注塑軸承保持架圓度分析及控制方法

寧仲，李建星，孫小波

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

1 注塑保持架介紹

注塑軸承保持架具有比強(qiáng)度高、密度低、吸噪聲、耐高低溫、耐酸堿、耐磨損、自潤滑等優(yōu)點(diǎn)，可以替代鋼鐵、銅鋁合金等保持架，尤其在高速、長壽命、低噪聲和耐腐蝕等應(yīng)用場合具有突出優(yōu)勢。同時(shí)注塑軸承保持架可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品一致性好，能有效提高軸承的市場競爭力。

注塑保持架常應(yīng)用于精密、高速軸承，為了降低軸承的振動(dòng)和噪聲，提高軸承旋轉(zhuǎn)精度，對(duì)保持架圓度要求較高。注塑保持架生產(chǎn)成型過程為：將工程塑料顆粒烘干，經(jīng)過注塑機(jī)的加熱系統(tǒng)塑化，再借助柱塞或螺桿向熔化好的塑料顆粒施加壓力，經(jīng)料筒噴嘴和模具澆注系統(tǒng)高速高壓進(jìn)入保持架模具型腔，保壓冷卻定型后開模頂出。在注射冷卻結(jié)晶過程中保持架不可避免地會(huì)收縮產(chǎn)生變形，因此，如何提高注塑保持架精度，減小后期冷卻結(jié)晶變形，是軸承保持架廠家亟待解決的難題。

注塑保持架整個(gè)生產(chǎn)成型過程中影響其圓度的因素包括：保持架材料、保持架結(jié)構(gòu)、制備保持架的模具結(jié)構(gòu)、精度以及保持架的注塑工藝等，現(xiàn)對(duì)重要的影響因素進(jìn)行分析，提出控制方法。

2 注塑保持架圓度影響因素分析

2.1 保持架材料

隨著高性能工程塑料的日益發(fā)展，保持架材料不再局限于傳統(tǒng)的金屬和酚醛層壓布管等材料，國內(nèi)外開始廣泛應(yīng)用高性能工程塑料作為注塑保持架的基礎(chǔ)材料。

應(yīng)用到注塑保持架的工程塑料為熱塑性工程塑料，材料中各長鏈分子之間由較弱的范德華力維持在一起，受熱時(shí)分子之間的作用力變?nèi)?，使材料發(fā)生物態(tài)變化，由固體軟化并具有柔性，繼續(xù)加熱到一定溫度則變成熔融體，冷卻時(shí)重新凝固，這種加熱軟化，冷卻凝固的循環(huán)過程是可逆的，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)性。注塑保持架在加熱軟化、冷卻凝固過程中，由于受到成型壓力、剪切應(yīng)力、各方異性、密度不均、填料分布不勻、模溫不勻、硬化不勻、塑性變形等因素的影響，產(chǎn)生一系列應(yīng)力作用[1]，這些應(yīng)力的存在使注塑保持架在成型時(shí)存在殘余應(yīng)力，脫模后由于應(yīng)力趨向于平衡，殘余應(yīng)力發(fā)生變化而使注塑保持架產(chǎn)生變形。

根據(jù)冷凝時(shí)有無結(jié)晶現(xiàn)象將熱塑性塑料分為結(jié)晶型塑料和非結(jié)晶型塑料。結(jié)晶型塑料收縮率較非結(jié)晶型塑料更高，但由于結(jié)晶取向的原因，結(jié)晶型塑料更容易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。結(jié)晶性能對(duì)最終產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性也有影響，在保持架注塑成型過程中會(huì)冷卻結(jié)晶，材料的結(jié)晶度越高，分子之間排列越整齊，靠的越近吸引力越大，相對(duì)而言保持架的收縮和變形會(huì)更小。

目前注塑保持架材料主要有聚酰胺(PA66和PA46)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亞胺(PEI) 以及在此基礎(chǔ)上的各種改性材料，主要的改性方法是在上述樹脂基材中增加玻璃纖維或碳纖維作為主要填充材料，同時(shí)配有一定的熱穩(wěn)定劑、耐老化劑及少量其他添加劑。市場上注塑保持架應(yīng)用最廣泛的是玻璃纖維增強(qiáng)PA66材料。

聚酰胺是一種結(jié)晶度較高的熱塑性材料，收縮率約為1.5%～2.5%，而且還有一定的后收縮，經(jīng)過改性后PA66-GF25，PA46-GF25的收縮率減小為0.5%～0.8%。注塑保持架應(yīng)用不同的材料，其收縮率、流動(dòng)性都會(huì)發(fā)生較大變化，即使只改變塑料的制造廠及著色，收縮率也會(huì)發(fā)生改變，所以材料的確定是保證注塑保持架精度的前提，合理的選材或開發(fā)新的更優(yōu)異、更適合注塑保持架應(yīng)用工況的工程塑料，能夠很大程度上提高保持架的圓度。

