注塑機鎖模彈性螺母結(jié)構(gòu)設計與分析

李博懷 劉宏 張遠波

?

注塑機鎖模彈性螺母結(jié)構(gòu)設計與分析

李博懷 劉宏 張遠波

（東華機械有限公司）

注塑機主要失效原因是螺母與拉桿配合處疲勞斷裂。通過改變螺母截面積、設計缷力槽的方向，控制螺母與拉桿軸向變形量，減輕螺母與拉桿配合處的應力集中現(xiàn)象。經(jīng)過有限元試驗，在采用彈性螺母后，設計工況下的最大平均應力降低為87.7 Mpa，比普通螺母降低51.78%，均方差為5.3 MPa，僅為普通螺母的18.34%。可有效降低拉桿因應力集中而疲勞斷裂的機率，提高零件的使用壽命，對整機的穩(wěn)定性起到積極有效的作用。

注塑機；彈性螺母；有限元計算

0　引言

目前注塑機的運行速度越來越快，如何保證重要部件的強度，延長使用壽命是制造企業(yè)最關(guān)心的問題之一[1]。拉桿是承載鎖模力的重要部件，其主要失效原因為螺母與拉桿配合處的應力集中導致疲勞斷裂[2]。現(xiàn)在常見的解決拉桿斷裂的方法有：1) 選擇泊松比不同的材質(zhì)配合，螺母一般使用純銅制造，材料成本較高[3]；2) 單配螺母的每個牙距，但加工難度大、生產(chǎn)效率低、成品率不高，只能用于高端機型[4]。當前使用有限元計算對設計方案進行初步分析試驗已成為趨勢[5]，本文提出變截面的彈性螺母，使用有限元計算最優(yōu)螺母截面積，實現(xiàn)低成本降低應力集中問題。

1　注塑機鎖模工作機理與彈性螺母設計

1.1注塑機鎖模工作機理

注塑機合模裝置機理圖如圖1所示，包括鎖模液壓缸、拉桿、鎖模機構(gòu)、鎖模螺母、動模板、定模板和進料孔。合模裝置工作時，動模板由拉桿導向高速移動，其兩側(cè)底部裝有可調(diào)整高度的滑腳承力；在鎖模時合模裝置靜止，拉桿與螺母配合處受沿軸向、往定模板方向的鎖模力L。

受鎖模力影響，螺母內(nèi)螺紋沿軸向、往液壓缸方向拉伸，拉桿外螺紋沿軸向、往定模板方向拉伸。

標準螺母的預緊力在螺母與拉桿配合的各牙上分布不均勻，存在嚴重的應力集中現(xiàn)象，嚴重影響其工作壽命。螺母與拉桿配合處鎖模狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1　注塑機合模裝置機理圖

圖2　螺母與拉桿配合處鎖模狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.2彈性螺母設計

彈性螺母的設計原理是通過改變螺母截面積的大小來控制軸向變形量，從而將螺母的應力平均到各牙上。圖3為彈性螺母與拉桿配合處鎖模狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖4為彈性螺母的關(guān)鍵參數(shù)設計圖。

圖3　彈性螺母與拉桿配合處鎖模狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖4　彈性螺母的關(guān)鍵參數(shù)設計圖

圖4中R1、R3為缷力槽。由于這2處均是形狀的突變處，在結(jié)構(gòu)設計時，應力一般會集中在此。在這2處設計缷力槽可有效降低應力集中。R2為大圓弧，此圈弧可使螺母截面積的大小按一定的關(guān)系變化。此外，圈弧大小可以通過有限元分析對比，取最優(yōu)值。為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，R1、R2、R3在加工時需保證其表面光潔度達到Ra1.6。

2　有限元計算試驗與分析

采用SolidWorks軟件按上述關(guān)鍵參數(shù)建立如圖5所示的彈性螺母3D模型。

圖5　彈性螺母3D模型

通過SolidWorks Simulation有限元計算軟件，以設計工況的鎖模力為邊界條件，分別對彈性螺母、普通螺母進行有限元計算，圖6(a)、圖6 (b)分別為普通螺母、彈性螺母的有限元計算結(jié)果。

