楊 娜，楊天興，辛 鵬

（1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

注塑機(jī)主要用于將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品。合模機(jī)構(gòu)是注塑機(jī)最重要的結(jié)構(gòu)部件，當(dāng)注塑機(jī)工作時(shí)，合模機(jī)構(gòu)會(huì)受到較大的應(yīng)力變化，所以容易造成疲勞失效［1］，因此對(duì)合模機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的研究十分重要。有限元分析是現(xiàn)代工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛的模擬分析，能準(zhǔn)確地定位設(shè)計(jì)的薄弱部分，從而可以有針對(duì)性地加以改進(jìn)［2-3］。本工作對(duì)注塑機(jī)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的受力問題進(jìn)行了分析，并運(yùn)用Ansys有限元仿真軟件，對(duì)機(jī)構(gòu)上的動(dòng)模板和靜模板的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行仿真分析。

1 雙曲肘合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

雙曲肘合模機(jī)構(gòu)是應(yīng)用比較廣泛的注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)，它具有較大的力的放大功能及行程比，且能夠自鎖。雙曲肘合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖1，主要部件有十字頭、肘桿機(jī)構(gòu)、動(dòng)模板、拉桿、靜模板等，其結(jié)構(gòu)為兩邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)［4-6］。合模機(jī)構(gòu)可以完成合模和開模兩個(gè)過程。合模時(shí)，十字頭向前運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)肘桿機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，肘桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)動(dòng)模板沿拉桿向前運(yùn)動(dòng)，完成合模過程；開模時(shí)，十字頭向后運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)肘桿機(jī)構(gòu)內(nèi)卷，拉動(dòng)動(dòng)模板沿拉桿向后運(yùn)動(dòng)，完成開模過程。

圖1 雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of double-toggle clamping mechanism of injection molding machine

2 合模機(jī)構(gòu)受力分析

在開合模過程中，靜模板所受的作用力主要包括模板上固定的模具對(duì)其的壓力F1，拉桿上螺母頭給的壓力F2，以及機(jī)架對(duì)靜模板底部的作用力F3，靜模板受力分析見圖2。F2均勻分布于4個(gè)拉桿孔上，由于模具一般安裝于靜模板中心位置，所以F1作用于靜模板中心位置。

圖2 靜模板受力分析Fig.2 Force analysis on static template

在合模和開模過程中，動(dòng)模板主要受的作用力包括模板上固定的模具對(duì)其的壓力F5，肘桿機(jī)構(gòu)對(duì)其的推力F4，動(dòng)模板受力分析見圖3。由力平衡原理可知，動(dòng)模板所受的模具的壓力F5與靜模板所受的模具的壓力F1相等，而動(dòng)模板所受的肘桿的推力F4在水平方向的分力與靜模板所受拉桿螺母頭給的壓力F2相等。

圖3 動(dòng)模板受力分析Fig.3 Force analysis on moving template

在合模和開模過程中，拉桿對(duì)動(dòng)模板起到支撐和約束作用，它的撓度決定了合模的質(zhì)量。在工作過程中，拉桿不停地受拉伸與壓縮作用，非常容易發(fā)生疲勞損壞，且拉桿的剛度變化會(huì)引起模板上的受力不均，可能造成模板局部超載，對(duì)模板造成損壞［7］。

雙曲肘合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖4，A點(diǎn)為十字頭中心位置，E點(diǎn)為肘桿機(jī)構(gòu)左下固定端，D點(diǎn)為動(dòng)模板與下部拉桿連接點(diǎn)，B點(diǎn)和C點(diǎn)為連桿絞點(diǎn)，G點(diǎn)為十字頭推桿AB的速度瞬心，H點(diǎn)為連桿CD的速度瞬心。F0為驅(qū)動(dòng)裝置作用在十字頭上的推力，F(xiàn)為動(dòng)模板受模具擠壓的反作用力。

圖4 雙曲肘合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 Motion diagram of double-toggle clamping mechanism of injection molding machine

設(shè)十字頭在驅(qū)動(dòng)裝置作用下以一定速度向前運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系可得到C點(diǎn)速度［見式（1）］。

式中：v1為C點(diǎn)的速度，m/s；v0為十字頭的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