2.2 保持架結(jié)構(gòu)

保持架的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式對(duì)注塑保持架的圓度及精度控制產(chǎn)生重要影響。注塑保持架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循一定的原則：1)滿足強(qiáng)度要求的情況下壁厚適當(dāng)且均勻；2)保持架邊梁和過梁尺寸偏差不可過大；3)保持架結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱且圓周封閉；4)盡量避免出現(xiàn)不易填充的尖角部位。

保持架壁太厚可能導(dǎo)致在注塑成型中冷卻出模后圓周表面出現(xiàn)收縮坑，甚至保持架內(nèi)部出現(xiàn)氣孔。通過增加注塑保壓壓力等工藝措施只能部分彌補(bǔ)缺陷，無法消除缺陷，且增大壓力會(huì)造成保持架內(nèi)部應(yīng)力的增加，導(dǎo)致冷卻后收縮變形加大。因此，要從注塑保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決壁太厚收縮大的問題，如：通過增加減重槽優(yōu)化保持架的壁厚(圖1)，在保證強(qiáng)度的情況下既減輕保持架質(zhì)量又使壁厚均勻，保持架圓度和尺寸更容易控制。

圖1 壁厚優(yōu)化的保持架Fig.1 Cage with optimized wall thickness

對(duì)于軸承寬度窄或雙端面含有密封圈的情況，僅通過減小保持架寬度來滿足軸承設(shè)計(jì)要求時(shí)，將造成保持架邊梁過窄(圖2)。在注塑填充過程中含有玻璃纖維的工程塑料會(huì)在邊梁處產(chǎn)生玻璃纖維聚集和裸露，嚴(yán)重影響外觀；在料流匯合處形成明顯的熔接痕，導(dǎo)致此處強(qiáng)度有很大程度的降低；同時(shí)外徑及端面的凸起使保持架圓度及各兜孔等分精度降低。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)采用圖3結(jié)構(gòu)的保持架，使邊梁和過梁寬度相近，有利于玻璃纖維的流動(dòng)、不聚集。

圖2 過梁和邊梁差異大的保持架Fig.2 Cage with big differences between bridges and side beams

圖3 過梁和邊梁尺寸接近的保持架Fig.3 Cage with similar size of bridges and side beams

為了裝配方便，有時(shí)注塑保持架設(shè)計(jì)成如圖4所示結(jié)構(gòu)，保持架圓周方向斷續(xù)不連接，該結(jié)構(gòu)的保持架注塑成型出模后會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)一端向內(nèi)收縮明顯大于連續(xù)的一端，保持架中心徑及圓度容易超差。改進(jìn)設(shè)計(jì)為圖5所示結(jié)構(gòu)，可以保證保持架注塑成型出模后兩端收縮的一致性，從而保證中心徑和外圓的精度，提高軸承精度。

圖4 圓周方向有斷開的保持架Fig.4 Broken cage in circumferential direction

圖5 圓周方向連續(xù)的保持架Fig.5 Continuous cage in circumferential direction

注塑保持架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于機(jī)械加工成形實(shí)體保持架，實(shí)體保持架設(shè)計(jì)只要與軸承合理匹配，結(jié)構(gòu)易于加工即可，而注塑保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還須要考慮保持架好成型、易脫模，出模后保持架穩(wěn)定收縮、變形小等因素。

2.3 保持架模具結(jié)構(gòu)及精度

注塑保持架模具結(jié)構(gòu)的合理性和制造精度是保證保持架精度的關(guān)鍵，且模具設(shè)計(jì)必須兼顧便于加工制造。保持架模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：

1)分型面的選擇應(yīng)使結(jié)構(gòu)形狀簡單化，易于出模，避免強(qiáng)脫模使保持架產(chǎn)生變形；一個(gè)分型面可以解決問題盡量不設(shè)置多個(gè)分型面，以免影響保持架外觀；力求分型面不產(chǎn)生飛邊，無法避免飛邊也必須處于容易修整的位置。

2)澆注系統(tǒng)在傳遞注射壓力，輸送塑料到保持架模腔各部位處盡量均勻，澆道暢通，流程盡量短，流動(dòng)阻力、熱量損失盡量小；澆口對(duì)于保持架兜孔或窗口均衡布置且尺寸和保持架相匹配，對(duì)于多澆口無法做到均衡時(shí)可以考慮滿澆口或單澆口；冷料穴足夠容納噴嘴前端冷料，防止冷料進(jìn)入保持架造成保持架強(qiáng)度降低及圓度增大。