(a)普通螺母

(b)彈性螺母

圖6螺母有限元計算結(jié)果

可以看出彈性螺母、普通螺母的峰值應力分別為276.9 Mpa、381.5 Mpa，峰值應力降低了約27.41%；峰值應力分別集中在螺母與拉桿配合處第1個牙的前1個牙上、螺母與拉桿配合處第1個牙上。且彈性螺母配合時，各螺紋應力相對均勻，能將整體受力較均勻地分布在各個牙上，有效分散應力。

圖7(a)、圖7 (b)分別為普通螺母與彈性螺母的各牙軸向位移圖。可以看出，彈性螺母各牙的位移斜率、總體位移均比普通螺母大。

螺母平均牙面應力如表1所示。普通螺母各牙面的最大平均應力值為182.0 Mpa，均方差為28.9 Mpa。由數(shù)據(jù)表明普通螺母的應力集中在第1個牙上，易導致疲勞斷裂失效。

采用彈性螺母后，最大平均應力為87.7 Mpa，比普通螺母降低51.78%，均方差為5.3 MPa，僅為普通螺母的18.34%。最大應力在第10個牙上，表明彈性螺母分散應力效果明顯。

圖7 螺母牙軸向位移圖

表1　各種螺母平均牙面應力表 (單位：MPa)

3　結(jié)語

通過彈性螺母改變截面積，實現(xiàn)軸向變形量控制，從而將螺母的應力分散到各牙上，有效解決實際生產(chǎn)應用過程中遇到的拉桿與螺母配合處斷裂的難題，在兩板注塑機中得到廣泛的應用，并獲得國家實用新型專利授權(quán)[6]。但其結(jié)構(gòu)特性體積比普通螺母大，日后若能突破此點，將會在注塑機上得到更廣泛的應用。

[1] 史新民.故障樹分析法在注塑機液壓系統(tǒng)維修中的應用[J]. 機床與液壓,2014,42(13):186-188.

[2] 王崴,徐浩,馬躍,等.振動工況下螺栓連接自松弛機理研究[J].振動與沖擊,2014,33(22):198-202.

[3] 何山,鄧賢遠,江愛華,等.基于線性累積損傷的金屬結(jié)構(gòu)全場疲勞分析技術(shù)[J].自動化與信息工程,2016,37(2):32-35.

[4] 魏喆,譚建榮,馮毅雄.廣義性能驅(qū)動的機械產(chǎn)品方案設計方法[J].機械工程學報,2008,44(5):1-10.

[5] 李占山,程可,陸曉峰.頂推螺栓預緊連接數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析[J].固體火箭技術(shù),2014,37(4):556-562.

[6] 李博懷,陳緒明,鄒波,等.一種用于兩板注塑機抱閘的彈性螺母結(jié)構(gòu):中國, ZL201420160902.7 [P].2014-09-10.

Structure Design and Analysis of Elastic Nut for Injection Molding Machine

Li Bohuai Liu Hong Zhang Yuanbo

(Donghua Machinery Co., Ltd.)

Fatigue fracture between nut and rod is the main failure mode of injection molding machine. A nut with changing cross-sectional area and unloading force groove was designed to control axial deformation and reduce stress concentration phenomenon. Through finite element testing, after the elastic nut adopted, the maximum average stress is reduced by 87.7Mpa which is 51.78% lower than that of the common nut, in the design condition. The mean square deviation is 5.3MPa, which is only about 18.34% of the ordinary nut. Elastic nut could effectively reduce stress concentration and fatigue fracture probability, improve the service life of nut and rod parts, improve the stability of the whole machine.

Injection Molding Machine; Elastic Nut; Finite Element Method

李博懷，男，1983年生，本科，主要從事注塑機設計工作。

劉宏，男，1983年生，本科，工程師，主要從事注塑機設計工作。

張遠波，男，1983年生，大專，工程師，主要從事注塑機設計工作。