内包骨架双唇口油封模具设计及有限元分析——毕业论文

山东科技大学学士学位论文摘 要本文从橡胶模具的发展入手，明确了橡胶注射模具逐渐发展为橡胶产品的主流制作方法。本文提出了利用CAD/CAE双计算机辅助方式设计并优化橡胶注射模，并结合实际橡胶注射模具作出设计，实现了内包骨架双唇口油封件的模具设计与产品性能分析。 利用大型有限元分析软件ANSYS，对油封作出静态分析，通过分析获得封应变应力情况结合结构参数选用，完善油封造型。从油封的加工工艺出发，确定油封主要结构参数，并对主要工作部分作出重点解析，并结合橡胶模具的设计制作，借助三维建模软件Pro/E进行装配图及主要零部件图的设计。电机端盖压铸模具设计主要包括分型面、浇注系统、成形零件、辅助零件、结构零件等的设计，及成形零件工作尺寸等的计算。同时，利用模流分析软件Moldflow对塑件成形过程进行分析，得出充型过程中的充填模拟、压力场模拟以及在充填过程中出现的缺陷，分析成形规律，进而为之前设计的注射压力、注射温度、模具预热温度等相关参数对作相应调整，找出各项参数的最佳。关键词：油封；ANSYS；橡胶注射模；模流分析IAbstract Starting from the development of rubber mold, this paper defines the main manufacturing method of rubber injection mold gradually developed into rubber products. This paper proposes the use of CAD/CAE computer aided design and optimization of double rubber injection mold, and according to actual design of rubber injection mold, the mold design and product performance analysis of skeleton oil seal lips mouth inside the package. The static analysis of the oil seal is carried out by using the finite element analysis software ANSYS, and the seal strain and stress are obtained by analysis. The oil seal shape is improved with the selection of the structural parameters.Starting from the process of oil seal, determine the main structure parameters of oil seal, and make the key analysis of the main working part, combined with the production of rubber mold design, design for assembly and major parts of the map with 3D modeling software Pro/E. The die design of the end cover of the motor mainly includes the design of parting surface, gating system, forming parts, auxiliary parts, structural parts, and the calculation of forming parts, working dimensions and so on.At the same time, the software Moldflow to analyze the plastic forming process by mold flow analysis, the simulation of filling in the filling process of the pressure field and in filling in the process of forming defects, analysis of law, which is designed before the injection pressure,mold temperature and other related parameters to adjust, find out the parameters of the best. Keywords: oil seal;ANSYS; rubber injection mold; die flow analysis II目 录摘 要IAbstractII目 录III1. 