注塑模模架剛度分析及撐頭擺放位置研究

袁麗軍，杜群貴，謝葉青，彭 魁

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641；2.忠信制模（東莞）有限公司，東莞 523460）

0 引言

在模具行業中注射模占很大部分，一副模具是由模架和成型零件等組成，模架也稱模體，是模具不可缺少的結構部件，其作用是裝配型腔板、型芯等成型部件等其他功能部件[1]。模具是工業生產的基礎工藝裝備，隨著工業生產的快速增長，模具工業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。

撐頭是防止成型零件和導向零件軸向移動并承受成型壓力的零件。其主要作用是支撐動模B板，即防止B板因變形過大，構成型腔的鑲件隨之產生位移，型腔形狀發生變化，從而使塑件變形，又可以防止因B板在較大注塑力的作用下產生較大變形而使模具出現披峰現象。在設計制造撐頭時往往使其高于方鐵高度0.2mm左右，撐頭一般要用M8、M10或M16的螺絲固定在動模板座板上。由于撐頭要穿過頂針板對動模板起支撐作用，因此其總面積不宜過大，否則頂針板因被掏空而強度降低引起失效，一般撐頭總面積小于頂針板面積10%左右。在國內的模具設計中，撐頭的擺放都是靠經驗來完成，如果模架變形量過大，則往往通過增加撐頭個數而非改變撐頭位置來減小變形量，即沒有理論依據，又浪費了材料，增加了模具的重量。

本文以尺寸為800×800的大型模架為研究對象，選用四個直徑為Φ48的撐頭來支撐B板。通過對模具企業常見的兩種撐頭排列方式的對比分析，來尋找撐頭的最佳擺放位置。每種方式又分別有兩個參數用以確定撐頭的位置。方式1中四個撐頭均勻分布在同一個圓周上，而方式2中撐頭對稱分布在頂針板上。圖1為注塑模具的剖視圖，表1為兩種方式下參數設置情況。

表1 參數設置

本文首先采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0中自帶的參數化設計語言APDL對800×800模架進行參數化建模并進行剛度分析，得到的實驗數據再通過matlab進行數據處理，分別繪出兩種方式下各個參數與模架變形量的關系曲線。分析各個曲線并得出使模架變形量最大值取最小時各參數的取值范圍。對比兩種方式下的結果，結合實際情況確定模架在哪種方式下擺放最好，為模具設計過程中如何擺放撐頭提供了可靠的理論依據,具有相當程度的現實意義。圖1為帶撐頭的注塑模結構簡圖，圖2為本文分析的800×800模架的平面圖。

圖1 帶撐頭的注塑模結構剖面圖

圖2 800×800模架平面圖及撐頭位置參數

1 有限元參數化建模

本文分析的模架由動模板、方鐵、撐頭和面板四部分組成。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。該模架具有對稱性,為了節省計算機資源提高分析速度,取其四分之一模型來進行分析，分析中忽略模架中的冷卻水道、裝配中用到的圓角，這樣有利于單元網格的劃分，且對分析結果不會產生很大的影響。模架通常采用普通的45號鋼，其楊氏彈性模量為2.10×105Mpa，泊松比為0.3。選用具有20節點的二次單元SOLID95，三維目標單元target170，三維接觸單元contact174來劃分網格單元。動模板和撐頭采用自由網格技術劃分，對方鐵、動模座板進行映射網格劃分。由于各零件之間無滑移，將模架四部分之間的接觸設置為綁定，以模擬無滑移、無摩擦接觸[3]。由于動模座板和注塑機機架之間為螺栓聯接，定義動模座板的底面為全約束。方式2又取兩組數據，對比分析不同的橫向跨距和縱向跨距時模架最大變形量發生的位置，如表2所示。

表2 方式2下兩組數據的對比

模型僅在動模板上型腔底面受面載荷為10.67 MPa作用。圖3為兩組數據下模架的位移云圖。

圖3 兩組數據模架的位移云圖

可知模架最大變形量的位置隨撐頭位置變化而發生變化。組1中撐頭位置靠近模架的中心，因此其最大變形量發生在靠近模架未有方鐵支撐的一側上。組2中撐頭遠離模架中心，故其最大變形量發生在模架的中心處。組1模架變形量比組2的小0.03mm。

