注塑轴承保持架圆度分析及控制方法

宁仲，李建星，孙小波

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新联盟，河南 洛阳 471039)

1 注塑保持架介绍

注塑轴承保持架具有比强度高、密度低、吸噪声、耐高低温、耐酸碱、耐磨损、自润滑等优点，可以替代钢铁、铜铝合金等保持架，尤其在高速、长寿命、低噪声和耐腐蚀等应用场合具有突出优势。同时注塑轴承保持架可以实现批量化生产，生产效率高，成本低，产品一致性好，能有效提高轴承的市场竞争力。

注塑保持架常应用于精密、高速轴承，为了降低轴承的振动和噪声，提高轴承旋转精度，对保持架圆度要求较高。注塑保持架生产成型过程为：将工程塑料颗粒烘干，经过注塑机的加热系统塑化，再借助柱塞或螺杆向熔化好的塑料颗粒施加压力，经料筒喷嘴和模具浇注系统高速高压进入保持架模具型腔，保压冷却定型后开模顶出。在注射冷却结晶过程中保持架不可避免地会收缩产生变形，因此，如何提高注塑保持架精度，减小后期冷却结晶变形，是轴承保持架厂家亟待解决的难题。

注塑保持架整个生产成型过程中影响其圆度的因素包括：保持架材料、保持架结构、制备保持架的模具结构、精度以及保持架的注塑工艺等，现对重要的影响因素进行分析，提出控制方法。

2 注塑保持架圆度影响因素分析

2.1 保持架材料

随着高性能工程塑料的日益发展，保持架材料不再局限于传统的金属和酚醛层压布管等材料，国内外开始广泛应用高性能工程塑料作为注塑保持架的基础材料。

应用到注塑保持架的工程塑料为热塑性工程塑料，材料中各长链分子之间由较弱的范德华力维持在一起，受热时分子之间的作用力变弱，使材料发生物态变化，由固体软化并具有柔性，继续加热到一定温度则变成熔融体，冷却时重新凝固，这种加热软化，冷却凝固的循环过程是可逆的，因此具有很好的经济性。注塑保持架在加热软化、冷却凝固过程中，由于受到成型压力、剪切应力、各方异性、密度不均、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀、塑性变形等因素的影响，产生一系列应力作用[1]，这些应力的存在使注塑保持架在成型时存在残余应力，脱模后由于应力趋向于平衡，残余应力发生变化而使注塑保持架产生变形。

根据冷凝时有无结晶现象将热塑性塑料分为结晶型塑料和非结晶型塑料。结晶型塑料收缩率较非结晶型塑料更高，但由于结晶取向的原因，结晶型塑料更容易产生翘曲现象。结晶性能对最终产品的尺寸稳定性也有影响，在保持架注塑成型过程中会冷却结晶，材料的结晶度越高，分子之间排列越整齐，靠的越近吸引力越大，相对而言保持架的收缩和变形会更小。

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)、聚醚酰亚胺(PEI) 以及在此基础上的各种改性材料，主要的改性方法是在上述树脂基材中增加玻璃纤维或碳纤维作为主要填充材料，同时配有一定的热稳定剂、耐老化剂及少量其他添加剂。市场上注塑保持架应用最广泛的是玻璃纤维增强PA66材料。

聚酰胺是一种结晶度较高的热塑性材料，收缩率约为1.5%～2.5%，而且还有一定的后收缩，经过改性后PA66-GF25，PA46-GF25的收缩率减小为0.5%～0.8%。注塑保持架应用不同的材料，其收缩率、流动性都会发生较大变化，即使只改变塑料的制造厂及着色，收缩率也会发生改变，所以材料的确定是保证注塑保持架精度的前提，合理的选材或开发新的更优异、更适合注塑保持架应用工况的工程塑料，能够很大程度上提高保持架的圆度。

2.2 保持架结构

保持架的设计参数、结构形式对注塑保持架的圆度及精度控制产生重要影响。注塑保持架设计时应遵循一定的原则：1)满足强度要求的情况下壁厚适当且均匀；2)保持架边梁和过梁尺寸偏差不可过大；3)保持架结构尽可能对称且圆周封闭；4)尽量避免出现不易填充的尖角部位。

保持架壁太厚可能导致在注塑成型中冷却出模后圆周表面出现收缩坑，甚至保持架内部出现气孔。通过增加注塑保压压力等工艺措施只能部分弥补缺陷，无法消除缺陷，且增大压力会造成保持架内部应力的增加，导致冷却后收缩变形加大。因此，要从注塑保持架结构设计上解决壁太厚收缩大的问题，如：通过增加减重槽优化保持架的壁厚(图1)，在保证强度的情况下既减轻保持架质量又使壁厚均匀，保持架圆度和尺寸更容易控制。

图1 壁厚优化的保持架Fig.1 Cage with optimized wall thickness

对于轴承宽度窄或双端面含有密封圈的情况，仅通过减小保持架宽度来满足轴承设计要求时，将造成保持架边梁过窄(图2)。在注塑填充过程中含有玻璃纤维的工程塑料会在边梁处产生玻璃纤维聚集和裸露，严重影响外观；在料流汇合处形成明显的熔接痕，导致此处强度有很大程度的降低；同时外径及端面的凸起使保持架圆度及各兜孔等分精度降低。因此，改进设计采用图3结构的保持架，使边梁和过梁宽度相近，有利于玻璃纤维的流动、不聚集。