绪 论11.1油封简介11.1.1油封特点11.1.2油封的分类及密封机理21.2本课题的研究目的和意义41.3国内外研究情况及其发展51.4 本论文的研究内容72.基于ANSYS有限元分析软件的油封静态分析92.1有限元分析软件ANSYS简介92.2分析前处理102.2.1油封分析过程的三重非线性102.2.2 油封有限元分析模型的建立112.3数值模拟结果与分析162.4油封密封性能的影响因素182.4.1油压182.4.2唇部胶料性能182.4.3结构参数183. 内包骨架双唇口油封的工艺分析213.1油封结构的确定213.1.1主要结构参数213.1.2密封唇口尺寸213.1.3骨架部分的尺寸233.2油封的加工工艺分析243.2.1注射成型工艺过程分析253.2.2油封的加工工艺条件263.2.3浇口种类的确定283.2.4型腔数目的确定283.3 注射机的选择283.3.1注射量的计算283.3.2浇注系统凝料体积的初步计算293.3.3选择注射机293.3.4注射机的相关参数的校核304. 油封模具的设计334.1 分型面的设计334.2 模具浇注系统设计344.2.1 主流道和分流道设计344.3.2 冷料穴及拉料杆374.3.3 排气方式374.3成型零件的设计384.3.1模具中密封唇口尺寸的确定384.2.2模具中油封外径尺寸的确定404.3.3模芯设计414.3.4凹模的设计424.4.5凸模的设计434.4.6动模板垫厚度和选定444.4 模架的选取454.5 导向机构的设计484.6 脱模机构的设计494.6.1 顶出机构的设计原则494.6.2 采用推杆脱模机构494.7加热系统504.8 油封注射模装配图及原理说明515. 基于Moldflow软件的模流分析545.1注塑成型CAE技术545.2三维模型建立及成型参数初步设定555.3模拟结果及分析565.3.1充填时间575.3.2压力585.3.3气穴605.3.4熔接线616. 结 论63参考文献64致 谢67VI1. 绪 论 近些年来，工业生产表现出高能、高速、高产的趋势，工业发展迅猛前进，同时现代装备的优化与创新极大地提高了其发展速度，现代装备的正常运行需要各方面的协调，其中密封与泄漏已然是现代装备中不可忽略的环节，能够对密封制品达到高效快捷的产出和对泄漏作出合理性分析，是对节约资本、提高工厂利润、提高机械产品质量、延长机械设备的使用寿命和确保机器长期运行有重要的作用。本课题以密封中最常见的骨架油封为例，对油封的加工工艺、模具设计、模流分析及其有限元性能静态分析等方面作出设计与分析，详细绘建油封模具，并归纳总结油封的收缩、受压特性，发现其变化规律，完善油封的尺寸造型，为大批量生产的骨架油封的模具设计作参考。1.1油封简介1.1.1油封特点油封是用于密封机械设备中旋转轴的封油用的密封元件，故油封又称旋转轴唇形密封圈。由于在机械运转时摩擦部分有油进入，使用油封来防止机械的间隙中有油的泄漏，油封的使用除了防止油的泄漏以外还需防止水或者化学药液的泄漏以及尘埃、土砂从外部的侵入。油封的密封状态，分为两种，第一种是油封外缘和腔体之间为静态密封，并保证油封外缘在腔体之间定位可靠；第二种是，当轴旋转时油封密封唇和轴之间的密封状态为动态密封，当轴静止时则为静态密封。多种影响因素的综合作用、相互作用，都会对油封的密封性能和使用寿命产生影响。油封外部为圆筒形用来保证对腔体的静态密封，采用内包金属骨架的橡胶外缘；采用外露金属骨架的外缘，大多需要抛光和镀敷防腐涂层。装有弹簧的密封唇保证轴的动态和静态密封的密封可靠性。经过长期开发研究的结果，油封的密封唇结构提高到极佳的性能，进而提高在更宽的负荷范围内的密封可靠性。添加防尘唇，或者在特殊情况下采用的多个防尘唇，可防止外界污染物和灰尘侵入。内包骨架双唇口（TC）油封结构图如图1-1所示。图1-1 内包骨架双唇口（TC）油封结构图1.1.2油封的分类及密封机理油封是一种依靠其柔性唇口部位压紧旋转轴而产生密封效果的密封圈。1我们平时所见的大部分是带有金属骨架的油封，也有一部分是无骨架油封，无骨架油封与环形密封圈（Y形圈、U形圈）类似。油封的实际装配工况图如图1-2所示。只有充分了解到油封的密封机理才能在模具设计中知道油封哪个部位尺寸是重要的，哪些部位要加上尺寸公差并且在加工过程中是至关重要的，哪些部位尺寸可以放宽要求的，从而能高效完成其模具设计。唇形油封型式复杂多样，在不同的场合采用不同的型式。唇形油封按其断面形状、密封压力、回转线速度、密封结构和有无弹簧等进行分类。图1-2 油封装配工况图按其断面形状可分为单唇口型和双唇口型；按其密封压力可分为有压型和无压型；按其回转速度可分为低速型和高速型；按其密封结构可分为粘结型、装配型和全胶型；按其有无弹簧箍紧可分为有弹簧型和无弹簧型等。按照我国国家标准GB/T 9877：2008液压传动 旋转轴唇形密封圈设计规范，将唇形密封分为了带副唇和无副唇的内包骨架型、外露骨架型和装配型等基本形式，图1-3为密封圈的部分基本类型。