注塑機拉桿螺紋端斷裂原因分析與研究

袁衛明，陳法鑫

(浙江申達機器制造股份有限公司，浙江 杭州 310038)

近年來隨著塑料制品應用領域的不斷擴大發展，新材料的涌現和塑料制品精度要求不斷提高，使得對注塑機的要求越來越高。特別在生產塑料快餐刀叉等行業，由于產品壁薄，材料流動性好，成型面積大，生產速度要求越快。在注塑機使用過程中，拉桿螺紋容易在與螺母連接上的第一、二承載牙型根部發生早期斷裂現象。為此大多數研究人員提出了應力集中的觀點，從設計方面采取了相應措施，如螺母采用懸置結構；拉桿過渡段加大圓角并減小粗造度，螺紋根部設計成圓角并拋光，卸荷槽直徑進行量化設計等；在實際使用中確實起到了一定效果，提高了拉桿工作的可靠性，但斷裂現象依舊頻繁發生。由于相關方面的研究并沒有考慮到拉桿產生彎曲的實際原因，沒有從根本上分析解決拉桿斷裂的實際產生原理。本文則主要從這方面分析入手找出其斷裂成因，針對注塑機定模板的傾斜對拉桿所產生附加彎矩的影響，并且上拉桿彎曲變形的影響較下拉桿大。以220 t 型肘桿式注塑機為例，結合拉桿強度和螺紋強度的計算對比說明產生斷裂的誘因，結合拉桿斷裂面形狀進行分析解釋破壞的原因，為今后拉桿螺紋和模板的優化設計提供一些見解和參考基礎依據[1～3]。

1 拉桿螺紋斷裂理論分析

1.1 拉桿斷裂的現狀

從拉桿斷裂現狀來分析，其涉及設計、選材、加工、熱處理、安裝調試、使用維護和模具等諸多因素，因此當發生拉桿斷裂后很難定性分析具體產生的原因，是縱多注塑機生產廠家為之困惑的。根據拉桿結構圖1所示，大多數拉桿斷裂部位主要集中在尾板端螺紋（1）；定模板端螺紋（5）；其中定模板端螺紋略占80%左右，并且斷裂部位為螺紋與螺母連接第一、二承載牙型處垂直于拉桿軸線的根部。

圖1 拉桿結構圖

1.2 拉桿斷裂的方式

拉桿斷裂主要表現方式可分為如下五種：①疲勞破壞；②過載拉斷；③溫度應變導致拉斷；④復合應變所導致的拉斷；⑤瞬時沖擊應力導致的破壞。

1.3 拉桿裂紋斷面特點

拉桿螺紋斷裂失效的裂縫出現在螺紋副的首牙與第二牙的牙根，裂縫走向與螺紋升角一致。斷面基本上垂直于拉桿中心線，作用力與裂紋面垂直，屬于線彈性斷裂力學的張開型裂紋[4]。從斷口宏觀形態看，明顯有光滑區與粗糙區，光滑區是裂紋擴展但未斷裂的區域，粗糙區是瞬間斷裂的區域，斷面呈金屬光澤、未見化學腐蝕痕跡，裂紋擴展區呈放射狀。同時，在光滑區內有個裂紋源的小區域，符合疲勞失效的特征[5]。

1.4 拉桿斷裂分析

拉桿在工作過程中, 鎖模時受拉伸, 同時由于模板的彎曲變形，在拉桿螺母與模板連接處產生彎曲力。實質上鎖模時拉桿螺紋處承受了拉伸和彎曲的復合用，拉桿螺紋承載時，力通過螺紋牙面傳遞，第一牙受載最大，以后各圈遞減。開模時受開模力的作用而被壓縮，隨著連續的合模、開模, 拉桿承受著拉彎-壓縮的交變載荷作用，這種循環次數遠遠超過 106，螺紋聯接位可能形成裂紋源并擴展至斷裂[6～7]。