2 撐頭位置參數與變形量的關系

利用ANSYS參數化設計語言APDL[4]編寫了分別以方式1中r，a和方式2中H、V 4個參數為單個變量，其它幾何參數為定值的命令流文件。要求繪出單個變量和模架變形量的關系曲線，用MATLAB中的plot（）函數擬合ANSYS計算出的數據。分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 r與模架變形量的關系曲線

當r在50mm到80mm之間取值時，模架變形量變化較小，而r超過80mm時，r與模架變形量幾乎成線性關系。因此r的最佳取值范圍在50-80mm。H=170mm模架變形量相等，證明了變形量隨縱向跨距的增大先減小至最小值然后逐漸增大的結論。

圖7 H與模架變形量的關系曲線

圖5 a與模架變形量的關系曲線

3 曲線分析及設計建議

模架與a的關系曲線在a取24°、45°、64°三個值時出現三個波谷，此時模架的變形量較小，故應該在此三處附近放置撐頭。

圖6 V與模架變形量的關系曲線

兩條曲線近似平行，縱向跨距相同時，橫向跨距大的變形量也大，模架變形量與橫向跨距H成遞增關系。

在縱向跨距一定時，模架變形量隨撐頭橫向跨距增大而逐漸增大，兩條曲線都在H取50mm到80mm時變形量變化緩慢，證明此范圍內放置撐頭能夠得到較小的變形量。兩條曲線在

根據以上數據分析，為了確定模架中撐頭的最佳擺放位置，減小模架的最小變形量的數值，在設計模架時可以從以下八個方面進行考慮：

1）r的取值范圍在50-80mm時，模架變形量相對較小，此時撐頭的橫向跨距和縱向跨距在70到120之間變化。

2）a取24°或64°左右時，撐頭之間的跨距略大于撐頭直徑，不利于頂針在頂針板的布置，與實際情況不符。因此在排列方式1時，r應取50到80范圍內的數值，a取45°左右時，此時模架的變形量較小，撐頭擺放的位置最佳。

3）撐頭在相同的縱向跨距時，橫向跨距大時模架最大變形量的值也大，在設計模具時，可以對圖6曲線進行插值，查出對應橫向跨距H一定時，模架變形量與縱向跨距V的關系曲線。為確定撐頭的最佳位置，應取盡量小的撐頭橫向跨距。

4）撐頭橫向跨距一定時，模架最大變形量與撐頭橫向跨距的關系曲線的變化趨勢是先減小至最小值然后再逐漸增大。

5）在縱向跨距一定時，模架最大變形量與橫向跨距的關系曲線是逐漸遞增的。且在55mm到80mm范圍內模架變形量的值較小。

6）在模具設計中，由于頂針板中放置了頂針而需取較大的橫向跨距值時，可以適當的選取較小的縱向跨距，使模架變形量在最小值附近，而當撐頭橫向跨距取值較小時，選取較大的縱向跨距能夠使模架變形量取較小值。

7）對比兩種排列方式中曲線，排列方式2時模架最小變形量稍小于排列方式1，但其最佳位置在較小的橫向跨距下或較小的縱向跨距下，而往往實際情況中由于頂針的存在方式2中的最佳位置難以實現，因此排列方式1才是最佳的選擇方案。

8）排列方式1撐頭最佳位置是r取50到80范圍內的數值，a取45°左右的數值。此時模架變形量為0.185mm，為減小模架變形量，往往制造撐頭時其高度要多出0.185mm，這與實際經驗吻合得很好。

4 結論

本文從有限元方法出發，分析兩種撐頭排列方式下撐頭位置對模架變形量的影響。分別以能

夠確定撐頭位置的兩個參數為單個變量建立了有限元分析的參數化模型，繪出了單個變量與模架變形量的關系曲線，并得出了排列方式1更可取，并確定了在該方式下撐頭最佳位置。為模具設計中如何確定撐頭的最佳擺放位置提供了可靠的理論支撐與指導。

[1] 簡之榮, 辛勇.注射模標準模架裝配體圖形自動生成系統的研究[J].模具工業，2004,30(12):12-15

[2] 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.

[3] 徐光菊,朱勝鵑, 等.基于ANSYS的注射機結構分析及動模板優化設計 [J] .機電工程技術,2010,39(3),48-50.

[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.