淺談注塑機合模裝置主要構件的有限元分析及優化設計

歐陽辛雨（佛山市順德區震德塑料機械有限公司，廣東 佛山 528300）

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淺談注塑機合模裝置主要構件的有限元分析及優化設計

歐陽辛雨
（佛山市順德區震德塑料機械有限公司，廣東 佛山 528300）

摘要：隨著社會經濟水平的不斷提高，塑料的應用深入到人們生活生產的各個方面，成為現代社會中不可或缺的一部分。其中，注塑機是塑料制品制作過程中最為重要的成型設備，關系著塑料制品的質量以及整個塑料行業的長遠發展。本文將就注塑機合模裝置主要構件的有限元進行淺談分析，并對此提出幾點優化設計的建議。

關鍵詞：注塑機；合模裝置；主要構件；優化設計

注塑機最重要的機械部件是合模裝置，其中模板作為合模裝置中的核心零件，有著至關重要的作用。前模板和動模板需要在注塑機使用過程中固定模具、定位運動導向，但因承受著彎曲應力作用且受力復雜，會對塑料制品的最終成型造成影響[1]。一直以來，對注塑機模板的設計都是基于操作人員的以往經驗，對比參照其他模板而進行尺寸比例和結構的設計。這種模板設計方式，不能完全發揮合模裝置的價值，也不能完全體現出材料的強度，甚而會影響注塑機的生產以及塑料制品的質量。因此，對注塑機合模裝置中的模板進行優化設計勢在必行。

1　注塑機和注塑機合模裝置概述

1.1注塑機

注塑機作為一種塑料成型設備就是將熱固性塑料或者熱塑性塑料成型模具制成塑料制品[1]。因為它具有能夠一次成型出精度高且形狀復雜的塑料制品，所以是現今世界上發展最快、應用最多的成型設備。該設備廣泛應用于汽車機械、醫療用品以及生活用品等各個方面。

1.2注塑機合模裝置

合模裝置作為注塑機的核心部件，它的作用是使模具可以可靠閉合并實現預定的行動流程，為操作時提供必要的鎖模能力以及成型時的頂出力。其組成部分包括：前模板、后模板、動模板、拉桿、合模機構、頂出裝置以及安全門[1]。要注意到的是，模板是整個合模裝置中最重要的零件，對合模裝置的優化分析，就是對模板的優化分析。

2　注塑機模板的失效形式

合模裝置中的所有部件都會在注塑機使用過程中受到循環應力影響，尤其是合模裝置中的模板、拉桿以及曲軸，在不斷地循壞作用下最終會因疲勞破壞導致合模裝置效力喪失。因為模板是注塑機合模裝置中的核心零件，除了重量占據合模裝置的大部分比例外，成本也是如此。所以，當合模裝置中的模板發生破裂的話，那么整個生產都會受到影響。一般，注塑機模板的材料采用的是性能較好的球墨鑄鐵，這種類型的材料性價比高，會使注塑機的全部成本及性能保持在一個合理的水平。

但是，不可避免的是，即使預先設計并計算好了模板的厚度和強度，仍然會有模板失效的情況出現。例如，曲軸式注塑機的合模裝置中軸桿具有強大的鎖模能力，但因其彈性變形較大，往往會在應力集中位置出現裂痕[1]。

在以往，設計注塑機合模裝置的模板時，通常是由設計人員的以往經驗結合傳統計算方法來進行分析設計的。這種方式較為簡單，模型設計也比較粗糙，最后的結果也是導致注塑機的成本提高且不一定能達到預期效果。近年來，隨著技術的發展，設計人員開始探索新的設計方法。于是，有限元技術與拓撲優化技術得到大力推廣，將其運用到模板設計中受到越來越多設計人員的推崇。

3　注塑機模板的有限元分析

有限元分析能夠使設計人員知道零件的脆弱位置，并且了解到應力的具體分布情況。通過這些信息來滿足機械零部件的應力分布，從而延長注塑機的使用壽命，提高實用價值。利用有限元分析對注塑機合模裝置零件結構進行過尺寸優化、形狀優化的，最終實現真正的計算機輔助設計，讓產品性能達到最佳[3]。

ANSYS軟件是一種集結構分析、傳熱學分析、流體分析、電磁分析、聲學分析、爆破分析于一體的有限元軟件[3]。利用該軟件，對注塑機進行分析，了解應力的實際情況，對合模裝置中的模板進行結構優化，為注塑機的改進提供可能。