a) 带副唇内包骨架型b）带副唇外包骨架型c）带副唇装配型其中b：油封高度；d1：旋转轴直径；D油封外径面直径图1-3 密封圈的部分基本类型即使油封在不同的使用场合其断面形状会有所不同，但是油封的密封机理还是相似的。油封主要是用于旋转轴的密封，将系统的出力部分与需要润滑部分分割开来以起到密封的作用。目前对油封的密封机理需要对两个方面作出解释：是什么样的承载机制使得宏观上抱紧旋转轴的密封唇口能够有一个升举力，使得密封唇能够离开旋转轴而形成一层全液润滑油层；是什么样的机理使得油液能够不经过全液润滑油层而泄漏到外部。针对前一个问题普遍认为，是由于弹性流体动力润滑效应的作用，通俗来说，就是当回转轴运转时，润滑膜的周向剪切流和回转轴表面微观粗糙纹理共同发生作用，使得在唇口与回转轴的接触部分产生流体动压效应，来平衡密封唇作用在旋转轴上的径向载荷。一旦双方达成平衡，则密封就在全液润滑油膜上运行。密封带宽度是0.30.5mm，为了保证密封充分，密封面上应施加相应的接触压力，并形成全液润滑油膜，厚度大约为0.003mm。油膜起润滑作用，可有效的防止干摩擦烧伤轴颈。后一个问题则有两种模型：微观模型和宏观模型。21.2本课题的研究目的和意义 密封技术作为一门实践性很强的科学技术基础学科，其形成与发展是和社会生产要求、科学技术进步息息相关的。正因为密封技术对实践性的高要求，才体现了本课题研究目的，那就是通过对密封技术中最为主要和典型的代表油封，以油封及其模具的系统分析与设计来检验课题研究者对本科阶段所学到的知识，并锻炼其对学过的知识的综合应用能力、文献整理与应用能力、三维软件构图与建模分析能力。有一句俗话说的好，“物美价廉”，“物美”是指产品的性能和功用，“价廉”是指所售卖的产品有一定的经济划算性，两者统一来说便是“性价比高”，针对于密封来说，要想做到“物美价廉”，必须做到对密封件的整个设计过程有一定的把握，能够既保证用户关心的安全性、性能的可靠和运行寿命，又要做到对生产公司本身的经济效益实现最大化。1笔者联系本科课程，结合中国模具市场前景广阔，模具工业发展速度快于其他制造业的发展速度已成为普遍规律，又借于有限元分析能增加设计功能，确保产品设计的合理性，减少设计成本，缩短设计和分析的循环周期等的优势，此次课题研究选择了油封的模具设计及有限元分析。这为设计者巩固大学课程，强化学习能力，提高有限元分析软件和绘图软件的操作本领，通过本课题的设计增强发现问题、分析问题、解决问题的能力。能培养我们做事严谨、独立创新、仔细负责的良好态度，强化时间观念，养成良好的职业习惯。该实践性的课题是对学生的理论学习水平的实践和检验，对以后的工作和学习有一定的指导性与实践性意义。1.3国内外研究情况及其发展机械设备的正常运转和性能的良好发挥，与密封结构的设计、密封元件的密封性能息息相关。油封因其结构简单、紧凑、性能可靠、有广泛的适应性，而成为最常用的密封件之一。骨架油封更因其具有拆装方便、密封可靠等特点而被广泛使用，因而，对其研究越来越深入，就会极大地提高了油封的使用性能。近年来，随着机械、车辆、航空等工业的高速发展，对油封的使用性能也提出了越来越高的要求。早期油封是用皮革定型而成，二次世界大战后用合成橡胶生产的油封使用量逐渐加，特别是近二三十年来，由于机械制造车辆航空、航天等工业的飞速发展，对油封提出了耐高低温、耐高压、耐特殊介质，适应高速、震动和延长使用寿命等一系列苛刻的要求，从而促进了油封用材料、结构性能试验质量控制手段和密封机理等广泛深入的研究。60年代初国外研制成功有回流效应的流体动力油封，更使油封的技术有了大的飞跃，使一些十分困难的密封部位的密封问题获得了解决80年代美国又制造出聚四氟乙烯油封，它不仅适用于超高速，而且耐高低温耐多种腐蚀性介质，并适用于有干摩擦的场合80年代油封国际标准的颁布实施，更使油封在世界范围内具有通用性互换性各个国家纷纷参照国际标准重新制定新的国家标准。 我国在油封研究方面起步较晚，尽管近十几年来有了长足的进展，但与国际水平相比，在产品结构设计、橡胶配合技术、生产工艺、生产装备、模具加工、质量控制手段上还有很大的差距目前我国油封的生产，大多分布在条件比较简陋的小企业落后的生产工艺和装备，加之思想上对油封的高技术含量与高精密性缺乏足够的认识，在技术上对性能要求的复杂性和工艺加工的严格性估计不足，加上资金的投入力度不足，导致我国油封质量差、密封性能不可靠使用寿命短大部分生产厂家的生产水平仅停留在国外五六十年代的水平。我国的大部分高性能油封，主要依赖于进口另一方面，由于油封的质量不高，也影响了我国机械产品在国际市场上的竞争力因此，油封在整个机械行业中虽占的比重不大，但它却是橡胶行业中服务面广、影响面宽、社会经济效益巨大，对国民经济发展有重要作用的一类精密橡胶制品，其发展理应受到高度重视。 油封作为依靠其柔性唇密封刃口部位抱紧轴而产生密封作用的密圈。其功用在于把油腔与外界隔离，对内封油，对外防尘。要防止内部润滑介质向外泄漏，同时防止外部灰尘等杂质进入设备内部，都要使用双唇口油封。内包骨架双唇口油封与一般油封相比，具有形状复杂、外形尺寸精度高等特点。 