王佳赟1 李國(guó)平1 柳 麗1
陳星欣2 林仁友2 婁軍強(qiáng)1
1． 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211
2． 海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司 浙江寧波 315801
摘 要: 動(dòng)模板是二板式注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)注塑過程中的核心運(yùn)動(dòng)部件，動(dòng)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(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)和工作狀態(tài)評(píng)估的核心指標(biāo)。在二板式注塑機(jī)鎖模狀態(tài)下，對(duì)動(dòng)模板進(jìn)行應(yīng)力分析，確認(rèn)動(dòng)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(duì)動(dòng)模板的高周疲勞壽命和可靠性進(jìn)行分析，結(jié)果表明動(dòng)模板的高周疲勞壽命超過了自身的工作壽命。繪制動(dòng)模板疲勞敏感性曲線，確認(rèn)安全因數(shù)最小處和應(yīng)力最大處一致。所做分析為動(dòng)模板的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供了技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞: 注塑機(jī) 動(dòng)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(chǎng)對(duì)于塑料產(chǎn)品的需求與日俱增，對(duì)塑料產(chǎn)品質(zhì)量和多樣性等的要求也越來越高。當(dāng)前，注塑設(shè)備升級(jí)更新越來越快，節(jié)能、精密、高效是加工制造業(yè)的必要準(zhǔn)則，也是注塑機(jī)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(jī)應(yīng)運(yùn)而生。相較于傳統(tǒng)三板式注塑機(jī)，二板式注塑機(jī)具有較多優(yōu)點(diǎn)［1］。二板式注塑機(jī)舍棄了第三模板，采用動(dòng)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(shí)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(jī)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(jī)的重要部件之一，是實(shí)現(xiàn)啟閉運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生鎖模力的部件，將模具鎖緊，以保證注塑成型［4］。長(zhǎng)期以來，眾多設(shè)計(jì)者都在對(duì)注塑機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在確保注塑機(jī)性能的同時(shí)，使注塑機(jī)更加高效地工作。高世權(quán)等［5］分析了二板式注塑機(jī)合模系統(tǒng)中各部件的剛性，為合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了方向。王建等［6］對(duì)二板式注塑機(jī)活塞桿等關(guān)鍵組件進(jìn)行了仿真分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)活塞桿的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。姜杰鳳等［7］對(duì)二板式注塑機(jī)的鎖模機(jī)構(gòu)進(jìn)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(duì)注塑機(jī)動(dòng)模板在工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試。張小紅［9］對(duì)動(dòng)模板本體進(jìn)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(duì)動(dòng)模板的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。黃漢東［11］采用有限元軟件對(duì)動(dòng)模板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，減輕了模板的質(zhì)量，使模板的設(shè)計(jì)更加合理。筆者采用有限元仿真軟件對(duì)二板式注塑機(jī)動(dòng)模板進(jìn)行仿真模擬，得到動(dòng)模板在實(shí)際工況載荷作用下的內(nèi)部情況，了解動(dòng)模板的疲勞狀態(tài)和疲勞壽命，可以為動(dòng)模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估提供參考。
2 合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
二板式注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)主要由定模板、動(dòng)模板、鎖模油缸、液壓開合模機(jī)構(gòu)、拉桿、抱閘機(jī)構(gòu)等部件組成，與傳統(tǒng)三板式注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、加工制造方便、工作性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。
二板式注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。合模機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，動(dòng)模板由移模油缸和液壓開合模機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，沿拉桿方向向模具移動(dòng)，并固定。隨后，鎖模油缸作用，提供鎖模力，使動(dòng)模板、模具與定模板實(shí)現(xiàn)鎖模，完成整個(gè)合模動(dòng)作［12］。二板式注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性較為合理，應(yīng)用各種傳感器、微控制技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用液壓系統(tǒng)，使合模機(jī)構(gòu)在精度方面更加準(zhǔn)確。
3 動(dòng)模板應(yīng)力、變形分析
以浙江某注塑機(jī)企業(yè)160 kN合模力二板式注塑機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS Workbench 有限元軟件的靜力學(xué)組件對(duì)合模機(jī)構(gòu)中的動(dòng)模板進(jìn)行分析。在實(shí)際工況下，合模機(jī)構(gòu)中的其它組件對(duì)動(dòng)模板應(yīng)力的影響較大。為了克服這一缺點(diǎn)，采用裝配體整體仿真，引入簡(jiǎn)化的拉桿和抱閘機(jī)構(gòu)，在SolidWorks建模軟件中對(duì)動(dòng)模板進(jìn)行裝配，并簡(jiǎn)化螺孔、小凹槽、圓角等特征。動(dòng)模板裝配體模型如圖2所示。