4　注塑機合模裝置優化設計

4.1肘桿式合模裝置的優化設計

雙曲肘合模裝置運動特性好，行程比大且成本低，等等優勢使得它在具體生產中被大量應用。不過，這種合模裝置設計較為復雜，其中會涉及到幾何學、運動學及動力學等多門科學，而且機臺結構中有許多制約條件，都使得設計難度加深。可以將肘桿式合模裝置的設計要求歸納為這五點：①具有相當大的增力倍數，以實現同油缸推力的合模力；②具有能保持運行平穩的速度特性；③確保速度達標，以實現高效益；④具有合適的剛強度，防止注后脹模；⑤保證整體結構緊湊、質量輕[4]。為達到這些要求、解決這些問題，唯有對肘桿式合模裝置進行設計優化。

在設計肘桿式合模裝置時，要達到的上述設計要求與合模裝置的幾何尺寸以及位置有著重要關系，這關乎著合模裝置的運動分析。因此，建立起一個正確合理且符合合模裝置運動特性和力學特性的計算公式是極其重要的，這是注塑機合模裝置優化設計的基礎，為數學模型的搭建提供依據。可喜的是，近年來不少專家學者在研究了注塑機合模裝置的運行后，結合其特性進行分析，應用現代設計理念對注塑機合模裝置進行了優化設計。

4.2全液壓式合模裝置的優化設計

全液壓式合模裝置包括單杠液壓式、多缸液壓式以及兩板直壓式[3]。不同的種類有著不同的優缺點。其中，單杠液壓式是最為傳統的，其優點是合模精度高、開模力大。但是卻也具有容易泄露、體積過大、升壓慢、耗能大的缺點。于是，為了解決單杠式注塑機的這些缺點，兩板直壓式就被創造出來了。雖然兩板直壓式注塑機解決了那些缺點，但由于自身難度系數較大，并未馬上得到廣泛應用。

要注意到的是，液壓系統的能源浪費問題較為嚴重。在注塑機合模、注射、保壓冷卻、開模頂出過程中，液壓系統的壓力和流量是隨之發生規律變化的。一個工作循環周期中，由于其實際壓力和實際流量發生差異，就會造成能源浪費的情況發生。

隨著電動機變頻技術的日益發展，液壓控制技術也得到更多認可和應用。將電動變頻技術與液壓式注塑機相結合，促進注塑機更進一步的發展。接入變頻器的注塑機，更有利于控制其生產過程。同時變頻液壓式注塑機通過使注塑機工作所要用到的液壓油流量和壓力成正比，不僅使效率得到較大提升，而且還可以節能降耗、減少成本，避免造成不必要的浪費[3]。這種優化設計較好的達到了解決液壓式注塑機的能源浪費問題的目的。

5　結束語

綜上所述，注塑機的應用是順應時代的發展。不可否認，塑料作為現代生活的必需品，其工藝性能標志著這個國家技術水平的發展情況。因此，注塑機合模裝置的優化升級刻不容緩。這需要我國的相關從業者能夠善于學習、勇于創新，不管是在合模裝置的主要構件上，還是在施工工藝上都需要有專研精神，利用優化技術來改進注塑機合模裝置中的不足之處，以促進整個塑料行業的發展。

參考文獻：

[1] 張恩光. 注塑機模板的有限元分析及拓撲優化設計[D].華南理工大學，2013.

[2] 李曉衛，周剛，金志明，莊儉，張亞軍，王林，汪雄偉. 基于有限元分析和實驗的注塑機定模板[J]. 塑料，2013,01:78～80.

[3] 鄭元清. 注塑機合模機構及模板設計的優化分析[J]. 科技傳播，2013,14:102～103

[4] 岳欽楊,周宏偉,林武. 大型注塑機的合模機構分析[J]. 中國塑料，2013,06:97～100.

(P-01)

Finite element analysis and optimization design of main components for clamping device of injection molding machine

中圖分類號：TQ320.5

文章編號：1009-797X(2016)12-0046-02

文獻標識碼：B

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.019

作者簡介：歐陽辛雨（1987-），女，2009年畢業于華中科技大學，現任助理工程師，從事于注塑機的機械設計。

收稿日期：2016-05-28