3)排氣系統(tǒng)開設(shè)要有利于排氣但不溢料，排氣口位置處于保持架料流匯合處或者排氣通道布滿保持架整圈，排氣系統(tǒng)暢通且排氣量足夠大。在高壓、高速注射熔料時(shí)，如果保持架產(chǎn)品表面未產(chǎn)生焦斑，則該模具的排氣系統(tǒng)為合適充分的[2]。國外注塑保持架模具不僅型腔制造精度高，而且流道和澆口設(shè)計(jì)與保持架更匹配，模腔表面拋光質(zhì)量非常高，因此，能夠很好地保證保持架圓度，通常φ200 mm的塑料保持架圓度小于0.25 mm。

2.4 保持架注塑工藝

注塑保持架成型過程中，優(yōu)良的材料性能，合理的保持架結(jié)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)，精密的成型機(jī)械只有在合理的成型工藝設(shè)置下才能體現(xiàn)其優(yōu)勢，而且合適的成型工藝設(shè)置還可以彌補(bǔ)其他方面的缺陷。保持架成型過程中主要工藝控制指標(biāo)包括：注塑壓力、保壓壓力、塑化壓力、模具溫度、料筒溫度等。

注塑壓力保證塑料熔融體以一定的速度充滿保持架模具型腔，型腔充滿熔融體后注塑壓力起到壓實(shí)的作用，使保持架更致密，并對(duì)熔料因冷卻而產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)料，從而使保持架保持精確的形狀，獲得較高的圓度。

保壓壓力是當(dāng)熔融體充滿保持架模具型腔后，螺桿繼續(xù)對(duì)模具內(nèi)的熔融體進(jìn)行壓實(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中，保壓壓力應(yīng)該等于或小于注塑壓力。當(dāng)保壓壓力與注塑壓力相等時(shí)，會(huì)使保持架的收縮率降低，而且可以保證保持架的穩(wěn)定性及其力學(xué)性能。

塑化壓力對(duì)注塑保持架成型的影響主要體現(xiàn)在注射機(jī)對(duì)物料的塑化效果及其塑化能力方面。增大塑化壓力，螺桿后退速度減小，機(jī)筒內(nèi)熔融體受到的壓力隨之增加，塑化時(shí)剪切作用加強(qiáng)，塑化效果提高。但是過高的塑化壓力會(huì)使塑料熔融體在螺槽邊緣形成反流和漏流而減少塑化量，產(chǎn)生過高剪切熱時(shí)會(huì)使物料降解，產(chǎn)生氣泡或燒傷，影響保持架質(zhì)量。

模具溫度影響保持架在注塑時(shí)塑料熔融體充模流動(dòng)、冷卻速度和成型后的性能。對(duì)于結(jié)晶型塑料，提高模溫時(shí)冷卻速率小，結(jié)晶速率變大，減小了塑料后結(jié)晶，保持架圓度好。但模溫過高時(shí)，會(huì)延長成型周期并使保持架產(chǎn)生較大冷卻收縮變形。模溫低，冷卻速率大，熔料的流動(dòng)與結(jié)晶同步進(jìn)行，由于熔料在結(jié)晶溫度區(qū)間停留時(shí)間縮短，不利于晶體的成型，造成產(chǎn)品的分子結(jié)晶程度較低，影響其使用性能。模溫過低，塑料熔體的流動(dòng)阻力大，流速變緩，甚至在充模中凝固妨礙后續(xù)進(jìn)料，常造成保持架缺料、熔接痕大、玻璃纖維裸露嚴(yán)重等缺陷。不同的材料采用不同的模具溫度，注塑保持架常用材料的適用模具溫度見表1。

表1 適宜的模具溫度Tab.1 Suitable die temperature

料筒溫度應(yīng)保證塑料熔融體正常流動(dòng)的同時(shí)又不使其發(fā)生變質(zhì)分解，玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)塑料通常都應(yīng)選擇較高的料筒溫度。

總而言之，在控制適當(dāng)?shù)乃芑湍＞邷囟葧r(shí)，增大注塑壓力，減小注塑速度，增大保壓壓力,減小保壓速度能夠使保持架更密實(shí)，有利于提高保持架圓度。

3 結(jié)束語

影響注塑保持架圓度的因素包括：注塑保持架材料種類及型號(hào)、注塑保持架自身結(jié)構(gòu)、保持架模具結(jié)構(gòu)及精度、保持架的注塑生產(chǎn)工藝等，需要從注塑保持架根本特征出發(fā)，提高設(shè)計(jì)水平，研創(chuàng)合適塑料，提高制造精度，設(shè)計(jì)合理注塑工藝等方面入手，注重各細(xì)節(jié)的全面把握，從而提高保持架圓度及其他精度。