注射合模機(jī)立柱應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李佳玥 錢(qián)才富 段若 朱大韶 陳劍波

摘要：

針對(duì)某注射合模機(jī)立柱螺紋根部開(kāi)裂問(wèn)題，采用ANSYS Workbench建立單根立柱有限元模型，對(duì)某三梁四柱式注射合模機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到立柱與螺母嚙合處的應(yīng)力大小和分布。在軸向載荷作用下，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在立柱與螺母嚙合的第一個(gè)螺紋處，其中軸向應(yīng)力分量最大；若在立柱與螺母嚙合的第一個(gè)螺紋處進(jìn)行圓弧過(guò)渡，可有效降低應(yīng)力集中；與無(wú)圓弧半徑比較，當(dāng)過(guò)渡圓弧半徑r=7 mm時(shí)，最大von Mises等效應(yīng)力下降46%。

關(guān)鍵詞：

注射合模機(jī)； 立柱； 應(yīng)力； 有限元

中圖分類(lèi)號(hào)： TG76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Stress analysis and structure improvement on

column of injection molding machine

LI Jiayue1， QIAN Caifu1， DUAN Ruo1， ZHU Dashao2， CHEN Jianbo2

（1. Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China；

2. Yuyao Huatai Rubber Machinery Co.， Ltd.， Yuyao 315400， Zhejiang， China）

Abstract：

As to the issue that the column of injection molding machine broke at the screw thread root， ANSYS Workbench is used to build a finite element model of single column， and the strength of a threebeams and fourcolumns injection molding machine is analyzed. The stress intensity and distribution on the

coupling zone of the column and screw are obtained. It is found that， under the action of axial forces， peak stresse occurs at the first screw of the column， and the axial stress is the maximum one； the stress concentration would efficiently decreased with a transition arc made at the first screw； when the radius of transition arc is 7 mm， the maximum von Mises equivalent stress reduces 46% compared with that without a transition arc.

Key words：

injection molding machine； column； stress； finite element

0 引 言

注射合模機(jī)是橡膠注射成型的核心設(shè)備，工作時(shí)機(jī)身承受不均勻的合模載荷。工程實(shí)踐表明，注射合模機(jī)的主要失效形式為立柱與螺母接觸螺紋所在截面發(fā)生疲勞斷裂，這種破壞形式與軸力在嚙合螺紋上產(chǎn)生的應(yīng)力大小和分布密切相關(guān)，也與立柱螺紋尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。[1]目前，很多學(xué)者對(duì)螺栓連接件強(qiáng)化工藝進(jìn)行大量研究，得到強(qiáng)化加工的方法以及強(qiáng)化參數(shù)與疲勞壽命的相關(guān)規(guī)律，并制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。[2]在航空工業(yè)領(lǐng)域，立柱和螺母上的螺紋采用冷鐓加工。[3]為加強(qiáng)螺紋根部的強(qiáng)度，改善螺紋上載荷分布不均的現(xiàn)象，在加工過(guò)程中對(duì)螺紋部分進(jìn)行噴丸處理，或經(jīng)過(guò)熱處理后將螺紋滾壓成型，加強(qiáng)螺紋根部殘余壓縮應(yīng)力以提高抗疲勞強(qiáng)度，改善設(shè)備的使用壽命。[45]研究表明：螺紋底部圓弧半徑的大小直接影響其抗疲勞強(qiáng)度性能[6]，圓弧半徑較大的螺栓抗疲勞性能明顯高于圓弧半徑較小的螺栓。

針對(duì)某注射合模機(jī)立柱螺紋根部疲勞斷裂的問(wèn)題，采用ANSYS Workbench對(duì)注射合模機(jī)進(jìn)行整體分析，建立單根立柱有限元模型，得到立柱螺紋上的應(yīng)力大小和分布，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。

1 注射合模機(jī)整機(jī)應(yīng)力分析

注射合模機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立整機(jī)模型時(shí)，若將4根立柱和螺母的螺紋全部建模分析，因涉及接觸非線性問(wèn)題，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，故收斂難度較大。因此，在整機(jī)分析時(shí)，不考慮立柱和螺母上的螺紋，將立柱與螺母連成一體，先重點(diǎn)分析立柱中間部位的受力，然后再分析單根立柱，模擬立柱和螺母上的螺紋并相互接觸。立柱另一端的受力取自前面的整體分析，單根立柱分析關(guān)注的重點(diǎn)為立柱與螺母接觸處螺紋上的應(yīng)力。在設(shè)定合模力作用下進(jìn)行注射合模機(jī)整機(jī)分析，得到的整機(jī)von Mises等效應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖1。由于未考慮螺紋，立柱與螺母連接處的應(yīng)力是不真實(shí)的，但立柱中部的受力是真實(shí)的，軸向力大小為750 kN、彎矩為6.58×105 N·mm。

