基于Moldflow 的軸承塑件分析及優化設計＊

王一杰，孟 浩，張雨薇，郭苗苗，高中琦

（河南理工大學，河南 焦作 454002）

軸承為工程機械中必不可少的零件，人們對其的需求也越來越高。通常傳統注射模具設計過程異常復雜且缺少客觀高效的可模擬結果[1-3]。通過Moldflow 軟件模擬，進而設計、修復、完善、模擬產品注塑整個過程，提高了設計生產的時效性，而且減少了經濟資本投入。

相關學者們對Moldflow 軟件模擬優化工藝參數進行了大量研究。劉丹等[4]對汽車后視鏡座進行優化分析仿真，得出最佳澆口位置。通過以體積收縮率變化為參數的正交試驗，獲得了最佳收縮率和冷卻劑收縮率均不會引起翹曲的塑件模型。

本文使用Moldflow 分析了軸承塑件的注塑全過程，通過調整控制工藝參數分析影響塑料軸承質量的因素，針對分析結果預測可能出現的成型缺陷提出優化方案，為后續相關制件的設計生產提供指導作用。

1 軸承結構分析

軸承三維結構具體如圖1 所示，其外形尺寸為全長64 mm，內徑11.6 mm，外徑184 mm。采用solidworks 軟件進行三維建模，采用ABS 進行注塑。本文選用的ABS 材料型號為PA-717C。

圖1 塑件圖

2 澆口與冷卻系統的設計

澆口與冷卻系統的設計如圖2 所示。澆口的位置對塑料的質量有很大的影響，直接影響零件的美觀和質量，軸承結構較短，因此模型中只設計一個最優澆口位置，如圖2（a）所示。通過Moldflow 分析流動阻力指示器和閘門的匹配，如圖2（b）所示。設計冷卻系統對注塑零件的質量有很大影響，而對冷卻系統的關注將直接導致清潔塑料零件出現。因此，應適當控制注塑周期，控制適當的冷卻時間。冷卻流道布置如圖2（c）所示。

圖2 澆口與冷卻系統的設計

3 基于正交試驗的軸承成型工藝參數優化

在本文中，通過調整和控制模具溫度Tm、熔體溫度Tr、保壓壓力P、保壓時間t等工藝參數來優化塑料零件的質量，并根據材料的理論特性和塑料零件生產的實際情況選擇合理的因素和測試水平。通過設計正交試驗確定工藝參數。試驗因素有4 個，每個因素包含4 個水平，因素分別為A 模具表面溫度（20～50 ℃）、B 熔體溫度（230～260 ℃）、C 保壓壓力（80 MPa、95 MPa、110 MPa、125 MPa）、D 保壓時間（8 s、10 s、12 s、14 s）。當模具表面溫度為40 ℃，熔體溫度為230 ℃，保壓壓力為125 MPa，保壓時間為8 s 時，體積收縮率為1.065%，最大翹曲為0.089 2 mm。

進一步處理實驗數據，以便分析實驗結果的優缺點。為此，使用映射函數來加權分析，通過對這兩個測試結果的重要性加權方法的區分，得知體積和翹曲加權值分別稱為λ1=65、λ2=35。綜合目標表達如下：

式（1）中：i為測試序列號，值為1，表示體積收縮率；j為每個目標的代碼，值為2，表示最大翹曲邊。試驗結果的極差分析如表1 所示。

表1 試驗結果的極差分析

分析以上結果可以得出結論，保存時間對通用塑料成型指數的影響最大，最佳的工藝參數為：模具表面溫度30 ℃、熔體溫度260 ℃、保壓壓力110 MPa、保壓時間14 s。相應的體積收縮率為2.311%，翹曲最大值為0.092 7 mm。相比初始方案，體積收縮率和最大翹曲值分別降低54.75%、40.69%。

4 結論

本文中軸承是重要的研究對象，采用Moldflow 研究，根據分析結果，比較了兩種塑料的優缺點，選擇了ABS 作為注塑的材料，并在正交試驗公式中找到了工藝參數的最佳組合為模具表面溫度30 ℃、熔體溫度260 ℃、保壓壓力110 MPa、保壓時間14 s。工藝參數的組合已重新引入Moldflow 進行仿真分析。結果表明，塑料零件的體積收縮和最大翹曲得到了明顯改善，減少了54.75%、40.69%。