而能否获得合格的内包骨架双唇口油封产品，关键在于模具设计制造，模具结构的好坏将直接影响产品质量，模具结构应保证将胶料控制在设计范围内。油封成形模具属橡胶成形模具，橡胶成形模具和其他成形模具具有相似性，利用特定形状的型腔，成形具有一定形状和尺寸精度的制成品的工具。随着我国橡胶制业的日益发展，橡胶成形模具也越来越多，但长期以来，由于习惯性影响，各单位企业在模具设计方面无法达成统一，橡胶模具结构各种各样，有的结构笨重，有的操作繁琐，直接影响生产周期和生产成本。合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是现代橡胶制品生产中必不可少的三要素，当然油封的生产制造也必然离不开这三样。其中模具对实现制成品的加工工艺要求、制成品的使用和造型设计起着至关重要的作用。我国橡胶制品的成型工艺最普遍的是压制成型、压注成型、注射成型、挤出成型等几种成型方法。多年来模压成型一直是橡胶制品生产的主要成型方式 ，但是随着社会发展和技术进步，对橡胶制品的质量、生产效率、能耗和原材料消耗等方面都有了更高的要求。与模压成型胶料相比，注射成型胶料的密度较大，硬度、强伸性能和拉断伸长率提高，拉断永久变形减小 ，有利于橡胶制品性能的提高。它适用于大型、厚壁以及几何形状复杂的制品，能获得理想的外观和较高的机械性能且质量稳定可靠，生产效率极高。随着注射成型模技术的不断发展和完善，它已逐步代替其它成型工艺并成了今后发展的主流。此外，产品的生产和更新都以模具制造和更新为前提，油封产品的不断创新，促使其模具的发展也不断向前。1.4 本论文的研究内容本论文主要采用理论与实践相结合的方式，运用所学理论知识，以及之前课程设计的经验，完成本次毕业设计。本论文的研究主要是通过大型有限元分析软件ANSYS，对油封进行有限元静态分析，总结出唇口、腰部应力应变规律，完善油封的尺寸造型。对油封作具体的工艺分析，选择相对高效的加工工艺，做好对油封唇口尺寸的设计，因为主唇口处的橡胶收缩是受到硫化工艺骨架、橡胶材料等多因素的影响，实际的收缩率是很难把握的。通过Moldflow软件对油封进行模流分析确定制品的充型时间、流速、充型压力等参数，从理论上支持加工方案的合理性，找到气穴、熔接痕等缺陷并指出缺陷解决办法，并针对油封模具的做出主要设计。为保证本次设计的顺利完成需要完成以下阶段： 开始设计阶段，收集和查阅有关本次设计的相关资料，分析设计制品的结构，初步完成该制品模具的基本结构设计； 学习ANSYS软件，对油封进行有限元静态分析，总结出唇口、腰部应力规律，完善油封的尺寸造型，为油封的设计与选型引入有限元分析方法提供了基础支持。 学习和熟练掌握PRO/E和CAD软件，完成本次模具设计的3D开模图和2D的总装图以及若干零件图； 学习Moldflow软件并利用前面已设计好的工艺，对本塑件的充模过程作出合理有效的分析，通过结果支持加工方案的合理性，能够针对成型过程中的缺陷和不足作出指正； 总结阶段，对前面所有的设计过程进行小结，完成毕业论文的写作。682.基于ANSYS有限元分析软件的油封静态分析2.1有限元分析软件ANSYS简介ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国John Swanson博士于1970年创建ANSYS公司后，开发出了此应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析，历经30多年的不断完善和修改，现成为全球的工程应用最受欢迎的应用程序，是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。该应用程序拥有丰富的、完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了能够高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，并能有效地求解温度场问题、散热场、磁场以及多场藕合问题;广泛地应用于国防、航空航天、汽车、船舶、能源、机械电子工程等领域中。它的完全交互式前后处理和图形文件，大大减轻了用户创建工程模型，生成有限元模型以及分析和评价结果的工作量;它的统一和集中的数据库，保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成;它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接，如Pro/Engineer、NASTRAN、 AutoCAD等，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。在建立几何模型时，ANSYS程序的前处理器为用户提供了建立分析模型的工具。与其他有限元分析软件相同，ANSYS的前处理器实际上是一个专用的CAD软件，具有CAD软件的基本功能。主要的区别在于它可以为建立的物理模型赋予物理意义，例如材料的属性、边界的约束条件等等，而普通的CAD软件不具有这部分功能。