曲肘合模機構(gòu)動模板的有限元分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

  摘要：注塑/模具安裝區(qū)的變形和鎖模力的分布是影響注塑模具整體性能的重要影響因素， 在研究傳統(tǒng)注塑機模板結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了動模板鎖模時的受力和變形情況的分析；提出了一種新型的動模板結(jié)構(gòu)改進方案，通過有限元方法驗證了結(jié)構(gòu)改進方案的有效性。改進方案在企業(yè)中的應(yīng)用，進一步的驗證了模板結(jié)構(gòu)改進方案的可行性和實用性。

    關(guān)鍵詞：注塑模具； 動模板； 有限元分析； 結(jié)構(gòu)改進。

    0引言 

    注塑機/作為塑料成型加工中的主要加工設(shè)備，在塑料成型加工過程中占有重要的位置，注塑機由注塑、合模、傳動以及電氣控制等幾部分組成，而合模部分作為注塑機的重要部件之一，其功能是實現(xiàn)啟閉運動，使模具閉合產(chǎn)生系統(tǒng)彈性變性達到鎖模力，將模具鎖緊，鎖模機構(gòu)的性能好壞直接影響注甥制品的成型質(zhì)量。

    本文在分析了某企業(yè)雙曲肘合模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點在大型通用有限元軟件上建立有效的有限元模型，實現(xiàn)了對動模板在鎖模過程中的應(yīng)力和變形的分析，并提出了一種全新的設(shè)計思想，通過對現(xiàn)有的動模板結(jié)構(gòu)的修改優(yōu)化，實現(xiàn)動模板模具安裝面上變形減小并使受力變形分布更加均勻，以提高注塑成型加工質(zhì)量和模具的保護。

    1 新設(shè)計思路的提出

    在傳統(tǒng)的注塑機合模機構(gòu)的設(shè)計中，主要考慮的是其在不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的情況下，產(chǎn)生的鎖模力是否能達到設(shè)計的鎖模力。但在鎖模力滿足設(shè)計要求時，如果鎖模力在模具上分布不均的話，又同時會導(dǎo)致實際成型加工過程中產(chǎn)品出現(xiàn)毛邊等缺陷，同時由于加工注塑模具其價格的昂貴性，有時候町能一套注塑模具的價格往往還高于注塑機，而模具在加工過程中是安裝在合模機構(gòu)上的，特別是對于中大噸位的注徊機，其鎖模力都非常大，而動模板通過曲肘傳遞過來的鎖模力是*個承載體，它結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接決定了模具在合模中的受力和變形情況。能否使注塑加工中模具上的鎖模力均勻分布和達到保護模具的目的也就直接取決于它。

    所以，傳統(tǒng)的考慮是在合模過程中保證合模機構(gòu)不發(fā)生失效的設(shè)計思想已經(jīng)不適應(yīng)當代的設(shè)計趨勢了，在目前情況下，提出在保證合模機構(gòu)不失效的情況下，如何更好地保護模具以及如何實現(xiàn)鎖模時鎖模力更集中并且均勻分布是具有現(xiàn)實和積極的意義。
要想達到鎖模力在模具/上的均勻分布和保護模具的設(shè)計目的，首先我們必須分析和了解動模板在鎖模中所受力以及變形的情況，而傳統(tǒng)的理論計算無法從全局上直觀地了解整個動模板的受力與變形情況，所以我們在這里使用了大型通用有限元軟件，通過建立合理的有限元模型，來達到上述目的，并利用其方便、完善的后處理，來更好地分析和改進設(shè)計。

    2有限元模型的建立

    2．1三維實體模型的建立

    本文通過強大的Unigraphic Nx三維實體設(shè)計軟件來實現(xiàn)動模板的三維實體模型的建立，為下一步導(dǎo)入MSC．PATRAN中進行有限元模型的建立和前處理奠定基礎(chǔ)。UG軟件具有豐富的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，可簡便快速轉(zhuǎn)換成MSC．PATRAN所接受的parasolid格式文件，實現(xiàn)模刑數(shù)據(jù)信息的無縫轉(zhuǎn)換，為下一步有限元模型的建直和分析帶來便利條件。zui后動模板的三
維實體模型如圖l所示。

    2．2邊界條件與受力情況的分析

    由于注塑機在注塑加工不同大小的注塑件時，鎖模力是不同的，本文考慮的是HTHl60機犁在zui大鎖模力下的動模板下的受力及變形情況，如果注塑機在zui大鎖模力情況下的變形能達到設(shè)計要求的話，那么在一般情況下更是沒有問題了。在鎖模過程中由于模板都是靜止的，所以整個動模板只受到從曲肘上傳遞過來的合模方向的力的作用。

    考慮到不同大小的注塑模具的安裝對于動模板邊界條件的影響，將模具的安裝位置取一個經(jīng)驗的平均值，同時為了口T以實現(xiàn)合理的邊界條件的施加，在實體建模時就在動模板的模具安裝面上設(shè)計了一個取經(jīng)驗平均值的厚度為lmm凸臺，在這個面七約束X方向移動和y、z方向旋轉(zhuǎn)的運動剮來模擬動模板鎖模時模具安裝而約束情況，這樣既口『以順利的完成邊界條件的設(shè)置，又可以不影響實際動模板的結(jié)構(gòu)以及有限元分析的精度。

