直線軸承塑料保持架注塑模具設計與工藝優化

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的旋轉部件向高速、低摩擦、輕量化方向發展,以及高性能工程塑料的日益發展,軸承保持架材料不再局限于傳統的金屬和酚醛層壓布管等材料,國內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顯示出獨特的優越性。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]。關于塑件注塑成型工藝優化的研究較多: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工藝參數;文獻[3]采用正交試驗法對注塑工藝參數進行了優化,并確定了最佳的冷卻系統和最優的注塑工藝參數。然而,關于直線軸承塑料保持架的設計及注塑成型工藝優化的研究相對較少。

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化。通過Moldflow模流分析確定最佳澆口位置,設計了澆注系統和冷卻系統,并以此為參考對塑件進行整體模具結構設計,模具結構采用彎銷+滑塊的側抽芯機構設計實現保持架6個異形凹槽的成型;同時,針對翹曲變形量較大的問題,以翹曲變形量為優化目標,采用正交試驗進行工藝參數優化,確定最佳的工藝參數組合,并通過實際注塑成型驗證模具設計和工藝優化方案的合理性。

1 直線軸承塑料保持架結構

直線軸承保持架三維結構如圖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、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,尺寸穩定性好,易加工成型。為滿足軸承的旋轉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構圖

2 注塑過程模擬分析

將三維模型導入Moldflow中,創建網格模型。由于塑件圓周方向上存在通孔等結構,須進行手動網格修復處理,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。基于Moldflow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。由于保持架為回轉體,故端面任意位置都可作為進澆口,澆注系統設計如圖3所示。

圖2 最佳澆口位置

圖3 澆注系統設計

2.2 冷卻系統設計

合適的冷卻系統設計可以確保注塑成型具有好的產品質量和較高的生產效率[5-7]。針對6個等距異形凹槽需設計側抽芯機構,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: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設計對于本產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,故需要進行后續的注塑成型工藝優化。

(a) 回路冷卻液溫度

3 模具設計

基于對塑件結構分析,同時根據Moldflow注塑成型模擬,完成澆注系統和冷卻系統的設計。設計的直線軸承塑料保持架注塑模具結構如圖6所示。

3.1 關鍵結構設計

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組側向抽芯機構,機構由滑塊+彎銷構成。模具從分型面Ⅲ處打開,彎銷驅動滑塊運動,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成的復位裝置實現推出機構復位。

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凝料, 使澆口與塑件分離;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;動模繼續運動,從分型面Ⅲ處打開,彎銷驅動滑塊運動,與塑件分離。在推管的作用下將塑件推出模外。

4 注塑成型工藝優化

4.1 注塑工藝參數優化

塑料保持架在實際注塑成型試模時,發現影響塑件質量(翹曲變形量)的關鍵工藝參數有:注射溫度(A)、模具溫度(B)、注射壓力(C)和保壓壓力(D)。因此,為確定不同參數對成型質量的影響,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,得到對應工藝參數下塑件的翹曲變形量,結果見表2,各工藝參數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,最佳工藝參數組合為A2B1C2D2,即最優工藝參數為: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系曲線

4.2 塑件成型驗證

采用優化后的工藝參數進行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,將優化后的工藝參數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,基于塑件的結構特征,在柱面中部區域按圖9所示位置選擇6個測試點區域,利用三坐標測量儀測得塑件最大翹曲變形量為0.125 mm,與模擬結果接近,滿足設計要求,進一步驗證了模具設計和工藝優化方案的合理性。

圖8 翹曲變形量

圖9 實際注塑成型保持架

5 結束語

為保證直線軸承塑料保持架注塑成型的質量,基于CAE技術對其進行了注塑模具設計與工藝優化。通過Moldflow模流分析確定了最佳澆口位置,設計了澆注系統和冷卻系統,并以此為參考對塑件進行整體模具結構設計;同時,針對注塑模擬初始分析結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,通過實際注塑生產驗證模具設計和工藝優化方案的合理性。分析結果可為該類保持架的加工提供參考。