行注塑成型仿真模擬分析，建立優化后保持架的三維實體模型，尺寸為：外徑47.9 mm×內徑38.9 mm×寬度19.3 mm。采用表面網格類型劃分修改后得到三角形個數為3 200的網格模型，保持架材料及相關參數不變。

3.1 優化后保持架澆口的位置及數量

澆口設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性能。優化結構后保持架澆口位置設置在圈梁內環上，澆口的位置及數量設計方案如下。

（1）澆口設置在圈梁上，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，容易發生斷裂，拉伸強度降低。

圖9 圈梁上設置1個澆口熔接痕分布

（2）澆口設置在圈梁上，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 圈梁上設置3個澆口熔接痕分布

3.2 優化后保持架模具澆注系統設置及試驗

優化后的2種澆口位置和數量設計方案中，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。保持架結構優化后圈梁厚度增大，可有效避免由于熔接痕造成的強度降低。方案2提高了保持架橫梁的力學性能，滿足了設計要求。

優化后保持架澆口系統結構如圖11所示，并據此設計模具。檢測注塑后保持架徑向拉伸強度為108.3 MPa，保持架圈梁截面積增大可有效抵消熔接痕造成強度的降低；保持架表面平整、光滑，無裂紋及凹凸缺陷。

圖11 優化后保持架澆注系統結構圖

由于保持架窗孔尺寸不變，仍采用原拉伸夾具進行保持架窗孔橫梁拉伸試驗，檢測保持架橫梁斷裂時的拉力見表1（優化后）。拉伸試驗中，拉力曲線約在520 N出現拉伸平臺，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，較優化前提高65.7%。

裝機試驗目標軸承運轉平穩，軸承外圈溫度、主機電流、振動等測試參數隨試驗工況的變化正常波動，試驗狀態穩定后，各測試參數示值穩定，無異常情況發生。

4 結束語

澆口位置和數量對注塑保持架質量產生直接影響，運用CAE軟件進行最佳澆口位置分析只能作為參考，還應根據注塑保持架的實際情況調整保持架的澆口位置和數量。運用Moldflow可以根據設計方案有效地模擬出注塑保持架熔接痕的分布，從而為保持架結構改進、模具設計提供科學依據。