基于UG 運(yùn)動(dòng)仿真的注塑機(jī)雙曲肘合模裝置設(shè)計(jì)

許 穎，劉華華，雷 波

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443003）

引言

注塑機(jī)合模裝置主要有機(jī)械式合模裝置、液壓式合模裝置和液壓-機(jī)械式合模裝置三種基本形式[1]。機(jī)械式合模裝置除了小型電動(dòng)注塑機(jī)采用的電動(dòng)機(jī)械式合模裝置外，基本不再運(yùn)用；液壓式合模裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)液壓元件的要求比較高；液壓-機(jī)械式合模裝置中比較有代表性的是液壓肘桿式合模裝置，此類合模裝置有增力作用，能夠?qū)崿F(xiàn)高速，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度要求較高。在中小型注塑機(jī)中，液壓肘桿式合模裝置運(yùn)用會(huì)多一些，而大中型注塑機(jī)則相反，采用較多的是液壓式合模裝置。

1 液壓肘桿式合模裝置簡(jiǎn)介

液壓肘桿式合模裝置可以分為單曲肘合模裝置和雙曲肘合模裝置。

單曲肘合模裝置的油缸用鉸鏈與機(jī)架連接，開(kāi)合模過(guò)程中，油缸可以擺動(dòng)。這種合模裝置的油缸小，裝在機(jī)身內(nèi)部，減小機(jī)身長(zhǎng)度，但也存在受力不均的現(xiàn)象，所以只適用于模板面積較小的小型注塑機(jī)[2]。

雙曲肘合模裝置在中、小型注塑機(jī)中都有采用，此類合模裝置可以適應(yīng)較大模板面積，并且具有增力作用和自鎖作用。雙曲肘合模裝置按組成曲肘的鉸鏈數(shù)可分為四孔型和五孔型，如按曲肘排列位置又分為斜排列和直排列，由于五孔斜排式的雙曲肘機(jī)構(gòu)形式具有較緊湊的結(jié)構(gòu)，所以目前運(yùn)用最多的是此類型，如圖1 所示。該論文中主要運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置初始值，然后運(yùn)用UG 軟件對(duì)該合模裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模、裝配及運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行綜合分析。

圖1 五孔斜排列雙曲肘合模裝置

2 運(yùn)用UG 軟件設(shè)計(jì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置

在以往對(duì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用的較多，如圖解法、經(jīng)驗(yàn)類比法等，但由于計(jì)算量非常大，所以設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，且難以滿足精度要求[3]。

對(duì)于雙曲肘合模裝置的仿真分析，曾借助過(guò)許多不同的軟件，大部分都是對(duì)合模裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此針對(duì)移模行程為350 mm、拉桿間距455 mm的中小型注塑機(jī)，主要采用傳統(tǒng)方式與UG 軟件仿真相結(jié)合的方法，對(duì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如圖2 所示，首先根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)雙曲肘合模裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)裝置中各肘桿長(zhǎng)、肘桿之間的夾角等參數(shù)設(shè)置初始值；然后運(yùn)用UG三維造型功能，依據(jù)已設(shè)定的初始值進(jìn)行零件的三維建模，主要包括三板（即固定模板、移動(dòng)模板和后模板）、肘桿等；再運(yùn)用UG 裝配功能裝配合模裝置，主要通過(guò)各個(gè)零件的位置狀態(tài)分析各零部件之間是否有相互干涉，如果存在相互干涉，則需要修改相關(guān)零件的尺寸或結(jié)構(gòu)；當(dāng)裝配完成后，運(yùn)用UG 運(yùn)動(dòng)仿真功能校調(diào)合模裝置，對(duì)合模的全過(guò)程實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如果出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中零部件之間的碰撞現(xiàn)象，則需要對(duì)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行修改；最后針對(duì)裝配和運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果，修正雙曲肘合模裝置最初設(shè)置的初始參數(shù)，使零件的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)更加合理。