图2 过梁和边梁差异大的保持架Fig.2 Cage with big differences between bridges and side beams

图3 过梁和边梁尺寸接近的保持架Fig.3 Cage with similar size of bridges and side beams

为了装配方便，有时注塑保持架设计成如图4所示结构，保持架圆周方向断续不连接，该结构的保持架注塑成型出模后会出现不连续一端向内收缩明显大于连续的一端，保持架中心径及圆度容易超差。改进设计为图5所示结构，可以保证保持架注塑成型出模后两端收缩的一致性，从而保证中心径和外圆的精度，提高轴承精度。

图4 圆周方向有断开的保持架Fig.4 Broken cage in circumferential direction

图5 圆周方向连续的保持架Fig.5 Continuous cage in circumferential direction

注塑保持架的结构设计不同于机械加工成形实体保持架，实体保持架设计只要与轴承合理匹配，结构易于加工即可，而注塑保持架结构设计还须要考虑保持架好成型、易脱模，出模后保持架稳定收缩、变形小等因素。

2.3 保持架模具结构及精度

注塑保持架模具结构的合理性和制造精度是保证保持架精度的关键，且模具设计必须兼顾便于加工制造。保持架模具设计时应考虑：

1)分型面的选择应使结构形状简单化，易于出模，避免强脱模使保持架产生变形；一个分型面可以解决问题尽量不设置多个分型面，以免影响保持架外观；力求分型面不产生飞边，无法避免飞边也必须处于容易修整的位置。

2)浇注系统在传递注射压力，输送塑料到保持架模腔各部位处尽量均匀，浇道畅通，流程尽量短，流动阻力、热量损失尽量小；浇口对于保持架兜孔或窗口均衡布置且尺寸和保持架相匹配，对于多浇口无法做到均衡时可以考虑满浇口或单浇口；冷料穴足够容纳喷嘴前端冷料，防止冷料进入保持架造成保持架强度降低及圆度增大。

3)排气系统开设要有利于排气但不溢料，排气口位置处于保持架料流汇合处或者排气通道布满保持架整圈，排气系统畅通且排气量足够大。在高压、高速注射熔料时，如果保持架产品表面未产生焦斑，则该模具的排气系统为合适充分的[2]。国外注塑保持架模具不仅型腔制造精度高，而且流道和浇口设计与保持架更匹配，模腔表面抛光质量非常高，因此，能够很好地保证保持架圆度，通常φ200 mm的塑料保持架圆度小于0.25 mm。

2.4 保持架注塑工艺

注塑保持架成型过程中，优良的材料性能，合理的保持架结构和模具结构，精密的成型机械只有在合理的成型工艺设置下才能体现其优势，而且合适的成型工艺设置还可以弥补其他方面的缺陷。保持架成型过程中主要工艺控制指标包括：注塑压力、保压压力、塑化压力、模具温度、料筒温度等。

注塑压力保证塑料熔融体以一定的速度充满保持架模具型腔，型腔充满熔融体后注塑压力起到压实的作用，使保持架更致密，并对熔料因冷却而产生的收缩进行补料，从而使保持架保持精确的形状，获得较高的圆度。

保压压力是当熔融体充满保持架模具型腔后，螺杆继续对模具内的熔融体进行压实，实际生产中，保压压力应该等于或小于注塑压力。当保压压力与注塑压力相等时，会使保持架的收缩率降低，而且可以保证保持架的稳定性及其力学性能。

塑化压力对注塑保持架成型的影响主要体现在注射机对物料的塑化效果及其塑化能力方面。增大塑化压力，螺杆后退速度减小，机筒内熔融体受到的压力随之增加，塑化时剪切作用加强，塑化效果提高。但是过高的塑化压力会使塑料熔融体在螺槽边缘形成反流和漏流而减少塑化量，产生过高剪切热时会使物料降解，产生气泡或烧伤，影响保持架质量。

模具温度影响保持架在注塑时塑料熔融体充模流动、冷却速度和成型后的性能。对于结晶型塑料，提高模温时冷却速率小，结晶速率变大，减小了塑料后结晶，保持架圆度好。但模温过高时，会延长成型周期并使保持架产生较大冷却收缩变形。模温低，冷却速率大，熔料的流动与结晶同步进行，由于熔料在结晶温度区间停留时间缩短，不利于晶体的成型，造成产品的分子结晶程度较低，影响其使用性能。模温过低，塑料熔体的流动阻力大，流速变缓，甚至在充模中凝固妨碍后续进料，常造成保持架缺料、熔接痕大、玻璃纤维裸露严重等缺陷。不同的材料采用不同的模具温度，注塑保持架常用材料的适用模具温度见表1。

表1 适宜的模具温度Tab.1 Suitable die temperature

料筒温度应保证塑料熔融体正常流动的同时又不使其发生变质分解，玻璃纤维、碳纤维增强塑料通常都应选择较高的料筒温度。

总而言之，在控制适当的塑化和模具温度时，增大注塑压力，减小注塑速度，增大保压压力,减小保压速度能够使保持架更密实，有利于提高保持架圆度。

3 结束语

影响注塑保持架圆度的因素包括：注塑保持架材料种类及型号、注塑保持架自身结构、保持架模具结构及精度、保持架的注塑生产工艺等，需要从注塑保持架根本特征出发，提高设计水平，研创合适塑料，提高制造精度，设计合理注塑工艺等方面入手，注重各细节的全面把握，从而提高保持架圆度及其他精度。