但是，ANSYS程序为很多CAD软件提供了数据接口，可以将其他CAD软件建立的模型直接导入到ANSYS处理器中。简单的几何模型可以直接导入到ANSYS中几乎不用修改，再定义单元尺寸，然后进行自动网格划分，按总体坐标系定义材料特性，这样就可以得到正确的有限元模型，而这些CAD软件的几何建模功能无疑将比ANSYS的前处理器要强大很多，但是这种方法大多数情况下只适用于结构或材料特性简单的物体。本设计采用直接在ANSYS的前处理器中绘制油封装配简图构建有限元模型。2.2分析前处理2.2.1油封分析过程的三重非线性在油封的有限元分析过程中，主要包括了油封材料非线性、结构非线性和接触非线性等三重非线性，这不但要耗费大量的硬盘空间和CPU时间，还极其容易造成分析的发散。只有对油封的三重非线性做到明确的认识，才有可能对其之后的有限元分析达到正确的分析处理。（1）几何非线性油封在装配以后是靠唇口的接触压力提供密封的，靠预压缩后产生的回弹力给密封接触面一定压力，达到密封目的。在密封结构中橡胶材料在受力下的位移和变形关系己远远超出了线性理论的范畴，属于几何非线性。（2）橡胶体超弹材料非线性目前工程上主要是以连续介质力学为基础，橡胶材料被认为是超弹性近似不可压缩体，其力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。国内外学者已提出了基于统计热力学的应变能函数、指数双曲(exponential-hyperbolic)法则以及基于连续体的表象学方法的模型和模型。目前广泛采用Mooney-Revlin模型描述橡胶材料的应变能函数。本文利用简化后的应变能函数 , 得到仅有 2个材料常数的Mooney-Revlin材料模式: （2-1）式中 :修正的应势能; 材料常数(常数);应力张量的第1、第2不变量。应力应变关系即为: （2-2）本文使用的和分别为1.47和0.087。 （3）状态(接触)非线性 密封计算的边界条件非常复杂，包含接触计算。接触问题的复杂性是由于系统接触状态的改变造成的，故接触问题又被称为是广泛存在于工程实际的一个复杂的状态非线性问题。油封和轴表面的接触属于刚体和柔体的面一面接触的高度的非线性行为。2.2.2 油封有限元分析模型的建立（1）油封几何模型的建立由于密封圈安装在轴与钢筒之间, 边界受力条件具有圆周对称性，结合密封圈结构的特点以及ANSYS软件的功能，油封可简化为二维模型。通过对平面二维模型的分析映射为整个油封的性能分析，这样不仅不影响计算结果，而且还节约了计算机资源，提高了计算速度。图2-1 二维模型的构建 为了分析方便 ,在不太影响分析结果的情况下提出了其它的一些假设： 油封橡胶材料具有确定的弹性模量和泊松比； 认为油封的橡胶材料不可压缩； 由于钢构件构成的密封槽壁的刚度是橡胶的几万倍，所以不考虑其变形，即轴与钢筒视为刚体边界。图2-2 划分网格后的二维模型图2-3网格细化图另外，本论文的分析思路是对已安装弹簧的油封在安装后, 轴未旋转的工况下进行的静态分析, 同时根据圣维南原理，在离密封唇较远处省略了便于油封成型的倒角。在ANSYS中建立的油封平面二维模型如图2-1所示。对油封的网格划分采用三节点的自动网格划分功能, 由于主要对油封密封主唇部与轴之间、弹簧与油封之间的接触压力及其分布进行分析, 故对主唇部、弹簧与油封接触处网格进行细化, 从而使计算结果更加精确。划分网格后的二维模型如图2-2所示，主唇部网格细化如图2-3所示。（2） 属性划分采用2参数的材料模型，C10=1.47，C01=0.087，其中C10、C01分别对应式（5-2）中的;采用超弹性单元Hyper74对油封进行网格划分,采用Plane82对骨架和弹簧划分网格，其中骨架的弹性模量为2e5 MPa，骨架和弹簧的泊松比为0.3。对模型的材料属性定义界面如图2-4所示，其中图a是对橡胶部分属性的定义，图b是对骨架和弹簧部分属性的定义。a）对橡胶部分的属性定义b）对骨架和弹簧部分的属性定义图2-4 定义材料模型属性 （3）接触对及载荷施加对于不同的受力状况，油封外表面任何一点都有可能与主唇部分发生接触，而接触单元的多少决定了计算规模的大小 , 因此需要根据具体问题建立接触单元。通过罚单元法求解接触问题时 , 划分接触单元必须要事先预计好可能发生接触的表面, 划分单元时在适当扩大的范围内建立接触单元。图2-5 接触对建立的GUI操作图 a)主唇接触部分的接触对建立 b)弹簧接触部分的接触对建立图2-6 接触对的建立接触对是接触分析中两个接触面（点）的定义，一般分为刚体柔体的接触，半柔体柔体的接触，在刚体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度）。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体柔体的接触，由于轴的材料是钢，而密封唇的材料是橡胶，钢材料的刚度是橡胶的几万倍，因此本设计中主唇接触部分可以将轴看作为刚体，主唇口看作柔体；弹簧接触部分可以将弹簧部分看作刚体，油封弹簧凹槽部分看作柔体。