注塑模斜推桿機構強度分析及其結構尺寸研究

曾 信，杜群貴

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

注塑模斜推桿機構強度分析及其結構尺寸研究

曾 信，杜群貴

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

采用ANSYS有限元分析方法分析了圓形截面斜推桿和方形截面斜推桿的應力狀況，通過試驗數據對比分析了兩者的強度性能。以單個幾何參數為變量使用APDL語言建立了有限元參數化分析模型，研究了各個幾何參數與方形截面斜推桿的強度關系，為模具設計制造過程中選用斜推桿類型和幾何參數提供了理論參考。

模具設計；斜推桿；ANSYS；強度分析

0 引言

在我國，模具工業被稱為“工業之母”[1]。隨著工業生產的快速增長，它已成為國家重點支持的高新技術產業。由于國內模具企業采用較為傳統的“設計-加工-裝配-試模-修模-再試模”的生產方式設計制造模具，與國外先進發達國家相比，國內模具表現出精度較低、壽命較短、設計制造周期較長、成本較高等劣勢[2]，嚴重削弱了我國高端模具在國際市場上的競爭力。

斜推桿機構是注塑模中最為常見的側向抽芯機構,它常用于制品內側存在凹槽或凸起結構并且強行推出型芯時會損壞制品的場合。在脫模過程中，前后模打開，斜推桿在由液壓缸帶動的推桿底板的推動下開始頂出制品。由于斜推桿與開模方向有一定的傾斜夾角，所以在頂出的過程中，斜推桿做斜向運動，斜向運動分解成一個沿脫模方向的垂直運動和一個脫離制品內側面的側向運動。達到一定的行程后，斜推桿中的膠位就會完全脫離斜推桿，實現側向抽芯[3]。

由于工作條件極為復雜，合模狀態下整個模具承受鎖模力作用，強大的預應力將使模架、行位等其他結構鑲件產生預變形，這些變形會將斜推桿包裹在對斜推桿起導向作用的模板滑槽內；工作過程中模具溫度較高且變化幅度較大，也會使斜推桿產生內部熱應力；潤滑不良會增大斜推桿與導滑槽的摩擦力，不利于斜推桿被順利推出完成抽芯運動；由于制造加工、裝配等方面的因素也會造成斜推桿在導滑槽內運動受阻。一旦斜推桿運動受阻，輕則加速斜推桿的磨損燒蝕，重則出現壓彎甚至折斷現象，嚴重影響整套模具的使用壽命，增加模具的使用維修成本，大大降低制品生產廠家的生產效率，因此研究如何提高斜推桿機構的強度具有重要意義。

本文采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0對模具中常見的兩種截面斜推桿—圓形截面斜推桿和方形截面斜推桿進行危險工況下的靜強度分析，并且對方形截面斜推桿機構采用ANSYS參數化設計編程語言APDL開發出以其各個幾何參數為變量的參數化分析程序，分析出各個幾何參數與斜推桿強度的關系，為模具設計過程中選擇斜推桿類型和幾何參數提供了可靠的理論依據,具有相當程度的現實意義。如圖1為帶有斜推桿抽芯機構的注塑模結構簡圖，圖2為本文分析的斜推桿受力簡圖。

圖1 注塑模結構剖視圖

圖2 斜推桿受力簡圖與幾何參數說明

1 ANSYS有限元分析建模計算

ANSYS中有限元模型的建立包括幾何模型的建立和單元網格的劃分兩個過程。斜推桿結構一般具有對稱性，為了節省計算機資源提高分析速度，采用軸對稱模型來進行分析建模，并且忽略結構中存在的運水孔、螺紋孔以及各種圓角特征等，其幾何模型較為簡單，直接在ANSYS中采用自底向上的建模方法建立了結構幾何參數如表1所示的兩種截面斜推桿的幾何模型，將邊界條件和載荷情況加載在幾何模型上，選用具有20節點的二次單元SOLID95，采用掃描網格劃分技術離散化網格劃分斜推桿和模板[4]。選用目標單元TARGE170和接觸單元CONTA174定義斜推桿與模板導滑槽之間帶摩擦的面接觸，其中斜推桿面為接觸面，導滑槽面為目標面，摩擦系數為0.2。斜推桿一般選取彈性模量為210GPa，泊松比為0.3的美國01系列進口鋼材。

