注塑機(jī)聯(lián)軸節(jié)疲勞斷裂的ANSYS仿真分析

曹亮

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司，浙江　寧波　315200）

注塑機(jī)聯(lián)軸節(jié)疲勞斷裂的ANSYS仿真分析

曹亮

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司，浙江寧波315200）

聯(lián)軸節(jié)是注塑機(jī)注射裝置的核心部件之一，主要針對中型機(jī)注射聯(lián)軸節(jié)存在剪切斷裂現(xiàn)象，對其工況進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS軟件對聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，優(yōu)化聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)來達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。

注塑機(jī)；聯(lián)軸節(jié)；ANSYS；有限元；設(shè)計(jì)原則

注塑機(jī)注射裝置主要由料筒螺桿組，預(yù)塑軸承座，注射機(jī)構(gòu)，注射座進(jìn)退機(jī)構(gòu)構(gòu)成[1]。其中聯(lián)軸節(jié)是注射預(yù)塑機(jī)構(gòu)的中間傳動(dòng)部件，聯(lián)軸節(jié)是整個(gè)預(yù)塑軸承座的核心。預(yù)塑軸承座中的聯(lián)軸節(jié)功能有兩項(xiàng)：①將預(yù)塑液壓馬達(dá)或預(yù)塑電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞到螺桿，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺桿與料筒相對轉(zhuǎn)動(dòng)對塑膠原料進(jìn)行剪切，這部分剪切熱是塑膠原料熔融熱量的主要來源；②通過注射油缸或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)螺桿前進(jìn)在螺桿前端產(chǎn)生極高的注射壓力，將熔融均勻的塑膠原料注射的模具型腔內(nèi)，冷卻成型注塑制品。

現(xiàn)以液壓注射機(jī)注射裝置為例，簡要介紹聯(lián)軸節(jié)的工作原理以及其主要受力分布。

注塑機(jī)注塑成型工藝要求，螺桿前端的熔融塑膠原料在一定的注射速率和注射壓力下注入模腔內(nèi)。如圖1所示注射油缸通過活塞桿、預(yù)塑軸承座、推力軸承、聯(lián)軸節(jié)、螺桿將注射推力傳遞到螺桿前端。螺桿預(yù)塑所需的扭矩由預(yù)塑油馬達(dá)通過聯(lián)軸節(jié)提供。顯然，聯(lián)軸節(jié)是整個(gè)預(yù)塑、注射過程中能量轉(zhuǎn)換、推力傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

眾所周知，聯(lián)軸節(jié)若發(fā)生故障，既注塑機(jī)預(yù)塑與注射功能完全喪失，導(dǎo)致整個(gè)注塑制品生產(chǎn)線發(fā)生停產(chǎn)事故，直接影響塑料制品生產(chǎn)商生產(chǎn)經(jīng)營。因此優(yōu)化完善聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量對提高注塑機(jī)注射裝置的可靠性及整機(jī)使用壽命具有極強(qiáng)的實(shí)際意義。

圖1　注塑機(jī)雙缸平衡注射裝置示意圖

典型聯(lián)軸節(jié)的技術(shù)要求和主要技術(shù)指標(biāo)如下：聯(lián)軸節(jié)基材需經(jīng)鍛造后方可后續(xù)加工及熱處理。

材料：40Cr調(diào)質(zhì)處理HB250~280；

承受注射推力：686 700 N；

傳遞扭矩：3 230 N.m

彈性模量：E=213 GPa[2]；

泊松比：μ=0.3；

抗拉強(qiáng)度極限：σb=685 MPa；

疲勞強(qiáng)度極限：σ-1=227 MPa[3]。

1　傳統(tǒng)聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)校核

傳統(tǒng)聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)校核是根據(jù)受力情況和使用工況進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核與扭矩校核，因聯(lián)軸節(jié)一般為短軸故不做剛度校核要求，可參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)校核。其工況較為復(fù)雜，且有鍵槽、螺紋孔、工藝孔等應(yīng)力集中處的設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)放適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

根據(jù)剪切應(yīng)力公式[4]