    同時由于動模板通過4個圓柱導(dǎo)孔與拉桿相連，讓動模板在拉桿上往復(fù)運動，所以在設(shè)置動模板的約束條件的時候，我們考慮到實際拉桿主要承受的托應(yīng)力和軸向變形，彎曲變形一般都非常地小，所以我們可以假設(shè)拉桿是不彎曲的。在考慮動模板與拉桿的約束的時候，可以在動模板與拉桿配合的面上約束除X方向的移動與Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)的運動副。
完成上述步驟后再經(jīng)過合理的網(wǎng)格劃分和材料的性能參數(shù)的賦予就可以提交有限元計算。

    2．3有限元分析的結(jié)果

    通過使用patran調(diào)用nastran的計算結(jié)果可方便地進行后處理，可以清楚直觀地顯示m關(guān)于整個動模板應(yīng)力和變形云圖，動模板的應(yīng)力和變形分布云圖如圖2所示．

    可以看到整個動模板特別是在模具的安裝面的變形不是特別大，變形主要集中在傳遞力的曲肘銷軸連接處以及曲肘與模具安裝面連接處，而大的應(yīng)力也主要分布在這兩個地方，從模具安裝面的應(yīng)力分布云圖來看，藍色的應(yīng)力分布區(qū)還是不太均勻，某些局部還有些尖銳，而且在模具安裝區(qū)域（建立模型時我們設(shè)定了一個正方形的模具安裝區(qū)域）的四個角點的三個節(jié)點區(qū)域的應(yīng)力分布還是比較一致，但是左下角的那個的應(yīng)力和其余三個相差還是比較大，同時有兩處地方由于處于曲肘力傳遞到模具的重要受力區(qū)域，從這兩處的應(yīng)力云圖來看，其中還有砦地方不連續(xù)。從t-．述及各方面來講可以知道動模板在鎖模時，動模板的模具安裝區(qū)域的應(yīng)力分布不夠均勻，而且鎖模力沒能很好地集中在模具安裝區(qū)域，這很可能就導(dǎo)致注塑產(chǎn)品出現(xiàn)毛邊等缺陷，影響產(chǎn)品的成犁質(zhì)量。從變形云圖2b）上看，靠近模具安裝區(qū)的地方變形很小，大概只有0．5ram。

    2．4動模板結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進 

    通過lz述的分析結(jié)果，再結(jié)合前面的所提出的從保護模具和實現(xiàn)鎖模時模具安裝區(qū)的應(yīng)力分布均勻的設(shè)計目標?？紤]到曲肘是整個鎖模力傳遞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，而且曲肘把力傳遞給模板時，曲肘與模板的連接的局部結(jié)構(gòu)直接影響著模板的變形和整個力的傳遞，所以在改進設(shè)計中著重考慮曲肘與模板連接處的結(jié)構(gòu)的改進，來實現(xiàn)應(yīng)力在模具安裝區(qū)的均勻分布和模具安裝區(qū)變形的減少，從而達到保護模具和提高注塑成型的質(zhì)量。

    原來的結(jié)構(gòu)受鎖模力導(dǎo)致模板直接受力彎曲，模板安裝面處由于彎曲導(dǎo)致模具與模具安裝面接觸面積減少，從而使鎖模時模具受力不均，惡化了模具的受力狀況。

    通過分析，提出了局部結(jié)構(gòu)的改進方案，改進后的動模板的應(yīng)力和變形簡圖如圖3b）所示。通過圖lb）所示的改進后的模板三維實體模型町知，曲肘受力后，由于曲肘與模板的連接處剛性比模板的差，曲肘根部首先彎曲變形，先消耗部分的應(yīng)變能，從而使后續(xù)模板的變形減少；同時由于根部變形后曲肘會相應(yīng)地向內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以使作用曲肘上的力對與模板安裝面的彎矩減小，并且使曲肘的力能更集中地傳遞到模板中央，從而實現(xiàn)模具安裝區(qū)內(nèi)應(yīng)力的均勻分布和變形的減少。

    3 改進后的有限元分析結(jié)果

    我們從圖3a）應(yīng)力分布云圖上看可以明顯地發(fā)現(xiàn)，模具安裝面上應(yīng)力分布比改進前要均勻，而且前面所述的角點的應(yīng)力分布差異和模具重要承力處應(yīng)力大小的不一致性的問題得到了改善；再從改進后的模具安裝區(qū)的變形云圖上看，原先zui大處的變形值由0．5ram減少到了0．4mm． 

    綜上所述，可以認為改進后的動模板的結(jié)構(gòu)從減少模具安裝區(qū)域變形量和達到模具安裝區(qū)的鎖模力的集中和均勻分布這兩個設(shè)計目標上來說，已有了明顯的改進，說明了這種改進后的模板結(jié)構(gòu)的合理性。

    4 結(jié)語

    本文在傳統(tǒng)的注塑機模板結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了以減少模具安裝區(qū)的變形和鎖模力的均勻分布的新的設(shè)計理念，在MSC．patran／nastran大型通用有限元軟件上實現(xiàn)動模板鎖模時的受力和變形情況的分析，同時提出了新的結(jié)構(gòu)改進方案，并在有限元分析中驗證了結(jié)構(gòu)改進方案的有效性。新的動模板結(jié)構(gòu)有效地實現(xiàn)了模具安裝區(qū)應(yīng)力的均勻分布，可以有效地改善注塑產(chǎn)品的毛邊的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的成型質(zhì)量，同時也實現(xiàn)模具安裝區(qū)域內(nèi)的變形的減少，可以進一步地改善模具的受力狀況，達到保護模具的作用。