圖2 運(yùn)用UG 軟件設(shè)計(jì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置過(guò)程

2.1 設(shè)置初始值

五孔斜排列雙曲肘合模裝置是以模板中心線為基準(zhǔn)的上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)[4]，如下頁(yè)圖3 所示，設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)（見(jiàn)表1）是后肘桿長(zhǎng)度L1、前肘桿長(zhǎng)度L2、連桿長(zhǎng)度L4、大連桿長(zhǎng)度L5、斜排角θ、頂角φ、曲肘角α、后肘桿夾角γ、動(dòng)模板行程Sm、合模油缸行程S0，對(duì)于此類參數(shù)的初始設(shè)置主要依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所提供的設(shè)計(jì)公式，以及實(shí)踐過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)值。

圖3 五孔斜排列雙曲肘示意圖

表1 五孔斜排列雙曲肘合模裝置初始值設(shè)置

為便于后期的生產(chǎn)制造，合模裝置中的肘桿長(zhǎng)度在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)取整數(shù)，因此在初始設(shè)置以上參數(shù)時(shí)也應(yīng)該做相應(yīng)的取舍。

2.2 運(yùn)用UG 軟件三維建模并裝配雙曲肘合模裝置

液壓雙曲肘合模裝置的三維建模主要是三板、肘桿、十字頭等。三板（即固定模板、移動(dòng)模板和后模板）的幾何尺寸主要是依據(jù)拉桿間距、模具大小等，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行建模。

肘桿和十字頭的三維建模則是根據(jù)以上設(shè)置的初始值，確保開(kāi)合模過(guò)程的相關(guān)要求，綜合考慮零件的工藝性、剛性等多種性能，建模時(shí)將后肘桿長(zhǎng)度L1、大連桿長(zhǎng)度L5、小連桿長(zhǎng)度L3設(shè)計(jì)整合為一個(gè)零件，即后肘桿。這樣既減少了零件的數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)也使雙曲肘合模機(jī)構(gòu)更加緊湊。

運(yùn)用UG 軟件的裝配功能，按照臥式注塑機(jī)的實(shí)際安裝過(guò)程，先將設(shè)計(jì)好的零件組裝成四個(gè)部件，為裝配過(guò)程便于識(shí)別，分別命名為后模板組件、動(dòng)模板組件、定模板組件、十字頭組件，然后依次將上述四個(gè)部件（如圖4 所示）和所有設(shè)計(jì)并創(chuàng)建好的肘桿零件的三維實(shí)體模型裝配在一起，如圖5 所示，可以更加直觀地看到各零部件之間的相互位置關(guān)系，并針對(duì)各零部件裝配過(guò)程中呈現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖4 雙曲肘合模裝置零件三維建模

圖5 UG 裝配五孔斜排列雙曲肘合模裝置示例圖

裝配過(guò)程中主要關(guān)注連桿和前肘桿之間是否產(chǎn)生碰撞，如果兩者之間存在干涉，有兩種方法可以進(jìn)行修正，一種是調(diào)整后肘桿中小連桿長(zhǎng)度L3的尺寸，另一種方法是調(diào)整連桿或前肘桿的相關(guān)尺寸。通常會(huì)優(yōu)先選擇后一種修正方法，因?yàn)檎{(diào)整后肘桿中小連桿的長(zhǎng)度將影響到后肘桿夾角γ 的變化，使設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜。

2.3 運(yùn)用UG 運(yùn)動(dòng)仿真功能修正雙曲肘合模裝置相關(guān)參數(shù)