2 單根立柱有限元分析

2.1 有限元模型

單根立柱幾何模型見(jiàn)圖2，包括立柱和螺母，其中立柱上部帶有螺紋。螺紋端考察2種連接結(jié)構(gòu)形式：一種是螺柱上螺紋與光桿無(wú)圓弧過(guò)渡，也就是常見(jiàn)的過(guò)渡；另一種是在立柱與螺母嚙合的第一個(gè)螺紋位置設(shè)計(jì)圓弧過(guò)渡形式，圓弧半徑為r（見(jiàn)圖3）。為正常劃分網(wǎng)格并保證網(wǎng)格質(zhì)量，將模型中的螺紋簡(jiǎn)化為等間距同心圓，這種簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致前幾圈螺紋受力較大，偏于保守。

采用SOLID186實(shí)體單元對(duì)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y和z等3個(gè)方向的平移自由度，單元具有塑形、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變等特征。立柱和螺母的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 邊界條件和載荷的施加

有限元模型中的約束和載荷必須符合實(shí)際情況。單根立柱有限元載荷和約束見(jiàn)圖4。在立柱中間截面上施加750 kN的軸向力和6.58×105 N·mm的彎矩。在螺母下端面施加軸向和周向移動(dòng)約束，并保持徑向移動(dòng)自由（見(jiàn)圖5）。立柱與螺母螺紋間采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.15。

2.3 立柱應(yīng)力分布

計(jì)算立柱應(yīng)力可反映其抗疲勞斷裂能力。由于疲勞裂紋通常出現(xiàn)在最大拉應(yīng)力處，因此觀察立柱上各向最大拉應(yīng)力，同時(shí)計(jì)算最大von Mises等效應(yīng)力。螺紋根部無(wú)圓弧過(guò)渡的立柱螺紋處von Mises等效應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6，不同半徑圓弧過(guò)渡的立柱螺紋處von Mises等效應(yīng)力分布見(jiàn)圖7～13，立柱

上的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在第一個(gè)螺紋根部。

2.4 圓弧過(guò)渡半徑的影響

不同圓弧過(guò)渡半徑立柱上的最大von Mises等效應(yīng)力和最大三向拉應(yīng)力見(jiàn)表2。由此可知，隨著螺紋根部過(guò)渡圓弧半徑的增大，最大von Mises等效應(yīng)力減小，當(dāng)r=7 mm時(shí)，最大von Mises等效應(yīng)力僅為無(wú)過(guò)渡圓弧值的54%。在r>5 mm后，最大von Mises等效應(yīng)力減小的趨勢(shì)明顯變緩，說(shuō)明過(guò)渡圓弧有助于降低第一個(gè)螺紋處的最大應(yīng)力，但效果有限。

3 結(jié) 論

對(duì)某注射合模機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）在進(jìn)行合理假設(shè)后，對(duì)注射合模機(jī)進(jìn)行整機(jī)有限元分析，得到立柱中部的受力和變形，為立柱與螺母間螺紋嚙合分析奠定基礎(chǔ)。

（2）在軸向載荷作用下，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在立柱與螺母嚙合的第一個(gè)螺紋處。在3個(gè)方向應(yīng)力分量中，軸向應(yīng)力分量最大。

（3）在立柱和螺母嚙合的第一個(gè)螺紋處進(jìn)行圓弧過(guò)渡，可以有效降低應(yīng)力集中。當(dāng)過(guò)渡圓弧半徑r=7 mm時(shí)，最大von Mises等效應(yīng)力下降46%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉， 黃杰， 陸斌， 等. 螺栓軸向載荷、螺母結(jié)構(gòu)以及螺栓直徑對(duì)螺牙根部應(yīng)力影響的有限元分析[J]. 電子測(cè)試， 2014（10）： 9496.

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[6] 于源. 抗疲勞的MJ螺紋及其標(biāo)準(zhǔn)[J]. 機(jī)械工人（冷加工）， 1997（1）： 1619.

（編輯 付宇靚）