動(dòng)模板的速度按式（2）計(jì)算。

式中：v為動(dòng)模板的速度，m/s。

由虛位移原理可得：F0v0=Fv。

所以動(dòng)模板所受的作用力見式（3）。

由上述分析可得，在合模過程中，動(dòng)模板所受的作用力是一個(gè)逐漸加大的過程，這符合對(duì)合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，而對(duì)于機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的研究，需考慮機(jī)構(gòu)在受力最大時(shí)的狀態(tài)。動(dòng)模板受力最大時(shí)的狀態(tài)是在合模完成時(shí)，在合模將要完成時(shí)，φ接近于0，由式（2）可得，動(dòng)模板的速度也將趨近于0，這可有效地減少?zèng)_擊，同時(shí)動(dòng)模板所受的力將趨于無限大，所以即使十字頭沒有推力傳遞，合模機(jī)構(gòu)也會(huì)處于合模狀態(tài)，此合模機(jī)構(gòu)能夠自鎖。

3 動(dòng)模板和靜模板有限元分析

Ansys是常用的有限元分析軟件，它融合了結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體等學(xué)科，可以與多種CAD軟件形成數(shù)據(jù)共享，按求解步驟可以分為：前處理器、求解處理器、后處理器［8-11］。利用其求解時(shí)，可以用其自帶的模塊建模，也可以用其他軟件建模后導(dǎo)入。本工作是在Solidworks軟件中建立實(shí)體模型，轉(zhuǎn)換成通用格式后導(dǎo)入Ansys中。動(dòng)模板和靜模板的材料為球墨鑄鐵QT 500-7，其屈服強(qiáng)度為320 MPa，抗拉強(qiáng)度為500 MPa，彈性模量為1.7×105MPa，泊松比為0.29。

3.1 靜模板的有限元分析

由于靜模板是左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以可以取1/2進(jìn)行分析，將Solidworks軟件中建立的1/2靜模板模型轉(zhuǎn)換成IGES格式后導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Ansys中的自適應(yīng)精度劃分技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后施加約束及載荷［11-12］。根據(jù)受力分析可得，對(duì)靜模板的底部及與拉桿接觸的4個(gè)孔設(shè)置約束，在固定模具的位置加載3 500 kN的載荷。計(jì)算完成后，在后處理器中可以查看應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。從圖5a可以看出：靜模板的應(yīng)力分布基本均勻，大部分應(yīng)力都不超過60 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達(dá)154 MPa，而此位置主要受的是壓應(yīng)力，所以對(duì)模板的破壞作用很小。從圖5b可以看出：最大變形出現(xiàn)在中心孔位置，變形量達(dá)2.82 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞減擴(kuò)散。綜上分析，靜模板的結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖5 靜模板應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Stress and strain clouds of static templates

3.2 動(dòng)模板的有限元分析

與靜模板的分析類似，根據(jù)受力分析可得，對(duì)動(dòng)模板拉桿接觸的4個(gè)孔設(shè)置約束，在固定模具的位置加載3 500 kN的載荷。計(jì)算完成后，得到動(dòng)模板的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。從圖6a看出：動(dòng)模板的應(yīng)力分布基本均勻，大部分都不超過50 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達(dá)150 MPa，此位置主要受的是壓應(yīng)力，對(duì)模板的破壞作用很小。從圖6b看出：最大變形出現(xiàn)在與拉桿連接的4個(gè)孔位置，變形量達(dá)3.73 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞增擴(kuò)散。綜上分析，動(dòng)模板的結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖6 動(dòng)模板應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Stress and strain clouds of moving templates

4 結(jié)論

a）對(duì)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的受力問題進(jìn)行分析，得到了動(dòng)模板及靜模板的受力分布，并運(yùn)用Ansys有限元仿真軟件，對(duì)動(dòng)模板和靜模板在合模工況下的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行仿真分析，得到了動(dòng)模板和靜模板的應(yīng)力云圖及應(yīng)變?cè)茍D。確定了動(dòng)模板及靜模板上受力及變形的最大區(qū)域，為合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

b）靜模板的最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達(dá)154 MPa，最大應(yīng)變出現(xiàn)在中心孔位置附近，變形量達(dá)2.82 mm；而動(dòng)模板的最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達(dá)150 MPa，最大變形出現(xiàn)在與拉桿連接的4個(gè)孔位置附近，變形量達(dá)3.73 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞增擴(kuò)散。