雙曲肘合模裝置中的肘桿支撐部分后模板支座和移動(dòng)模板支座分別安裝在后模板和移動(dòng)模板上，合模油缸安裝在后模板上。合模裝置工作時(shí)，由合模油缸活塞桿推拉十字頭做直線運(yùn)動(dòng)，通常假定十字頭作勻速直線運(yùn)動(dòng)，依次帶動(dòng)連桿、后肘桿和前肘桿，使移動(dòng)模板在機(jī)床導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合模裝置的開(kāi)合模動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)要靈活運(yùn)用UG 軟件中運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置，將滑動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副較好地配合。五孔斜排列雙曲肘合模裝置中的每一個(gè)零部件都不是獨(dú)立存在的，它們之間的相關(guān)性要在UG 運(yùn)動(dòng)仿真中充分地利用嚙合連桿的相關(guān)功能展現(xiàn)出來(lái)。

如圖6 所示，以后肘桿為例加以說(shuō)明。將后肘桿的連接類型設(shè)置為“旋轉(zhuǎn)副”，原點(diǎn)為后模板支座與后肘桿連接處的圓心，矢量為孔軸線方向。與后肘桿的“嚙合連桿”為后模板組件，原點(diǎn)和矢量方向與前面的設(shè)置相同。

圖6 UG 仿真中運(yùn)動(dòng)副設(shè)置示例圖

合模時(shí)后肘桿與前肘桿要在同一直線上，開(kāi)模時(shí)要保證上下連桿和上下前肘桿不會(huì)發(fā)生碰撞，十字頭要能很好地伸縮，可以在仿真過(guò)程中適當(dāng)?shù)匦薷暮竽０宓慕Y(jié)構(gòu)，擴(kuò)大行程比的同時(shí)可以減輕后模板的重量。

由圖7 中可以看出，對(duì)五孔斜排列雙曲肘合模裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真校調(diào)，根據(jù)仿真中的實(shí)時(shí)位置狀態(tài)，不斷調(diào)整后模板的結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)初始設(shè)置的參數(shù)也進(jìn)行了修正。修正后，后肘桿長(zhǎng)度L1為230 mm，前肘桿長(zhǎng)度L2為290 mm，連桿長(zhǎng)度L4為98 mm，斜排角θ為4.57°，校調(diào)后的雙曲肘合模裝置在開(kāi)模狀態(tài)時(shí)，十字頭可以退入后模板中。

圖7 UG 運(yùn)動(dòng)仿真中雙曲肘合模裝置的開(kāi)合模狀態(tài)圖

運(yùn)用UG 軟件中的三維建模、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真功能輔助完成五孔斜排列雙曲肘合模裝置的設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)過(guò)程變得直觀、簡(jiǎn)單，但對(duì)初始參數(shù)的修正及所有設(shè)計(jì)結(jié)果的確定，一定要滿足傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中對(duì)各零件受力特性的要求。

另外，雙曲肘合模裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性也是設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。對(duì)于五孔斜排列雙曲肘合模裝置而言，行程放大比則可以間接反映這一性能。當(dāng)移動(dòng)模板開(kāi)模行程確定后，行程放大比越大，十字頭后退行程越小，合模裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性相對(duì)較好。

3 結(jié)語(yǔ)

合模裝置是注塑機(jī)最重要的組成部分，其性能直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。合模裝置越緊湊、整體長(zhǎng)度越小，就會(huì)更好地節(jié)約制造成本[6]。五點(diǎn)斜排列雙曲肘合模裝置是目前注塑機(jī)合模裝置中應(yīng)用最為廣泛的一種，對(duì)此類合模裝置的研究分析也比較多。但往往由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在較煩瑣的變量，所以運(yùn)用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要面對(duì)計(jì)算量大，并且很難獲得較好的優(yōu)化結(jié)果的問(wèn)題。運(yùn)用UG 軟件加以輔助，可以對(duì)初始設(shè)置的參數(shù)加以驗(yàn)證，并對(duì)不同目標(biāo)值的組合進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，最終修正雙曲肘合模裝置中的主要參數(shù)，得到了符合實(shí)際的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。后期可以探討將合模裝置參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，與三維建模結(jié)合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，使雙曲肘合模裝置從設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，直至對(duì)重要零件的力學(xué)性能分析全過(guò)程變得更加直觀簡(jiǎn)單。