式中：

τ——為剪切應(yīng)力

Q——為剪切內(nèi)力，與注射推力相等 686 700 N

A——為剪切面面積16 493 mm2。

由式(1)可得τ= Q/A =686 700/16 493=41.6 MPa

許用應(yīng)力：

式中：

σ-1——為材料拉伸疲勞極限；

n——安全系數(shù)，考慮載荷性質(zhì)、應(yīng)力集中和比例因素等，可取n=2.5~3.0。

由式（2）可得[τ]=0.6×σ-1/n=0.6×227/2.5=54.48 MPa

純剪切應(yīng)力小于許用應(yīng)力，故認(rèn)為可滿足工況要求。但在機(jī)臺(tái)實(shí)際工作2~3年內(nèi)有一定幾率發(fā)生了如圖2所示的聯(lián)軸節(jié)斷裂。

圖2　聯(lián)軸節(jié)斷裂現(xiàn)場圖

顯然傳統(tǒng)的聯(lián)軸節(jié)設(shè)計(jì)手段不能很好地解釋出現(xiàn)如上所述的斷裂現(xiàn)象。筆者引入ANSYS軟件對聯(lián)軸節(jié)的強(qiáng)度分析，可得到更加直觀有效的強(qiáng)度數(shù)值解。

2　ANSYS軟件對聯(lián)軸節(jié)強(qiáng)度分析的過程

2.1模型建立

在solidworks中完成聯(lián)軸節(jié)的立體模型造型，保存時(shí)輸出格式選Parasolid(*.x-t)，在ANSYS Workbench中選擇ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析 ，然后調(diào)入Parasolid(*.x-t)格式模型，重新生成模型，而后自定義材料的性能，采用三角形表面劃分法將模型劃分為如圖3所示的14 352個(gè)單元格、24 783個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3　網(wǎng)格劃分圖

2.2ANSYS分析過程

施加載荷與約束如圖4所示，固定聯(lián)軸節(jié)與推力軸承的貼合面，在螺桿端面與聯(lián)軸節(jié)接觸面施加由注射壓力產(chǎn)生的軸向推力686 700 N，注射推力在軸承推力面與螺桿柄部接觸面之間環(huán)形面積上的剪切力是造成如圖2所示的斷裂破壞的主要因素，因斷裂面上所受到的預(yù)塑時(shí)的傳動(dòng)扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力明顯小于注射推力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，故忽略此部分影響。

圖4　約束受力加載圖

2.3求解及結(jié)果顯示

設(shè)置需要的結(jié)果選項(xiàng)、本文選擇最大剪應(yīng)力Maximum Shear Stress、運(yùn)行Solve求解，輸出結(jié)果如圖5。

圖5　最大剪切應(yīng)力圖

由Ansys仿真分析可得到最大剪切應(yīng)力為315.5 MPa，明顯超出40Cr鋼材料的疲勞強(qiáng)度極限227 MPa，若材料熱處理、鉆孔深度、消除應(yīng)力集中的圓角等細(xì)節(jié)注意不足，就加大了聯(lián)軸節(jié)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3　結(jié)果分析

應(yīng)用Ansys仿真分析所得的最大剪切應(yīng)力處與實(shí)際斷裂破壞處完全重合，且所得的數(shù)值解亦能恰當(dāng)解釋如圖2 所示的疲勞斷裂破壞現(xiàn)象，說明本文建立的有限元分析基本模型、約束施加、求解結(jié)果基本符合實(shí)際工況，分析結(jié)果可靠，對該類設(shè)計(jì)有借鑒意義。

根據(jù)ANSYS數(shù)值分析結(jié)果，加厚聯(lián)軸節(jié)與推力軸承的貼合面厚度能明顯減低其疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)螺釘孔底孔深度、圓角過度等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)省略的應(yīng)力集中點(diǎn)對聯(lián)軸節(jié)的疲勞斷裂有極大的負(fù)面影響，必須有效控制。

[1]塑料機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京化工大學(xué)，華南理工大學(xué)合編.北京：中國輕工業(yè)出版社，1995.12.

[2]郭一萍.塑料注塑機(jī)合模力檢測時(shí)彈性模量的正確選取[J].中國塑料，1999年第11月：80~82.

[3]高玉魁，姚牧.化學(xué)熱處理對40Cr鋼表象疲勞極限影響的定量化研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2002年12月，第22卷，第4期.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)（第三版）[M]，北京：高等教育出版社，1992.09（2001年重印）.

（R-03）

ANSYS simulation analysis of injection molding machine joint fatigue fracture

TQ320.662

1009-797X(2016)20-0058-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.018

曹亮（1979-），男，北京化工大學(xué)本科，工程師，主要從事注塑機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

2016-08-25