接触对建立的GUI操作图如图2-5所示，主唇接触部分的接触对建立如图2-6 a所示，弹簧接触部分的接触对建立如图2-6 b所示。本文主要分析安装后密封唇与轴之间的接触压力及其分布, 即对油封进行静态分析。油封外侧与钢轴配合，因此建模时将其所有自由度进行约束即可，而无须建立轴模型，以便简化模型，节省计算机资源，提高计算速度。密封唇部与轴是过盈配合，在建模时使二者恰好接触或者有较小的间隙，即将旋转轴内径缩小到油封内径以下，在模拟安装过程时，只需给轴一个X方向的位移，其大小恰好是过盈量, 同时给轴Y方向一个0位移约束，并对金属骨架和弹簧附加全约束以表现油封的固定。2.3数值模拟结果与分析分析完成后进入通用后处理模块，通用后处理器也简称为POSTl，用于分析处理整个模型在某个载荷步的某个子步、或者某个结果序列、或者某特定时间或频率下的结果，读取其变形形状结果、接触压力分布云图结果和生成的节点von-Mises应力结果分别如图2-7、图2-8和图2-9所示。图2-7 变形形状的生成结果由油封变形形状的生成结果图中看出，通过绘制出了在接触宽度上接触压力分布情况，在模拟装配的静态分析中，主唇变形趋向于沿着油侧方向延展，主唇口由于贴紧在轴上造成变形形成一段接触宽度。此处的变形究其原因是密封圈唇口平面到弹簧槽中心平面存在一段距离，即弹簧中心相对主唇口位置距离，致使产生此种变形。图2-8 油封的接触压力分布云图图5-9 生成的节点von-Mises应力结果从油封的接触压力分布云图以及生成的节点von-Mises应力结果中看出最大的接触应力在主唇口处，并且油侧的应力要大于空气侧的应力。其次应力同时也在油封主唇与腰部连接处和油封骨架内表面的橡胶部分与腰部连接部分，由此分析这两处的可能最先发生失效，而这种现象可以通过减小油封腰部厚度、增大弹簧中心相对主唇口位置距离值等来消除或减缓。2.4油封密封性能的影响因素2.4.1油压旋转式骨架轴唇密封圈承压能力较低，一般在0.05MPa的油压下使用。油压超过0.05MPa时，油压会将密封圈腰部推向轴面并导致密封圈变形，使密封唇与轴的接触宽度和摩擦力增大，致使摩擦热迅速累积，造成唇部磨损和烧毁，出现密封失效问题。因此，在油压较大条件下使用的骨架轴唇密封圈结构应适当改进，如适当增大腰部厚度、减小腰部长度等，以提高密封圈耐压性能。2.4.2唇部胶料性能唇部胶料性能是决定轴唇密封圈使用温度范围、摩擦因数、耐介质性能和密封性能的重要因素。唇部胶料除须具有适当的强度、优异的耐高温性能外，还须具有较好的屈挠性能，以保证密封圈唇部良好的随动性能，从而很好地补偿轴的偏心和振动。另外，可在唇部贴合聚四氟乙烯薄膜，以提高密封圈的耐磨和密封性能。2.4.3结构参数油封的结构参数对其密封性能有非常大的影响，分别叙述如下：（1）唇部过盈量。过盈量是指在自由状态(未装弹簧时)唇口直径与轴径之差。它可产生唇口无弹簧时的径向力，并补偿轴的偏心。过盈量过小，在安装偏心和轴跳动量大时，造成泄漏，降低密封性：过盈量太大，使唇口紧贴在轴上，唇轴间的间隙过小，唇和轴之间呈“干接触”，在高速旋转下，唇和轴表面间便会迅速产生高温，加速唇口老化龟裂，甚至烧损密封唇，使密封无效。因此，选择适当的过盈量非常重要。过盈量选取的基本依据是橡胶材料的弹性恢复速度和轴的几何精度，橡胶材料弹性恢复速度大的油封，即使轴的几何精度差一些，过盈量也可以小一些。一般轴径小，唇口过盈量也小，轴径大，唇口过盈量也大口别。（2）值。值是指密封圈唇口平面到弹簧槽中心平面的距离，该值应控制在一个合理的范围内。值小，易使接触应力集中分布，有利于控制稳定的油膜，但过小(趋于零)则无法保持油膜，不利于密封；值过大，增加摩擦生热，同时，接触宽度增加，引起单位径向力减小，致使油封唇口与轴之间的“临界油膜”润滑，扩大成流体润滑，摩擦扭矩减小，发生泄漏。（3）唇腰厚度。腰部厚度是影响骨架轴唇密封圈随动性能和密封性能的重要参数。唇腰厚度过小，密封圈在使用时易变形：唇腰厚度过大，密封圈的随动性差，唇部易磨损破坏。密封圈唇腰厚度应根据轴的运动速度、油压和胶料性能等因素确定。（4）唇腰长度。唇腰犹如一个悬臂梁，金属骨架内径的末端处可理解为悬臂(唇腰)的支点，而密封唇长度L的唇口处则可理解悬臂的“端点。“端点”随同轴在旋转的条件下“浮动”，以确保唇缘追随和贴合于轴面。因此，适用于不同旋转轴径的油封，应具有不同的唇腰长度，以适应旋转轴不同程度径向跳动所要求的随动性能。以FREUDENBERG公司产品为例：当轴径尺寸段为3mm20mm时，其唇腰长度一般为5.5mm；轴径尺寸段为20mm40mm时，其唇腰长度一般为6.5mm；轴径尺寸段为40mm60mm时，其唇腰长度般为7.5ram（5）前唇角。是指密封唇的前唇面与轴的夹角。一般在之间，若太大，则唇口太尖，虽然早期密封效果好，但很容易磨损。（6）后唇角。是指唇部与轴中心线的夹角。一般在之间，而一般当在之间为最佳，角对唇与轴的接触宽度有影响，随角的增大接触宽度减小。因此一般在低速运转采用小角度，高速运转时采用大角度。