將二板式注塑機(jī)動(dòng)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(kù)，具體見表1。
對(duì)動(dòng)模板裝配體組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)拉桿、抱閘機(jī)構(gòu)處的網(wǎng)格簡(jiǎn)單劃分，并細(xì)化動(dòng)模板本體網(wǎng)格，得到單元總數(shù)為415668，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為880600。二板式注塑機(jī)動(dòng)模板裝配體網(wǎng)格劃分如圖3所示。
在動(dòng)模板裝配體各組件添加接觸過程中，拉桿對(duì)動(dòng)模板有導(dǎo)向作用，可以產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工況，在鎖模時(shí)動(dòng)模板相對(duì)于底部固定。為拉桿兩端添加固定約束，動(dòng)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(jì)算，得到動(dòng)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(dòng)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(duì)比確認(rèn)，有限元仿真結(jié)果與實(shí)際工況相近，可以反映動(dòng)模板真實(shí)的受力情況。
4 動(dòng)模板疲勞分析
動(dòng)模板在工作時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在鎖模時(shí)承受較大的鎖模力，應(yīng)力和變形較大。對(duì)動(dòng)模板進(jìn)行疲勞分析有助于估算動(dòng)模板的壽命，對(duì)生產(chǎn)安全和設(shè)計(jì)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(duì)動(dòng)模板進(jìn)行疲勞分析。
結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)主要因素是疲勞，重復(fù)加載會(huì)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(shí)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(dòng)模板的最大應(yīng)力為 84. 3 MPa，動(dòng)模板在加載時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。在重復(fù)工作時(shí)，動(dòng)模板僅受到一個(gè)單向加載，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較大，因此，動(dòng)模板的疲勞為高周疲勞。建立二板式注塑機(jī)動(dòng)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(kù)中添加動(dòng)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(shí)，對(duì)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(duì)應(yīng)壽命的應(yīng)力范圍，稱為壽命的N次循環(huán)疲勞強(qiáng)度［14］。動(dòng)模板材料QT500－7球墨鑄鐵的應(yīng)力壽命曲線經(jīng)驗(yàn)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(kù)中應(yīng)用采點(diǎn)法對(duì)式 ( 1) 進(jìn)行擬合，分別取循環(huán)次數(shù)1、10、1000、……、108。 采點(diǎn)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(biāo)取為對(duì)數(shù)。
在ANSYS有限元軟件中輸入受載情況，動(dòng)模板在工作時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(huì)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(duì)動(dòng)模板平均應(yīng)力進(jìn)行修正。
計(jì)算得到二板式注塑機(jī)動(dòng)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(jī)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(jī)完整工作一個(gè)周期所需要的時(shí)間為30 ~ 60 s。預(yù)估1 d工作12 h，累計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jì)壽命下的失效因數(shù)，為失效應(yīng)力和設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值。由圖10 可知，拉桿孔周圍遠(yuǎn)離中心孔一側(cè)動(dòng)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(dāng)疲勞安全因數(shù)大于1時(shí)，表示材料在設(shè)計(jì)壽命下不會(huì)失效。拉桿孔周圍疲勞安全因數(shù)相對(duì)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(huì)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(dòng)模板工作循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)為108次，加載至工作額定載荷約125%時(shí)，動(dòng)模板的壽命小于108 次。之后隨著載荷增大，動(dòng)模板的壽命大幅縮短，直至最小壽命為62788次循環(huán)，對(duì)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(jī)動(dòng)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(duì)同等載荷作用下動(dòng)模板的高周疲勞壽命進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，應(yīng)力集中位置為動(dòng)模板加載處中心位置，以及拉桿接觸處遠(yuǎn)離動(dòng)模板中心孔一側(cè)。模板中心孔變形較大，結(jié)果和實(shí)際工況相近。動(dòng)模板在額定加載和設(shè)計(jì)壽命下，不容易發(fā)生疲勞破壞，但動(dòng)模板和拉桿接觸處疲勞安全因數(shù)相對(duì)較小，有安全隱患。根據(jù)相關(guān)結(jié)果在后續(xù)設(shè)計(jì)或優(yōu)化中，需要充分考慮動(dòng)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(dòng)模板后續(xù)的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供了參考。
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