直線軸承塑料保持架注塑模具設計與工藝優(yōu)化

尹甜甜

(開封大學 機械與汽車工程學院,河南 開封 475004)

隨著機械動力和傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件向高速、低摩擦、輕量化方向發(fā)展,以及高性能工程塑料的日益發(fā)展,軸承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)外開始廣泛應用高性能工程塑料作為保持架的基礎材料并已經(jīng)顯示出獨特的優(yōu)越性。對于直線軸承塑料保持架,如何提高保持架的精度是軸承廠家亟待解決的問題[1]。關(guān)于塑件注塑成型工藝優(yōu)化的研究較多:文獻[2]以翹曲變形量和縮痕估算為分析指標,基于正交試驗,并通過粒子群算法得到了最優(yōu)工藝參數(shù);文獻[3]采用正交試驗法對注塑工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,并確定了最佳的冷卻系統(tǒng)和最優(yōu)的注塑工藝參數(shù)。然而,關(guān)于直線軸承塑料保持架的設計及注塑成型工藝優(yōu)化的研究相對較少。

針對上述問題,本文基于CAE對直線軸承塑料保持架進行了注塑模具設計與工藝優(yōu)化。通過Moldflow模流分析確定最佳澆口位置,設計了澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),并以此為參考對塑件進行整體模具結(jié)構(gòu)設計,模具結(jié)構(gòu)采用彎銷+滑塊的側(cè)抽芯機構(gòu)設計實現(xiàn)保持架6個異形凹槽的成型;同時,針對翹曲變形量較大的問題,以翹曲變形量為優(yōu)化目標,采用正交試驗進行工藝參數(shù)優(yōu)化,確定最佳的工藝參數(shù)組合,并通過實際注塑成型驗證模具設計和工藝優(yōu)化方案的合理性。

1 直線軸承塑料保持架結(jié)構(gòu)

直線軸承保持架三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,整體尺寸為Φ36 mm×Φ25 mm×55 mm。在保持架圓周方向上有6個等距的異形凹槽,用來隔離和引導滾動體,保持架與軸承內(nèi)、外圈配合。保持架材料選用PA66塑料,機械強度和硬度高,剛性大,抗腐蝕性良好,不易磨損,尺寸穩(wěn)定性好,易加工成型。為滿足軸承的旋轉(zhuǎn)精度以及降低軸承的振動和噪聲,注塑成型的直線軸承塑料保持架要求最大翹曲變形量不超過0.15 mm。

圖1 直線軸承保持架三維結(jié)構(gòu)圖

2 注塑過程模擬分析

將三維模型導入Moldflow中,創(chuàng)建網(wǎng)格模型。由于塑件圓周方向上存在通孔等結(jié)構(gòu),須進行手動網(wǎng)格修復處理,修復相交和重疊單元[4],改善縱橫比,平均值小于3∶1。

2.1 澆注系統(tǒng)設計

采用一模兩腔成型,要求直線軸承保持架外表面完整且平整、光滑,故選擇點澆口進料?；贛oldflow對塑件最佳澆口位置進行分析,如圖2所示,最佳位置位于塑件兩端面。由于保持架為回轉(zhuǎn)體,故端面任意位置都可作為進澆口,澆注系統(tǒng)設計如圖3所示。

圖2 最佳澆口位置

圖3 澆注系統(tǒng)設計

2.2 冷卻系統(tǒng)設計

合適的冷卻系統(tǒng)設計可以確保注塑成型具有好的產(chǎn)品質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率[5-7]。針對6個等距異形凹槽需設計側(cè)抽芯機構(gòu),由于受到滑塊位置的制約,定模、動模冷卻水路設計如圖4所示,水路直徑為8 mm,定模F進水口和動模M進水口,定模F出水口和動模M出水口上下錯開設置可確保冷卻效果。

圖4 冷卻系統(tǒng)設計

2.3 初始模流分析

初始模流分析采用默認的工藝參數(shù):注射溫度為270 ℃,模具溫度為120 ℃,注射壓力為90 MPa,保壓壓力為80 MPa,保壓時間為6 s。通過冷卻+填充+保壓+翹曲分析,結(jié)果如圖5所示:1)回路冷卻液最低溫度與最高溫度相差僅約0.67 ℃,說明采用點澆口和冷卻系統(tǒng)設計對于本產(chǎn)品的注塑成型是合理的;2)最大翹曲變形量為0.169 4 mm,位于塑件柱面中部,不滿足設計要求,故需要進行后續(xù)的注塑成型工藝優(yōu)化。

(a) 回路冷卻液溫度

3 模具設計

基于對塑件結(jié)構(gòu)分析,同時根據(jù)Moldflow注塑成型模擬,完成澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設計。設計的直線軸承塑料保持架注塑模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設計