如果用于加压操作的密封被设计成整体循环、回流、泵送功能正常的方式，油侧的接触应力角远大于空气侧的接触应力角。在这种情况下，接触密封油不会到空气侧。密封唇从油到空气侧的润滑减小，密封件在空气侧会变干燥，这会加剧磨损。53. 内包骨架双唇口油封的工艺分析模具的设计是与产品的加工工艺分不开的，只有把产品具体的加工工艺决定之后，才能进行产品的模具设计。对产品进行工艺加工分析之前首先要对产品的结构做出确定，然后由确定出的结构尺寸等来分析其加工工艺。内包骨架双唇口油封和其它的纯胶制品相比下，因内包骨架双唇口油封涉及到唇口截面形状复杂、唇口收缩率大以及骨架与橡胶胶合等问题，故内包骨架双唇口油封较其它纯橡胶制品来说其加工工艺要复杂的多。3.1油封结构的确定本次设计的制品为标准的内包骨架双唇口油封，产品代号为，标准代号为。骨架材料选择塑性较好的08F冷轧钢，因丁腈橡胶（NBR）具有极佳的抗油性、抗化学物、耐高温性和对气体良好的不渗透性，故本产品的橡胶部分选择能适用于一般场合的丁腈橡胶。由于此产品为精密橡胶制品，故此制品可采用单腔模具制作，并选择在成型后进行切唇和修整倒角的方法对油封进行后期加工，以保证产品合格率。3.1.1主要结构参数 根据所设计的制品的产品代号，查GB/T 98772008液压传动 旋转轴唇形密封圈设计规范可知轴的基本直径尺寸为90mm，密封圈支承基本直径（腔体内孔基本直径）尺寸为120mm，密封圈基本宽度为12mm。13.1.2密封唇口尺寸（1） 主密封唇口尺寸 查找GB/T 98772008内包骨架油封标准中的表5表8，直接从该表（在80130mm）查得主密封唇口部的主要尺寸：弹簧中心相对主唇口位置值取0.5mm，弹簧槽参数，弹簧槽底到密封刃口的水平距离=2.5mm，弹簧槽中心到主唇口的距离=2.32mm，挡唇宽度=1.05mm，弹簧槽深度=1.64mm，密封角，。密封唇高度尺寸，。根据轴的基本直径尺寸为90mm查内包骨架标准中的表10，可知轴径在80130mm范围内的油封唇口过盈量在1.41.8mm之间，取=1.48mm，且极限上偏差为+0.2mm，极限下偏差为-0.8mm。那么，该油封的密封刃口直径尺寸d1=轴的基本直径尺寸油封唇口过盈量mm。弹簧槽圆心尺寸=密封刃口直径尺寸（此处取中值计算）（弹簧半径弹簧槽底到密封刃口的水平距离）2=88.22（1.02.5）2=95.22mm。腰部厚度=1.4mm，内径=弹簧槽圆心尺寸腰部厚度=95.221.4=93.82mm。腰部倾斜角可取03，此处取为0。（2）副密封唇口尺寸根据轴的基本直径尺寸为90mm查内包骨架标准中的表13，可知轴径在80130mm范围内的油封副唇高度=0.4mm，倾斜角，副唇口过盈量=0.60.3mm，则副唇的直径尺寸=900.6=89.40.3mm。=0.52.5mm，=0.250.8mm，=0.5mm。3.1.3骨架部分的尺寸根据密封圈支承基本直径（腔体内孔基本直径）尺寸为120mm，查内包骨架标准中的表15表20，可知的在范围内的内包骨架油封的骨架材料厚度，骨架内径尺寸=116mm，骨架尺寸mm，骨架宽度=9.5mm，直线度允差为0.10mm。根据密封圈支承基本直径（腔体内孔基本直径）尺寸为120mm，查内包骨架标准中的表2，可知密封圈支承基本直径尺寸的公差为mm，圆度公差为0.30mm，宽度的公差为0.4mm。查内包骨架标准中的表3，知包胶层厚度，倒角宽度，。查内包骨架标准中的表11，底部厚度参数取0.5mm，取0.7mm，则。另，为使得骨架的上下面与模具能够准确的在轴向定位，在模具的上模与下模上均开设均布的数量为20的定位台，在制品表面必然会出现均布的凹槽，但这对制品的使用性能影响不大。至此，本制品的标准尺寸已经基本确定，其标注如图3-1所示。图3-1 TC9012012油封3.2油封的加工工艺分析由以上确定出的结构尺寸等来分析和选择油封的加工工艺。目前，国内外橡胶公司所属制品厂，都认为模具是保证产品质量和高效率生产的关键所在，其发展的共同特点是精密化、多腔化、自动化。橡胶制品的成型工艺最普遍的是压制成型、压注成型、注射成型、挤出成型等几种成型方法。多年来模压成型一直是橡胶制品生产的主要成型方式 ，但是随着社会发展和技术进步，对橡胶制品的质量、生产效率、能耗和原材料消耗等方面都有了更高的要求。与模压成型胶料相比，注射成型胶料的密度较大，硬度、强伸性能和拉断伸长率提高，拉断永久变形减小 ，有利于橡胶制品性能的提高。它适用于大型、厚壁以及几何形状复杂的制品，能获得理想的外观和较高的机械性能且质量稳定可靠，生产效率极高。随着注射成型模技术的不断发展和完善，它已逐步代替其它成型工艺并成了今后发展的主流。但是由于所要成型的橡胶制品的形状、尺寸的不同，注射模的结构形式也多样化，并随制品结构以及需要的产品和使用设备的不同而有许多差异。53.2.1注射成型工艺过程分析（一）设备与原材料的预处理 （1）料筒的清洗在初用某种塑料或某一注射机之前，或者在生产中需要改变产品、更换原料、调换颜色或发现塑料中有分解现象时，都需要对注射机（主要是料筒）进行清洗或拆换。