王佳赟1 李國平1 柳 麗1
陳星欣2 林仁友2 婁軍強1
1． 寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211
2． 海天塑機集團有限公司 浙江寧波 315801
摘 要: 動模板是二板式注塑機合模機構(gòu)注塑過程中的核心運動部件，動模板在鎖模力作用下的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)直接決定了注塑成型精度，其疲勞可靠性是注塑機整機設(shè)計和工作狀態(tài)評估的核心指標。在二板式注塑機鎖模狀態(tài)下，對動模板進行應(yīng)力分析，確認動模板中心及拉桿接觸處存在顯著應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大變形位于中心孔附近。在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對動模板的高周疲勞壽命和可靠性進行分析，結(jié)果表明動模板的高周疲勞壽命超過了自身的工作壽命。繪制動模板疲勞敏感性曲線，確認安全因數(shù)最小處和應(yīng)力最大處一致。所做分析為動模板的設(shè)計和評估提供了技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞: 注塑機 動模板 應(yīng)力 疲勞 分析
1 分析背景
隨著塑料行業(yè)的興起，市場對于塑料產(chǎn)品的需求與日俱增，對塑料產(chǎn)品質(zhì)量和多樣性等的要求也越來越高。當前，注塑設(shè)備升級更新越來越快，節(jié)能、精密、高效是加工制造業(yè)的必要準則，也是注塑機更新?lián)Q代的必然要求。隨著液壓、電氣控制技術(shù)的發(fā)展和完善，二板式注塑機應(yīng)運而生。相較于傳統(tǒng)三板式注塑機，二板式注塑機具有較多優(yōu)點［1］。二板式注塑機舍棄了第三模板，采用動模板與定模板相結(jié)合的方式，將鎖模力直接作用在固定模具的兩塊模板上，節(jié)約了大量空間和成本，減輕了鎖模系統(tǒng)的質(zhì)量，減小了開模時的沖擊，并且在合模力調(diào)整方面也更加快捷方便[2 - 3]?
二板式注塑機主要由注塑系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)四大部分組成。合模裝置是注塑機的重要部件之一，是實現(xiàn)啟閉運動并產(chǎn)生鎖模力的部件，將模具鎖緊，以保證注塑成型［4］。長期以來，眾多設(shè)計者都在對注塑機的各個部分進行設(shè)計優(yōu)化，在確保注塑機性能的同時，使注塑機更加高效地工作。高世權(quán)等［5］分析了二板式注塑機合模系統(tǒng)中各部件的剛性，為合模機構(gòu)的設(shè)計提供了方向。王建等［6］對二板式注塑機活塞桿等關(guān)鍵組件進行了仿真分析，在此基礎(chǔ)上對活塞桿的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。姜杰鳳等［7］對二板式注塑機的鎖模機構(gòu)進行了仿真分析，得到了模板的應(yīng)力分布和拉桿的變形數(shù)據(jù)。李鵬等［8］對注塑機動模板在工作狀態(tài)下的振動特性進行了測試。張小紅［9］對動模板本體進行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。李明輝等［10］采用優(yōu)化算法，對動模板的尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。黃漢東［11］采用有限元軟件對動模板進行了拓撲優(yōu)化，減輕了模板的質(zhì)量，使模板的設(shè)計更加合理。筆者采用有限元仿真軟件對二板式注塑機動模板進行仿真模擬，得到動模板在實際工況載荷作用下的內(nèi)部情況，了解動模板的疲勞狀態(tài)和疲勞壽命，可以為動模板的優(yōu)化設(shè)計和質(zhì)量評估提供參考。