直線軸承保持架模具設計的難點在于其上有6個異形凹槽,凹槽的脫模需要沿塑件圓周方向設置6組側(cè)向抽芯機構(gòu),機構(gòu)由滑塊+彎銷構(gòu)成。模具從分型面Ⅲ處打開,彎銷驅(qū)動滑塊運動,與塑件分離。同時,與彎銷分離后,由限位釘確保滑塊的位置,以保證塑件脫模以及再次合模時彎銷能順利導入滑塊的彎銷孔中。

脫模機構(gòu)由固定在推桿固定板上的推管、復位桿組成。模具從分型面Ⅲ處打開后,注塑機頂桿推動推板和推桿固定板實現(xiàn)推管運動,從而將塑件推出模外;合模時,由復位桿和復位彈簧構(gòu)成的復位裝置實現(xiàn)推出機構(gòu)復位。

3.2 模具工作過程

開模時,依次按分型面Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ順序打開。塑件冷卻定型后開模,由于彈簧的作用,先從分型面Ⅰ處打開,同時拉料桿拉住澆注系統(tǒng)凝料, 使?jié)部谂c塑件分離;由于定模板隨著動模部分后退,當定距拉桿運動到定模板上的凹槽底部時,定距螺釘起作用, 迫使分型面Ⅱ打開,主流道凝料在推料板的作用下從主流道中脫出,同時脫離拉料桿;動模繼續(xù)運動,從分型面Ⅲ處打開,彎銷驅(qū)動滑塊運動,與塑件分離。在推管的作用下將塑件推出模外。

4 注塑成型工藝優(yōu)化

4.1 注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

塑料保持架在實際注塑成型試模時,發(fā)現(xiàn)影響塑件質(zhì)量(翹曲變形量)的關(guān)鍵工藝參數(shù)有:注射溫度(A)、模具溫度(B)、注射壓力(C)和保壓壓力(D)。因此,為確定不同參數(shù)對成型質(zhì)量的影響,以翹曲變形量為分析指標[8-10],基于正交試驗設計分析這4個試驗因素對塑件翹曲變形量的影響,每一因素選定3個水平值,選用正交表L9(34)進行試驗設計,屬于一個三水平四因素的正交優(yōu)化試驗,因素水平見表1。

表1 L9(34)正交試驗因素水平設計

按照正交設計方案,基于Moldflow進行9次注塑成型模擬,得到對應工藝參數(shù)下塑件的翹曲變形量,結(jié)果見表2,各工藝參數(shù)不同水平下最大翹曲變形量的平均值及極差R值(極差R越大說明該因素對翹曲變形量的影響越大,反之影響越小)見表3,由表2和表3可知:各因素對翹曲變形量的影響從大到小依次為注射溫度、保壓壓力、模具溫度、注射壓力。

表2 L9(34)正交試驗結(jié)果

表3 最大翹曲變形量平均值及極差

各因素水平與翹曲變形量的關(guān)系曲線如圖7所示:為獲得最小的翹曲變形量,最佳工藝參數(shù)組合為A2B1C2D2,即最優(yōu)工藝參數(shù)為:注射溫度280 ℃,模具溫度100 ℃,注射壓力100 MPa,保壓壓力90 MPa。

圖7 各因素水平與翹曲變形量的關(guān)系曲線

4.2 塑件成型驗證

采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行Moldflow模流分析,翹曲變形量如圖8所示:最大翹曲變形量為0.131 mm,與初始分析的翹曲變形量相比降低22.6%,翹曲變形量明顯降低,滿足設計要求。同時,將優(yōu)化后的工藝參數(shù)用于實際注塑成型試模,實際注塑成型的保持架如圖9所示,基于塑件的結(jié)構(gòu)特征,在柱面中部區(qū)域按圖9所示位置選擇6個測試點區(qū)域,利用三坐標測量儀測得塑件最大翹曲變形量為0.125 mm,與模擬結(jié)果接近,滿足設計要求,進一步驗證了模具設計和工藝優(yōu)化方案的合理性。

圖8 翹曲變形量

圖9 實際注塑成型保持架

5 結(jié)束語

為保證直線軸承塑料保持架注塑成型的質(zhì)量,基于CAE技術(shù)對其進行了注塑模具設計與工藝優(yōu)化。通過Moldflow模流分析確定了最佳澆口位置,設計了澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),并以此為參考對塑件進行整體模具結(jié)構(gòu)設計;同時,針對注塑模擬初始分析結(jié)果顯示翹曲變形量較大的問題,以翹曲變形量為分析指標,采用正交試驗確定最佳的工藝參數(shù)組合為注射溫度280 ℃、模具溫度100 ℃、注射壓力100 MPa和保壓壓力90 MPa。最后,通過實際注塑生產(chǎn)驗證模具設計和工藝優(yōu)化方案的合理性。分析結(jié)果可為該類保持架的加工提供參考。