2 拉桿強度一般計算方法

通常在設計時以4根拉桿均勻承受鎖模力來分析計算，拉桿產生拉伸應力近似靜載荷，按拉桿直徑校核其強度、疲勞強度及螺紋強度[8]。

2.1 強度條件

式中：

Pcm——合模力，N ；

dp——拉桿柱直徑，cm ；

Z ——拉桿根數；

[σ]——使 用 拉 伸 應 力 N/ cm2，取 7 500～9 000 N/cm2。

2.2 疲勞強度條件

式中：

σ-1——材料拉伸強度持久限，N/cm2；

σy——材料屈服限，N/cm2；

σt——由合模力產生的拉應力，N/cm2；

σc——由開模力產生的壓應力，N/cm2；

σtamx——超負荷時的最大拉應力，N/cm2；

n——強度安全系數n=1.5～1.8；

kσ——應力集中系數 =1.8～2.0 ；

kε——比例因素系數，拉桿直徑在100 mm 以內取1～1.1，大于100 mm 時取1.25。

2.3 螺紋強度校核：

（1）單圈螺紋所受的力：

（2）單圈螺紋所受的剪切應力：

（3）擠壓應力：

（4）彎曲應力：

式中：

N——拉桿螺紋工作圈數；

b——螺紋牙根部寬度，cm；

d——螺紋外徑，cm；

d1——螺紋內徑，cm；

t——螺紋牙高，cm，t=(d-d1)/2。

3 定模板的力學模型

3.1 簡支梁[9]

據相關文獻為了簡化定模板、拉桿的力學分析，設定定模板、拉桿承受均勻的鎖模力，全是將定模板的力學模型簡化為一個簡支梁如圖 2。

式中：

Fa——上拉桿受力，N/cm2；

Fb——下拉桿受力，N/cm2；

Pcm——合模力，N。

圖2 簡支梁的力學模型

3.2 超靜定梁

根據定模板的安裝連接關系如圖3，其下端面用螺釘與機身平面固定連接，因此定模板下端面可被認為是固定鉸。而定模板上端用拉桿螺紋與螺母固定連接具有活動伸縮空間，因此定模板上端可被認為是活動鉸。由于受下拉桿的作用，造成支座其反力數超過梁的平衡方程數，故筆者認為定模板以超靜定的簡支梁更為合理，其力學模型如圖 4。

圖3 定模板連接與傾斜形式

圖4 超靜定梁力學模型

3.3 平衡方程

根據超靜定梁的簡力圖4，列靜力平衡方程如下：

由式（9）和（10）可知

故:Fb＞FC

既上拉桿受力比下拉桿大，在模具鎖緊過程中定模板有向自由度大的一側傾斜，使定模板底平面與機身連接面產生空隙約0.05～0.1 mm，由于定模板的傾斜導致拉桿受徑向力產生力矩而彎曲。

4 拉桿的力學模型

4.1 定模板的連接方式

定模板的連接方式如圖3。

4.2 拉桿的連接方式

拉桿設置卸荷槽并與懸置式螺母連接方式如圖5，與端面螺母連接方式如圖6。

圖5 懸置螺母連接方式

圖6 端面螺母連接方式

4.3 拉桿中部撓度分析[10]

拉桿中部出現彎曲撓度由多種因素造成，表現的現象基本是相同的，即合模鎖緊后拉桿中部上弓，拉桿受力不均勻產生中部撓度。拉桿運行特征簡化為脈動循環彎曲交變載荷形式下工作，如圖7。

圖7 拉桿中部受徑向力彈性變形簡圖

拉桿的徑向彈性變形進行分析：根據固定梁的彈性變形是簡支梁1/4，拉桿受徑向力撓度y：

式中：

P——拉桿所受徑向，kN；

E——彈性模量(2.06×104kN/cm2)；

I——拉桿慣性矩，I=πd4/64。

因材料加工、安裝及調節4根拉桿之間受力拉伸彈性變形量相差太大，產生定模板力矩不平衡，引起拉桿中部彈性繞度。在高壓鎖緊后定模板向外側傾斜，定模板與機身導軌的接觸面前端向上抬，與導軌面成一契角，上抬量約y=0.05～0.1 mm。

拉桿的斷裂都發生在與螺母相連接的螺紋根部截面, 此處承受了最大的拉伸-彎曲應力。長期以來注塑機領域的科研人員都在研究改善受力狀態的方法,卸荷槽和懸置式螺母結構。如圖 2 所示。