2 合模機構(gòu)結(jié)構(gòu)
二板式注塑機的合模機構(gòu)主要由定模板、動模板、鎖模油缸、液壓開合模機構(gòu)、拉桿、抱閘機構(gòu)等部件組成，與傳統(tǒng)三板式注塑機的合模機構(gòu)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工制造方便、工作性能穩(wěn)定可靠等特點。
二板式注塑機合模機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。合模機構(gòu)在工作時，動模板由移模油缸和液壓開合模機構(gòu)同時驅(qū)動，沿拉桿方向向模具移動，并固定。隨后，鎖模油缸作用，提供鎖模力，使動模板、模具與定模板實現(xiàn)鎖模，完成整個合模動作［12］。二板式注塑機合模機構(gòu)的運動和動力特性較為合理，應(yīng)用各種傳感器、微控制技術(shù)，同時應(yīng)用液壓系統(tǒng)，使合模機構(gòu)在精度方面更加準確。
3 動模板應(yīng)力、變形分析
以浙江某注塑機企業(yè)160 kN合模力二板式注塑機為研究對象，應(yīng)用ANSYS Workbench 有限元軟件的靜力學(xué)組件對合模機構(gòu)中的動模板進行分析。在實際工況下，合模機構(gòu)中的其它組件對動模板應(yīng)力的影響較大。為了克服這一缺點，采用裝配體整體仿真，引入簡化的拉桿和抱閘機構(gòu)，在SolidWorks建模軟件中對動模板進行裝配，并簡化螺孔、小凹槽、圓角等特征。動模板裝配體模型如圖2所示。
將二板式注塑機動模板及其裝配體組件的材料屬性導(dǎo)入ANSYS有限元軟件材料庫，具體見表1。
對動模板裝配體組件進行網(wǎng)格劃分，對拉桿、抱閘機構(gòu)處的網(wǎng)格簡單劃分，并細化動模板本體網(wǎng)格，得到單元總數(shù)為415668，節(jié)點總數(shù)為880600。二板式注塑機動模板裝配體網(wǎng)格劃分如圖3所示。
在動模板裝配體各組件添加接觸過程中，拉桿對動模板有導(dǎo)向作用，可以產(chǎn)生相對滑動。根據(jù)實際工況，在鎖模時動模板相對于底部固定。為拉桿兩端添加固定約束，動模板中心截面受到垂直模板面的鎖模力作用。
通過ANSYS有限元軟件仿真計算，得到動模板變形云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，動模板中心孔附近的變形較大，應(yīng)力較為集中，最大變形為0. 4 mm。應(yīng)力最大處位于拉桿孔周圍靠近中心孔的一側(cè)，拉桿孔周圍最大應(yīng)力為84. 3 MPa，中心孔周圍應(yīng)力約為60 MPa。通過對比確認，有限元仿真結(jié)果與實際工況相近，可以反映動模板真實的受力情況。
4 動模板疲勞分析
動模板在工作時進行往復(fù)運動，在鎖模時承受較大的鎖模力，應(yīng)力和變形較大。對動模板進行疲勞分析有助于估算動模板的壽命，對生產(chǎn)安全和設(shè)計優(yōu)化都有較大幫助。選用疲勞分析工具，在靜力學(xué)基礎(chǔ)上對動模板進行疲勞分析。
結(jié)構(gòu)失效的一個主要因素是疲勞，重復(fù)加載會造成疲勞破壞。疲勞一般分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞由高次數(shù)的載荷加載產(chǎn)生，高周疲勞應(yīng)力通常小于材料的屈服極限，應(yīng)力疲勞屬于高周疲勞。低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)較低時發(fā)生的疲勞，常常伴隨塑性變形，應(yīng)變疲勞屬于低周疲勞［13］。由仿真結(jié)果可知，動模板的最大應(yīng)力為 84. 3 MPa，動模板在加載時的應(yīng)力遠小于材料的屈服極限。在重復(fù)工作時，動模板僅受到一個單向加載，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較大，因此，動模板的疲勞為高周疲勞。建立二板式注塑機動模板疲勞模型分析流程，如圖 6所示。
