有限元分析技術在注塑機設計中的應用研究

陳緒明 陳燁

摘 要：模板部件和拉桿是注塑機關鍵的承載物和構件。本文將分析有限元法對其拉桿和模板對有限元軟件的進行，利用對有限軟件分析顯示的螺母及拉桿的整體應力、位移分布結果;采用有限元對對模板的分析，對模板上變形和應力分布情況進行確定，其得出的數據可以為注塑機模板和拉桿觀看整體結構設計和改進起到借鑒作用。

關鍵詞：注塑機;拉桿;有限元分析

引言

注塑機是一體成型加工各種塑料制品的設備，其功能是把熱塑性塑料或熱固性塑料制作成塑料制品。塑料產品是人們生活和生產中必不可少的物品，所以，注塑機將被業界廣泛應用。螺母、拉桿和模板是大型注塑機鎖模裝置中關鍵的受力部件。這些關鍵部件分別承受高壓鎖模和開模過程中的鎖模力和開模力。然而，大數量的計算是傳統的力學計算方法計算結果不準確，在實際結構設計中，通常我們需要用有限元軟件對模板和拉桿進行分析計算。

1.螺紋的有限元設計與注塑機拉桿抱閘分析

1.1建立數學模型

注塑機通常采用油缸驅動四個抱閘裝置，為了能保證開合模時移動模板快速、穩定、精準地在拉桿的任何固定位置停留，要求注塑機的抱閘螺母擁有自鎖和重載傳遞功能，所以要使用鋸齒螺紋。拉桿的鋸齒在空間上是非螺旋形的，可以改進成軸對稱的形式。

1.2構建有限元模型

1.3邊界條件：選取拉桿端面為基準，選取裝配模型1/10為分析模型，螺母外圓表面為X方向位移約束。施加在拉桿一端的力為F。

F= Q/（n×10）=（1.6×〖10〗^7）/（4×10）=40000Kgf

其中Q為：注塑機合力模力，N

n為拉桿數目。

螺母螺紋與拉桿的銜接，拉桿為接觸面，螺母為靶面（目標面）。采用SOLIDWORKS軟件可以快速選擇接觸面，定義出接觸面組。庫侖摩擦構成的摩擦模型，其摩擦的系數為0.15。

1.4分析結果

利用的算法為增廣拉格朗日非線性接觸手段，獲得螺母和拉桿的應力分布云圖。

拉桿材料為42GrMo，經實際調質處理，σ_s>490Mpa（σ_s屈服強度），σ_a>685MPa（σ_a抗拉強度），通常處理等效應力實施線性化后，等效應力最大值為351.4MPa，小于σ_s，滿足強度要求。

西田正孝求出的最大應力與每個螺紋齒根部的最大應力一致，他首先用L.maduschka方法計算荷載p的分布，然后采用光彈性試驗實施對應對應p的應力分布的研究。因此，得出螺紋的有限元模型皆為正確的結論。根據計算拉桿最大閉合位移為0.41mm，因為模型為拉桿的一部分，實際位移遠小于0.41mm，完全可以滿足其設計的需求。直接影響疲勞斷裂斷和拉桿磨損的因素是接觸壓，而且有能力保證拉桿抱閘設備產生充足的拉桿壓力鎖模，最大的拉桿接觸壓力范圍為351.4mpa，壓力足以滿足系統設計性能要求。

2.機械的有限元分析

2.1有限元分析以及前模板的建模分析

定位導向和固定模具是注塑機前模板的主要功能，板的四個角孔由注塑機導向拉桿連接。正面連接注射部分，背面固定模具，模具的壓力在合模的時候產生，在機架上固定模板底部固。模板的基本結構為一個長方體并且左右對稱。合模力的影響下，模板承受變形彎曲的任務，所以，基于等強度的角度考慮，帶鋼筋的矩形截面是模板整體形狀設計的首選。

（1）建模實體分析

按照作用在模板上的荷載對稱性以及模板的結構特點，四分之一最小模具，三條邊長（長寬厚）尺寸取拉桿中心距的1/4，頭板取1/4部分，二者裝配完好。參照上述虛擬對一些圓角和小凹槽實施簡化，在SOLIDWORKS中我們可以對模板的三維幾何模型實施構建，如圖1所示

（2）劃分網格

上百種element皆由SOLIDWORKS軟件提供，其中實體（solid）、板殼（shell）和梁（beam）是三種最常用的單元，以及各種網格自動生成技術。通過自適應精度控制可以針對不同的部位和位置敲定不一樣關鍵級別或計算精度，程序通過循環迭代計算判斷精度、網格細分，以此循環計算，自動達到預期精度，在此過程中，高溫梯度區和高應力區皆由程序自動識別，同時細化相關區域的網格。根據板的結構特征，選用四節點四面體單元，采用自適應精度管控實施自由網格生成。

（3）載荷情況的分析

選取假模端面為基準，固定假模端面，對稱平面上增加對稱約束。TTI-500SeⅢ的合模力為500噸。進行鎖定模具時，移動模板以及前模把模具壓到其間。因此，合模力可以簡化為作用在板背面固定模的環面上的均布壓力。

（4）計算結果分析

結果檢查在在后處理器中進行，可以獲得應變云圖和模板應力。從應變云圖可以看出，拉桿孔正下方邊線的最大變形為0.397mm，從外側到中心呈線性減小，遠離載荷區變形較小。最大應力區在射移連接面上呈米字形分布在中心孔邊際、拉桿孔約束處，局部最大應力在局部顯示數據最高為195MPa。

2.2尾板的有限元分析

尾板是肘桿支撐的一個重要角色，在油壓作用下來回推動模板。因此，它主要受到合模時肘桿壓力的影響，與前模板不同，尾板無帶筋結構，設計重點在于板前方機鉸。尾板底部是平放在機架上，四角用拉桿連接起來，拉桿左右對稱。

（1）實體建模

根據三維模板的結構特點和作用在模板上的荷載對稱性，把尾板、十字頭，大鉸邊、導桿，裝配完好，取1/4作為分析模型。

（2）網格劃分

（3）邊界條件及載荷情況

四者的水平、豎直剖切面，約束為對稱;尾板的調模絲母墊觸壓面（需按耐磨墊外徑劃分割面）、十字頭的活塞桿觸壓面，分別約束為在平面上，法向的移動量為0mm。

（4）分析計算結果

SOLIDWORKS軟件在后處理器中檢查結果，獲取應變云圖和模板應力。結果表明，尾板的最大變形值為0.439毫米。在支承區頂部，變形量以點為中心向外減小，離載荷區越遠，位移越小。根據第四強度理論，局部最大拉應力為68兆帕，主要分布在尾板拉桿孔與鉸耳連接處的圓弧處。工廠提供的實際工況與計算結果一致，充分顯示建立的有限元分析模型的合理性，真實反映模板的受力狀態。

3.結論

總之，利用有限元實施分析，比較傳統的方式，注塑機的設計質量和分析精度顯著提升，為更合理地改進注塑機各部件的受力狀態以及結構設計起到理論支撐。

參考文獻：

[1]李明輝，張鑫，申曄龍.基于Ansys的注塑機動模板的優化設計[J].現代制造技術與裝備，2019（12）：58-60.

[2]熊文楠. 二板式注塑機合模機構的優化設計及液壓系統仿真研究[D].北京化工大學，2018.

[3]張哲衍，董凌波，李國平，陳星欣，柳麗.二板式注塑機動模板有限元仿真的關鍵技術問題分析[J].塑料工業，2020，48（07）：51-55.