拉桿受徑向力扭轉角θ：

5 案例分析

合模力為2 200 kN的肘桿合模機構，高壓鎖模時，因4根拉桿受力不均衡，定模板整體產生傾斜與機身接觸面成一契角，上抬量為0.05 mm，即拉桿撓度y=0.05 mm。由于定模板的傾斜造成拉桿上弓，促使拉桿產生了一個附加徑向力。

拉桿受力長度L=260 cm，直徑d=90 mm，螺紋M90×4，螺紋底徑d1=85.67mm，有效工作圈數N=10， 材 料 40Cr，L=260 cm，a=240 cm ，b=20 cm，w=80 cm，y=0.05 mm，[σw][10]39=201 MPa。

5.1 徑向力作用力矩

由公式（12）可知，拉桿附加徑向力：

附加徑向力對拉桿螺紋側產生的彎矩M：

5.2 傾斜拉力增量

由圖6可知，因定模板的傾斜在上拉桿軸線處產生水平位移增量Δe，產生傾斜拉力增量ΔP。

由虎克定律可知：

上拉桿實際承載總力：

5.3 拉桿螺紋底徑強度計算

拉桿螺紋底徑強度計算如下：

5.4 螺紋彎曲應力

因定模板整體產生傾斜，導致拉桿承載一個附加徑向力和傾斜拉力增量，因此拉桿螺紋彎曲應力由三部分組成。

（1）合模力的彎曲應力

（2）傾斜拉力增量的彎曲應力

（3）徑向力的彎曲應力

（4）彎曲應力

從以上分析可以看出，拉桿因受力不均導致定模板在高壓鎖模時發生傾斜，拉桿產生彎曲撓度。拉桿附加徑向力產生的力矩雖然對于整個合模機構及拉桿來說并不大，但對拉桿螺紋起到破壞性作用，會導致拉桿螺紋如圖8截面A-A處提前疲勞變形。強度方面也反映出拉桿螺紋的彎曲應力超過了許用應力，拉桿螺紋底徑處有失效的可能。因此在拉桿設計時必須考慮拉桿可能有的附加力（力矩），才能提高拉桿的可靠度。

圖8 拉桿螺紋一圈展開圖

6 拉桿螺紋斷裂面研究分析

6.1 拉桿應力循環特征[11]

肘桿合模機構在開合模循環周期內，拉桿變形力Pc作用都是從模具接觸的“0”開始達到鎖緊后的Pcm，即從小到大。開模時，Pc從大到小。這樣拉桿的載荷隨時間發生顯著變化，實際拉桿工作時的應力狀況更接近于脈動應力，如圖9所示。

圖9 脈動應力循環圖

6.2 拉桿螺紋斷面疲勞破壞特點

拉桿螺紋斷面通常與軸線垂直，從斷面分析比對與疲勞破壞形成圖10過程相吻合。其特點是可見有明顯的兩個區域：光滑區和粗糙區，在光滑區內有時可看到以微裂紋為起始點（稱為裂紋源）逐漸擴展的弧形曲線，粗糙區可看到發白的顆粒狀亮點，如拉桿螺紋斷裂面圖11所示。

圖10 疲勞破壞形成圖

圖11 拉桿螺紋斷裂面圖

6.3 疲勞破壞原因解釋

根據案例5，對合模力為22 200 kN的肘桿合模機構的拉桿數據分析可知，拉桿螺紋底徑d1處的最大應力σmax＜[σw]，而拉桿螺紋的彎曲應力σb＜[σw]，由此表明拉桿螺紋的彎曲應力是導致拉桿斷裂的主要原因。在螺紋第一、二牙處彎曲應力特別高，在循環應力長期作用下，這些局部區域就會出現微觀裂縫，形成所謂裂紋源。在脈動循環作用下裂紋源兩側面逐時而分開，時而壓緊，互相研磨形成光滑區。隨著循環次數的增加，拉桿螺紋處的有效面積逐漸減小，最后沿削弱了的截面突然發生脆性斷裂，斷口為呈顆粒狀的粗糙區。

7 結論

本文通對定模板受力平衡的分析研究，得出因定模板的傾斜使拉桿附加承載彎矩，導致整個螺紋端根部應力值比純拉伸下要大，拉桿螺紋端的強度被削弱，容易造成螺紋底部產生微裂紋而發生疲勞斷裂。本文研究分析結果可為拉桿螺紋發生疲勞斷裂提供基礎數據和理論依據，也可為工程應用提供導向。