在ANSYS有限元軟件的材料庫中添加動模板材料QT500－7球墨鑄鐵的應(yīng)力壽命曲線，應(yīng)力壽命曲線是材料所受交變應(yīng)力和斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。應(yīng)力壽命曲線表示材料的抗疲勞能力，壽命趨近于無窮大時，對于應(yīng)力范圍稱為材料的疲勞極限，由應(yīng)力壽命曲線確定的對應(yīng)壽命的應(yīng)力范圍，稱為壽命的N次循環(huán)疲勞強度［14］。動模板材料QT500－7球墨鑄鐵的應(yīng)力壽命曲線經(jīng)驗方程為:
S8．25N = 7. 48 × 1024 ( 1)
式中: S為應(yīng)力; N為壽命。
在ANSYS有限元軟件材料庫中應(yīng)用采點法對式 ( 1) 進行擬合，分別取循環(huán)次數(shù)1、10、1000、……、108。 采點擬合后材料QT500－7球墨鑄鐵的應(yīng)力壽命曲線如圖7所示，為便于觀察，將縱橫坐標取為對數(shù)。
在ANSYS有限元軟件中輸入受載情況，動模板在工作時進行往復(fù)運動，僅受到單向鎖模力加載，得到單向加載的循環(huán)載荷，如圖8所示。材料的平均應(yīng)力會影響應(yīng)力壽命曲線疲勞仿真的結(jié)果，采用ANSYS有限元軟件疲勞組件中的古德曼法對動模板平均應(yīng)力進行修正。
計算得到二板式注塑機動模板疲勞壽命云圖、疲勞安全因數(shù)云圖、疲勞敏感度曲線，依次如圖9、圖10、 圖11所示。
注塑機生產(chǎn)工作依賴于模板開合，持續(xù)生產(chǎn)工作量大，估算注塑機完整工作一個周期所需要的時間為30 ~ 60 s。預(yù)估1 d工作12 h，累計工作20 a，估算工作壽命超過107次。由圖9可知，在額定加載下，動模板所有位置最大壽命均為108次。由此可見，在加載情況下，動模板工作壽命小于最大壽命，不容易發(fā)生疲勞破壞。
疲勞安全因數(shù)表示在給定設(shè)計壽命下的失效因數(shù)，為失效應(yīng)力和設(shè)計應(yīng)力的比值。由圖10 可知，拉桿孔周圍遠離中心孔一側(cè)動模板疲勞安全因數(shù)最小，約為2.2 。中心孔位置疲勞安全因數(shù)約為3。當疲勞安全因數(shù)大于1時，表示材料在設(shè)計壽命下不會失效。拉桿孔周圍疲勞安全因數(shù)相對偏小，在過載情況下，受到應(yīng)力較大，有疲勞破壞的可能。其它位置安全因數(shù)均大于5，不會發(fā)生疲勞破壞。
疲勞敏感度曲線表明部件的壽命、損傷、疲勞安全因數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化。動模板工作循環(huán)次數(shù)設(shè)計為108次，加載至工作額定載荷約125%時，動模板的壽命小于108 次。之后隨著載荷增大，動模板的壽命大幅縮短，直至最小壽命為62788次循環(huán)，對應(yīng)250% 額定載荷。
5 結(jié)束語
筆者應(yīng)用有限元法，得到了二板式注塑機動模板在鎖模力作用下的應(yīng)力分布和變形情況，并使用疲勞分析工具，對同等載荷作用下動模板的高周疲勞壽命進行了分析。結(jié)果表明，應(yīng)力集中位置為動模板加載處中心位置，以及拉桿接觸處遠離動模板中心孔一側(cè)。模板中心孔變形較大，結(jié)果和實際工況相近。動模板在額定加載和設(shè)計壽命下，不容易發(fā)生疲勞破壞，但動模板和拉桿接觸處疲勞安全因數(shù)相對較小，有安全隱患。根據(jù)相關(guān)結(jié)果在后續(xù)設(shè)計或優(yōu)化中，需要充分考慮動模板應(yīng)力較大和疲勞安全因數(shù)較小的位置，并注意防止超載工作。筆者的分析結(jié)果為動模板后續(xù)的設(shè)計和評估提供了參考。
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