表1 兩種截面斜推桿建模幾何參數

其中L1：方形截面長度（mm）；L2：方形截面寬度（mm）；D：圓形截面直徑（mm）；α：斜推桿傾角（°）；H：斜推桿外伸出模板導滑槽垂直高度（mm）；B：模板導滑槽厚度（mm）。在斜推桿底部施加沿脫模方向大小為3000N的液壓缸推力對模型進行靜力學分析，計算得出圓截面斜推桿與方形截面斜推桿的Von Mise應力云圖如圖3所示。從圖中可以看出，圓截面斜推桿最大應力為323MPa，方形截面斜推桿的最大應力為219MPa，均發生在斜推桿與模板導滑槽底部接觸處，此結果與實際生產過程中測試的結果較為一致。由此可知，當結構幾何參數一致的情況下，方形截面斜推桿的強度性能要明顯優于圓截面斜推桿。

圖3 圓截面(左)與方形截面(右)斜推桿應力云圖

2 結構尺寸與斜推桿強度的關系研究

利用ANSYS參數化設計編程語言APDL編寫了分別以L1、L2、H、α等幾何參數為單個變量，而其他幾何參數為常量的方形截面斜推桿強度專用計算程序，經循環計算得出在單位推力（1N）下斜推桿的最大等效應力數據，將其導入Matlab擬合繪制出在單位推力作用下斜推桿最大應力值與單個幾何參數的關系曲線，分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

在方截面斜推桿的橫截面長度L1較小時，增大L1能有效地降低斜推桿的應力，但當L1達到一定尺寸時，增大L1對降低應力效果逐漸趨緩。

圖4 單位推力下斜推桿最大應力與橫截面長度L1的關系

圖5 單位推力下斜推桿最大應力與橫截面寬度L2的關系

在方截面斜推桿橫截面寬度L2較小時，增大L2能非常明顯地降低應力，提高斜推桿的強度。但當其達到一定尺寸后，效果趨緩。L2與L1在影響斜推桿強度方面作用趨勢一致，但L2的影響度更大，L2增大一個單位比L1增大一個單位能更多地降低斜推桿的應力。

圖6 單位推力下斜推桿最大應力與外伸高度H的關系

斜推桿應力與H呈正線性關系，這與材料力學理論很好的吻合。H越大，推力對斜推桿產生的彎矩也越大，會產生更大的彎曲應力。

斜推桿應力與傾斜角α也呈正線性關系。斜推桿傾斜角α越大，液壓缸推力在斜推桿截面方向的分力也越大，力臂越長，對斜推桿產生的彎矩也越大。

3 數據分析及設計建議

根據以上數據分析，為了降低斜推桿在工作過程中受到的應力，提高斜推桿的強度，在模具設計時可以從以下四個方面優化模具脫模結構：

1）當空間和成本等因素可以接受的情況下，應優先使用方形截面斜推桿機構以提高強度，延長模具使用壽命。

圖7 單位推力下斜推桿最大應力與傾角α的關系

2）在空間結構允許的情況下，盡量加大斜推桿橫截面尺寸。斜推桿橫截面寬度L2在降低斜推桿應力方面比橫截面長度L1的作用要明顯，所以設計時可選擇L2＞L1的長方形截面斜推桿。

3）在滿足側向抽芯的行程要求下，盡量減小斜推桿外伸長度H。條件允許的話可以將斜推桿的側向受力點下移，如在靠近斜推桿末端處增加導向塊。在斜推桿較長且單薄，或傾斜角較大的情況下，可以采用二段式斜推桿的方法以提高壽命。

4）在滿足側向抽芯的情況下，斜推桿的傾斜角盡量選用較小角度，α一般不大于15度，對斜推桿傾斜角的設計原則是能小不大。選用較小的傾斜角α也能降低斜推桿在導滑槽中發生摩擦自鎖的可能性。

4 結論

本文采用ANSYS有限元分析方法對模具中使用極為廣泛的斜推桿機構進行了靜強度分析，分析結果與實際生產過程中反饋的經驗情況一致。并且以各個幾何參數為單個變量建立了斜推桿機構有限元分析的參數化模型，研究了各個幾何參數與斜推桿強度的關系，為模具中斜推桿機構的設計生產提供了可靠的理論支撐與指導，也為CAE仿真技術在模具結構分析上的應用提供了思路。

[1] 歐麥嘉, 周澤宇, 等. 現代注塑模設計與制造[M]. 北京：電子工業出版社, 2008： 188-189.

[2] 孫錫紅. 我國塑料模具發展現狀與發展建議[J]. 電加工與模具, 2010： 31-33.

[3] 張維和. 注塑模具設計實用教程[M]. 北京： 化學工業出版社, 2008： 143-148.

[4] 張朝暉. ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析[M]. 北京： 機械工業出版社, 2010： 55-61.

The strength analysis and structure size research on injection mold's lifter

ZENG Xin, DU Qun-gui

O242.21；TG241

B

1009-0134(2011)5(下)-0078-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).23

2010-12-14

曾信（1987－），男，湖南漣源人，在讀碩士研究生，研究方向為機電產品的現代設計方法、CAE仿真分析。