王 權(quán)，趙睿榮，蔡玉俊，臧 冀

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.SEW-工業(yè)減速機(jī)（天津）有限公司，天津 300457；3.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

模具是工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，可用來成型具有一定形狀和尺寸的各種制品。注塑模型腔是成型塑件主要外表面的成型零件，是塑料模具的主要組成部件之一，其工作可靠性直接影響塑件的成型質(zhì)量和模具的正常工作和使用壽命。隨著模具容量和參數(shù)日益提高，用戶對(duì)模具質(zhì)量的要求已經(jīng)不再滿足于功能和性能的保證，而是希望模具能夠長(zhǎng)期使用并且保持良好的穩(wěn)定性能，要求模具具有很高的可靠性[1-2]。而注塑模具在使用過程中，模具型腔常容易過早出現(xiàn)疲勞裂紋，直接影響了模具的使用壽命和工作的可靠性。模具是單件生產(chǎn)，交貨周期短，模具型腔形狀又變化多樣，因此不可能如某些批量生產(chǎn)的電子或機(jī)械產(chǎn)品那樣可以通過試制產(chǎn)品和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來獲取使用壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)。如何找到一種行之有效的方法對(duì)模具的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)其工作可靠性做出評(píng)價(jià)已成為模具行業(yè)亟待解決的一個(gè)問題[3-5]。本文以洗衣機(jī)排水泵體零件的注塑模具型腔作為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元軟件對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)其工作可靠性進(jìn)行分析和研究，為類似模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和疲勞可靠性分析提供思路和方法。

1 模型建立

根據(jù)注塑模具型腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用UG軟件對(duì)注塑模具型腔進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，為下一步注塑模具型腔有限元靜力分析提供幾何模型。模具實(shí)體模型及模具型腔示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 三維實(shí)體模型

圖2 注塑模具型腔

2 有限元分析

洗衣機(jī)排水泵型腔材料為SK6D1，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。模具型腔網(wǎng)絡(luò)劃分如圖3所示。

圖3 模具型腔網(wǎng)格劃分

2.1 應(yīng)力分布圖和型腔變形圖

（1）當(dāng)模具型腔的壓力為30 MPa時(shí)，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，型腔最大應(yīng)力為182.755 MPa，最大位移變形為0.012 645 mm。

（2）當(dāng)模具型腔的壓力為20 MPa時(shí)，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖6和圖7所示。

圖4 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖5 型腔的變形云圖

圖6 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖7 型腔的變形云圖

從圖6和圖7中可以看出，型腔最大應(yīng)力為121.837 MPa，最大位移變形為0.008 43 mm。

（3）當(dāng)模具型腔的壓力為10 MPa時(shí)，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖8和圖9所示。

圖8 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖9 型腔的變形云圖

從圖8和圖9中可以看出，型腔最大應(yīng)力為60.918 MPa，最大位移變形為0.004 215 mm。

從以上的應(yīng)力云圖和變形云圖中可以看出，隨著注塑模具型腔壓力值的增加，型腔的最大應(yīng)力和變形量也隨之增加，并且最大應(yīng)力發(fā)生在型腔底部。

因此，以載荷為橫坐標(biāo)，以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，得到型腔載荷－應(yīng)力曲線圖，如圖10所示。

圖10 型腔載荷-應(yīng)力曲線圖

2.2 型腔壽命分析

疲勞破壞是機(jī)械零部件早期失效的主要形式。疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。

圖11和圖12分別為經(jīng)過分析后的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖。從圖12求解得到的最小疲勞壽命105.621 3，因此，模具型腔安全。最小安全系數(shù)為0.706。

圖11 疲勞壽命云圖

圖12 安全系數(shù)云圖

從疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖中可以看出，型腔壽命的最小位置均出現(xiàn)在型腔內(nèi)側(cè)底面與側(cè)面的圓環(huán)處，與其各自應(yīng)力集中點(diǎn)位置剛好吻合，這也表明，在不考慮其他因素的情況下，該點(diǎn)即為其最大應(yīng)力集中點(diǎn)。

2.3 注塑模具型腔疲勞可靠度計(jì)算

當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度分布都成正態(tài)分布時(shí)，可靠度的計(jì)算可大大簡(jiǎn)化。正態(tài)分布的應(yīng)力和強(qiáng)度概率密度函數(shù)分別為：

式中：σ和μ為2個(gè)參數(shù)，σ＞0，+∞ ＜μ＜－∞。

常用塑料材料成型時(shí)的型腔壓力為10～30 MPa，假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中，壓力為30 MPa，在正常的波動(dòng)范圍內(nèi)，有：

式中：μp為型腔壓力均值；σp為型腔壓力的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，可得型腔內(nèi)應(yīng)力服從正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：

模具型腔的疲勞強(qiáng)度呈正態(tài)分布，在設(shè)計(jì)疲勞壽命為106次工作循環(huán)時(shí)，在疲勞應(yīng)力圖中取對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為2.265，則型腔疲勞強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：

型腔的可靠度系數(shù)為：

查表，得到可靠度R=0.888 8。

在設(shè)計(jì)壽命為106次工作循環(huán)中，注塑模具型腔的可靠度可以達(dá)到0.888 8，可以滿足工作可靠性的要求。理論計(jì)算的可靠度與利用疲勞分析軟件進(jìn)行疲勞壽命分析的結(jié)果相吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

以成型洗衣機(jī)排水泵零部塑件的注塑模具型腔為研究對(duì)象，將可靠性設(shè)計(jì)理論、有限元分析法和疲勞分析技術(shù)運(yùn)用到注塑模具型腔的設(shè)計(jì)之中，能有效地提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證模具的使用壽命，降低塑料制品成本，提高設(shè)備的生產(chǎn)率。

［1］李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］商躍進(jìn).有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］劉世豪，王東方.可靠性在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008（5）：33-35.

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