（2）骨架的加工内包骨架油封中的骨架对于骨架的尺寸要求稍微宽一些，可采用工具钢或冷轧钢板冲制成形，使用普通的冲模冲制即可，并且对于一些生产量很小的油封其骨架的制作也可使用车床来加工，特别当油封尺寸很大时，使用车床来加工其骨架也不失为一种明智的选择。外露骨架油封的骨架制作与内包骨架油封的骨架制作类同，应当注意的一点是，直接冲模冲出的外露骨架的精度还不足够外露骨架油封的制作要求，在注射成型之前，需要将外露骨架在特定车床上进行细加工以达到使用要求。 （3）NBR的处理由于注射的工艺特点，使用注射成型的橡胶材质必须具有以下几点特征：胶料易于流动；必须具有足够长的焦烧时间；胶料注入模腔后能迅速硫化；硫化平坦性良好。由于业界更广泛使用和接受热固性橡胶，加工商在这些材料方面趋向于具有更多经验。热固性橡胶的物理特性范围增加，例如硬度、耐热和压缩变形。因此，这些材料应用更多。此外，在加工之前不需进行预处理或干燥。（4）脱模剂的选用脱模剂是使塑料塑件容易从模具中脱出而敷在模具表面上的一种助剂。一般注射塑件的脱模，主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。在和产上为了顺利脱模，常用的脱模剂有：硬脂酸锌，液体石蜡（白油），硅油，对NBR材料，可选用硬脂酸锌，因为此脱模剂除聚酰胺塑料外，一般注射用料都可使用。（二）注射成型过程本制品所用的材料为丁腈橡胶，属热固性材料，故可采用热固性材料注射成型模具进行加工成型，热固性材料注射原理是将物料从注射机的料斗送入料筒内加热并在螺杆的旋转作用下熔融塑化，使之成为均匀的粘流态熔体，通过螺杆的高压推动，使这些熔体以很大的流速经过料筒前都安的喷嘴注射进入高温型腔，经过一段时间的保压补缩和交联反应之后，固化成为设计的形状，然后开模取出塑件。与热塑性材料注射成型的区别在熔体注入模具后的固化成型阶段，热塑性注射制塑件的固化基本上是从一个高温液相到低温固相的物理转变过程，而热固性注射塑件的固化却是依赖高温高压下的交联化学反应。由此而致热固性材料注射成型有其独特的工艺条件低温注射高温硫化。（三）油封的后处理在实际生产过程中，密封唇刃口部分与装配倒角部分的处理，有的采用模具直接成形，有的是则是选择通过后续切唇和倒角修边。考虑到油封断面形状的限制，直接成形刃口部，会导致精度不足，加大废品率，故密封唇刃口部分选择在整体注射硫化后，使用切唇机进行后续的加工修整。为了使油封的外观好，装配倒角部分也选择在硫化后通过整边机切出倒角。3.2.2油封的加工工艺条件（1） 料温与模具温度在一定条件下，提高塑化温度，有助于降低胶料的黏度，提高丁腈橡胶的流动性，提高注射效率，降低注射难度。热固性注射成型工艺中的料温包括两部分：塑化温度和注射温度。这两部分分别取决于料筒和喷嘴两部分的温度。对于热固性材料，为了防止熔体在料筒内发生早期硬化，并兼并料筒温度对塑化的影响不及物料内的剪切摩擦的影响，要设定料筒的温度取小值。为了防止料筒温度过低导致物料熔融过慢，螺杆与物料之间会产生很大摩擦热，这些热量会使熔体发生早期硬化。取加料侧温度在2070内，喷嘴侧则在7095之间。模具温度是影响热固性塑件硬化定型的关键因素，直接关系到成型的质量，模温过低会使得固化时间过长，而模温过高，则会导致固化速度过快难于排出低分子挥发气体，使得塑件出现气泡、组织疏松等问题。依据经验可选择模具温度和控制范围在150220之间。在Moldflow软件数据库中，RUBBER系列中NBR材料的推荐熔体温度为75，熔体温度范围为6090，模具表面温度推荐为182，模具表面温度范围为165200。（2） 压力与时间由于熔料中填料较多，粘度大，且在注射过程中对熔体有温升要求，所以注射压力一般要选择大一点。注射压力范围选择在60150MPa。原则上讲，与注射压力相关的注射速度也应选大一些，这样有利于缩短流动充型和硬化定型时间，同时还能避免熔体在流道中出现早期硬化，减少塑件表面出现熔接痕和流动纹。由于丁腈橡胶黏度较大，流动性差，且模具进胶口尺寸较小，同时橡胶注射过程为低温塑化、高温注射，胶料受热后膨胀，如注射速度过快，胶料不能及时进入型腔，而在型腔外部形成飞边，因此注射压力及速度不宜太大。由于热固性注射熔料的硬化速度比以前有很大提高，且模具大多采用点浇口，浇口冻结比较迅速，所以常用的保压压力可比注射压力稍低一些。热固性注射成型的型腔压力约为3070MPa。 由参考文献6可知选定硫化温度170 、硫化时间5 min为最佳硫化工艺参数。另外，橡胶注射机的硫化压力一般为设备最大锁模压力的80%100%，本设计采用最大硫化压力。3.2.3浇口种类的确定注射模的浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道。其作用是将塑料熔体充满型腔并使注射压力传递到各个部分。浇注系统设计的好坏对塑件性能、外观及成型难易程度影响很大。它由主流道、分流道、浇口及冷料穴组成。其中浇口的选择与设计恰当与否直接关系到制品能否完好的成型。并且根据油封结构最终选用侧浇口。侧浇口直接在产品侧面进浇。侧浇口数量为2。侧浇口要采用单分型模具结