徐 雷，張廷勇，葛泉江

（中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團(tuán)公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

高速角接觸球軸承用PEEK保持架設(shè)計分析

徐 雷，張廷勇，葛泉江

（中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團(tuán)公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

某型角接觸球軸承PEEK保持架注塑成型過程中，由于結(jié)構(gòu)具有非對稱性，導(dǎo)致冷卻后外徑橢圓度超差，影響軸承工作穩(wěn)定性。針對這一問題，提出了在保持架薄弱處設(shè)計橢圓加強(qiáng)筋的新結(jié)構(gòu)。采用三因素三水平的正交試驗設(shè)計方法，在滿足保持架性能要求的前提下，研究了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計方法，給出了最佳參數(shù)水平組合。結(jié)果表明，合理的參數(shù)選擇可以有效改善保持架橢圓度。

高速角接觸球軸承；保持架；注塑成型；PEEK；正交試驗

1 前言

PEEK（亦稱聚醚醚酮）是一種高性能熱塑性高聚物，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐輻射、耐化學(xué)腐蝕、耐摩擦磨損、自潤滑以及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異等特性，廣泛應(yīng)用于高速球軸承的保持架中[1]。為了提高產(chǎn)品精度和尺寸一致性等，多采用注塑成型工藝。由于孔肩與孔梁在冷卻成型過程中的收縮速度不一致，導(dǎo)致保持架外徑的橢圓度經(jīng)常超差，如圖 1 所示。計算式[2]

式中：

?——保持架外圈直徑最大值Dmax與最小值Dmin之差，

λ——橢圓度。

對此，在孔肩處設(shè)計橢圓形加強(qiáng)筋，平衡兜孔周圍的收縮速度，使保持架橢圓度滿足要求。本文通過對某型航空發(fā)動機(jī)用7212C主軸承保持架加強(qiáng)筋的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用正交試驗方法給出了最佳參數(shù)組合，解決了該問題。

圖1 PEEK保持架直徑形貌示意圖

2 正交試驗方案

7212C軸承保持架采用外圈引導(dǎo)方式，材料為聚四氟乙烯、碳纖維及石墨改性聚醚醚酮，牌號為PEEK450FC30。外徑尺寸為Φ95mm，橢圓度為0.05mm，引導(dǎo)間隙為0.5mm，內(nèi)徑尺寸為Φ82.5mm，寬度為21mm，兜孔數(shù)量為15，兜孔直徑為Φ13mm。為滿足外徑橢圓度要求，在每一個內(nèi)徑孔肩中心增加橢圓柱體，如圖 2。

圖2 7212C保持架橢圓加強(qiáng)筋示意圖

選取加強(qiáng)筋的長軸（a）、短軸（b）、厚度（c）三個因素，每個因素選取 3 個水平可以判斷出因素對最終試驗結(jié)構(gòu)的影響趨勢，即因素a水平范圍在兜孔直徑尺寸內(nèi)、因素b水平范圍在孔肩寬度尺寸內(nèi)、因素c水平范圍在最小非引導(dǎo)間隙值內(nèi)。在確定因素和水平后，采用L9（34）正交表安排試驗，見表 1。

表1 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平編碼表

3 結(jié)果分析與驗證

3.1 結(jié)果分析

由上述方案進(jìn)行試驗，每組試驗進(jìn)行3次，取其平均值作為試驗結(jié)果，如表 2 所示。

表2 正交試驗結(jié)果 mm

極差等于第j列（某個因素）各水平對應(yīng)的試驗指標(biāo)之和中的最大值減去最小值，即

用因素的水平做橫坐標(biāo)，用相應(yīng)的水平所導(dǎo)致的結(jié)果之和做縱坐標(biāo)，根據(jù)表 3 的橢圓度做極差分析，畫出水平趨勢圖，尋找試驗最優(yōu)設(shè)計方案。表 3 的極差分析結(jié)果表明，影響到保持架外徑橢圓度因素的主次關(guān)系是b＞a＞c，各因素水平的分布如圖 3。

表3 保持架外徑橢圓度的極差分析

圖3 保持架外徑橢圓度的各因素水平分布圖

從各因素水平趨勢圖可以看出，長軸、短軸和厚度 3 個因素中，因素 c 的極差值最小，對橢圓度的影響最小；因素 b 的極差值最大，對橢圓度的影響最明顯。

從圖 3a 可以看出，當(dāng)長軸尺寸從7mm增加到10mm時，保持架橢圓度由0.12mm變?yōu)?.05mm；當(dāng)從10mm增加到13mm時，橢圓度變?yōu)?.09mm。長軸尺寸在一定范圍內(nèi)增加可以改善橢圓度，超出這個范圍會對橢圓度產(chǎn)生不良影響，這說明長軸在孔肩中心處效果最為明顯。

從圖 3b 可以看出，當(dāng)短軸尺寸從2mm增加到4mm時，保持架橢圓度由0.15mm變?yōu)?.05mm，這說明短軸尺寸在水平范圍內(nèi)的增加可以使橢圓度單調(diào)變化，從而改善保持架精度。

從圖3c可以看出，當(dāng)厚度尺寸從0.5mm增加到1mm時，保持架橢圓度由0.12mm變?yōu)?.07mm；當(dāng)從1mm增加到1.5mm時，橢圓度變?yōu)?.08mm，這說明厚度尺寸在一定范圍內(nèi)增加可以改善橢圓度，當(dāng)超出這個范圍后，變化并不明顯。

3.2 試驗驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，在確定了加強(qiáng)筋最佳設(shè)計參數(shù)后，即長軸a為10mm、短軸b為4mm、厚度c為1mm，選取20件保持架進(jìn)行重復(fù)性試驗驗證，橢圓度均在0.03～0.05mm，平均值為0.038mm，均滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文針對PEEK保持架注塑成型后，由于冷卻收縮變化不均勻?qū)е峦鈴綑E圓度超差問題進(jìn)行了分析與措施驗證，采用三因素三水平的正交試驗設(shè)計方法，優(yōu)化加強(qiáng)筋的設(shè)計參數(shù)，結(jié)果表明：

（1）短軸尺寸對保持架直徑橢圓度影響最明顯，長軸尺寸和厚度尺寸次之。

（2）通過對最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明對應(yīng)的橢圓度最小。

[1]王楓,王子君. 高速軸承保持架用聚醚醚酮復(fù)合材料成形工藝[J]. 軸承, 2009, (1)：16-18.

[2]T.A.harris等.滾動軸承分析[M]. 羅繼偉等譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

（編輯：鐘 媛）

Design and analysis of PEEK cage for high speed angular contact ball bearing

Xu Lei, Zhang Tingyong, Ge Quanjiang
( Military Representative Office of PLA in Harbin Bearing Group Corporation, Harbin 150036, China )

A certain type of angular contact ball bearings PEEK cage in the process of injection molding, because the structure is asymmetric, leading to outer diameter ovality out-of-tolerance after cooling,and affecting the bearing working stability.For the problem, the new structure design of elliptic ribs on thin walls of cage is put forward. Under the premise that the product design could satisfy the demands of the mechanical property of cage, a design method about reinforced ribs structure parameters is studied and the best combination of the parameters based on the orthogonal experiment design method which has three levels and three factors are given. The results show that reasonable parameter selection can effectively improve the voality of the cage.

high speed angular contact ball bearing; cage; injection molding; PEEK; orthogonal experiment

TH133.33+1

A

1672-4852（2016）04-0003-02

2016-10-16.

徐 雷（1977-），男，工程師.