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注塑機(jī)采用的電動機(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)簡單，但其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對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，開合模過程中，油缸可以擺動。這種合模裝置的油缸小，裝在機(jī)身內(nèi)部，減小機(jī)身長度，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 軟件對該合模裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模、裝配及運(yùn)動仿真，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，且難以滿足精度要求[3]。

對于雙曲肘合模裝置的仿真分析，曾借助過許多不同的軟件，大部分都是對合模裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此針對移模行程為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，對雙曲肘合模裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對裝置中各肘桿長、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)動仿真功能校調(diào)合模裝置，對合模的全過程實(shí)行動態(tài)調(diào)整，如果出現(xiàn)運(yùn)動過程中零部件之間的碰撞現(xiàn)象，則需要對裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行修改；最后針對裝配和運(yùn)動仿真的結(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)的上下對稱結(jié)構(gòu)[4]，如下頁圖3 所示，設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)（見表1）是后肘桿長度L1、前肘桿長度L2、連桿長度L4、大連桿長度L5、斜排角θ、頂角φ、曲肘角α、后肘桿夾角γ、動模板行程Sm、合模油缸行程S0，對于此類參數(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度在實(shí)際應(yīng)用中通常會取整數(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，確保開合模過程的相關(guān)要求，綜合考慮零件的工藝性、剛性等多種性能，建模時(shí)將后肘桿長度L1、大連桿長度L5、小連桿長度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，簡化了設(shè)計(jì)過程，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)際安裝過程，先將設(shè)計(jì)好的零件組裝成四個(gè)部件，為裝配過程便于識別，分別命名為后模板組件、動模板組件、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，并針對各零部件裝配過程中呈現(xiàn)的問題進(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度將影響到后肘桿夾角γ 的變化，使設(shè)計(jì)過程變得復(fù)雜。

2.3 運(yùn)用UG 運(yùn)動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模板支座分別安裝在后模板和移動模板上，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，通常假定十字頭作勻速直線運(yùn)動，依次帶動連桿、后肘桿和前肘桿，使移動模板在機(jī)床導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)合模裝置的開合模動作。運(yùn)動仿真時(shí)要靈活運(yùn)用UG 軟件中運(yùn)動副的設(shè)置，將滑動副和旋轉(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)動仿真中充分地利用嚙合連桿的相關(guān)功能展現(xiàn)出來。

如圖6 所示，以后肘桿為例加以說明。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，開模時(shí)要保證上下連桿和上下前肘桿不會發(fā)生碰撞，十字頭要能很好地伸縮，可以在仿真過程中適當(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，對五孔斜排列雙曲肘合模裝置進(jìn)行運(yùn)動仿真校調(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)對初始設(shè)置的參數(shù)也進(jìn)行了修正。修正后，后肘桿長度L1為230 mm，前肘桿長度L2為290 mm，連桿長度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模狀態(tài)時(shí)，十字頭可以退入后模板中。

圖7 UG 運(yùn)動仿真中雙曲肘合模裝置的開合模狀態(tài)圖

運(yùn)用UG 軟件中的三維建模、裝配和運(yùn)動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)過程變得直觀、簡單，但對初始參數(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)中需要考慮的問題。對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)移動模板開模行程確定后，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)緊湊性相對較好。

3 結(jié)語

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、整體長度越小，就會更好地節(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)，要面對計(jì)算量大，并且很難獲得較好的優(yōu)化結(jié)果的問題。運(yùn)用UG 軟件加以輔助，可以對初始設(shè)置的參數(shù)加以驗(yàn)證，并對不同目標(biāo)值的組合進(jìn)行優(yōu)化對比，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)動學(xué)仿真，直至對重要零件的力學(xué)性能分析全過程變得更加直觀簡單。