基于Ansys的注塑機雙曲肘合模機構(gòu)的力學(xué)分析

楊 娜，楊天興，辛 鵬

（1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

注塑機主要用于將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品。合模機構(gòu)是注塑機最重要的結(jié)構(gòu)部件，當注塑機工作時，合模機構(gòu)會受到較大的應(yīng)力變化，所以容易造成疲勞失效［1］，因此對合模機構(gòu)強度的研究十分重要。有限元分析是現(xiàn)代工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛的模擬分析，能準確地定位設(shè)計的薄弱部分，從而可以有針對性地加以改進［2-3］。本工作對注塑機雙曲肘合模機構(gòu)的受力問題進行了分析，并運用Ansys有限元仿真軟件，對機構(gòu)上的動模板和靜模板的應(yīng)力及應(yīng)變進行仿真分析。

1 雙曲肘合模機構(gòu)結(jié)構(gòu)

雙曲肘合模機構(gòu)是應(yīng)用比較廣泛的注塑機合模機構(gòu)，它具有較大的力的放大功能及行程比，且能夠自鎖。雙曲肘合模機構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖1，主要部件有十字頭、肘桿機構(gòu)、動模板、拉桿、靜模板等，其結(jié)構(gòu)為兩邊對稱結(jié)構(gòu)［4-6］。合模機構(gòu)可以完成合模和開模兩個過程。合模時，十字頭向前運動，從而帶動肘桿機構(gòu)向前運動，肘桿機構(gòu)推動動模板沿拉桿向前運動，完成合模過程；開模時，十字頭向后運動，從而帶動肘桿機構(gòu)內(nèi)卷，拉動動模板沿拉桿向后運動，完成開模過程。

圖1 雙曲肘合模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of double-toggle clamping mechanism of injection molding machine

2 合模機構(gòu)受力分析

在開合模過程中，靜模板所受的作用力主要包括模板上固定的模具對其的壓力F1，拉桿上螺母頭給的壓力F2，以及機架對靜模板底部的作用力F3，靜模板受力分析見圖2。F2均勻分布于4個拉桿孔上，由于模具一般安裝于靜模板中心位置，所以F1作用于靜模板中心位置。

圖2 靜模板受力分析Fig.2 Force analysis on static template

在合模和開模過程中，動模板主要受的作用力包括模板上固定的模具對其的壓力F5，肘桿機構(gòu)對其的推力F4，動模板受力分析見圖3。由力平衡原理可知，動模板所受的模具的壓力F5與靜模板所受的模具的壓力F1相等，而動模板所受的肘桿的推力F4在水平方向的分力與靜模板所受拉桿螺母頭給的壓力F2相等。

圖3 動模板受力分析Fig.3 Force analysis on moving template

在合模和開模過程中，拉桿對動模板起到支撐和約束作用，它的撓度決定了合模的質(zhì)量。在工作過程中，拉桿不停地受拉伸與壓縮作用，非常容易發(fā)生疲勞損壞，且拉桿的剛度變化會引起模板上的受力不均，可能造成模板局部超載，對模板造成損壞［7］。

雙曲肘合模機構(gòu)運動簡圖見圖4，A點為十字頭中心位置，E點為肘桿機構(gòu)左下固定端，D點為動模板與下部拉桿連接點，B點和C點為連桿絞點，G點為十字頭推桿AB的速度瞬心，H點為連桿CD的速度瞬心。F0為驅(qū)動裝置作用在十字頭上的推力，F(xiàn)為動模板受模具擠壓的反作用力。

圖4 雙曲肘合模機構(gòu)運動簡圖Fig.4 Motion diagram of double-toggle clamping mechanism of injection molding machine

設(shè)十字頭在驅(qū)動裝置作用下以一定速度向前運動，由幾何關(guān)系可得到C點速度［見式（1）］。

式中：v1為C點的速度，m/s；v0為十字頭的運動速度，m/s。

動模板的速度按式（2）計算。

式中：v為動模板的速度，m/s。

由虛位移原理可得：F0v0=Fv。

所以動模板所受的作用力見式（3）。

由上述分析可得，在合模過程中，動模板所受的作用力是一個逐漸加大的過程，這符合對合模機構(gòu)的設(shè)計要求，而對于機構(gòu)力學(xué)性能的研究，需考慮機構(gòu)在受力最大時的狀態(tài)。動模板受力最大時的狀態(tài)是在合模完成時，在合模將要完成時，φ接近于0，由式（2）可得，動模板的速度也將趨近于0，這可有效地減少沖擊，同時動模板所受的力將趨于無限大，所以即使十字頭沒有推力傳遞，合模機構(gòu)也會處于合模狀態(tài)，此合模機構(gòu)能夠自鎖。

3 動模板和靜模板有限元分析

Ansys是常用的有限元分析軟件，它融合了結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體等學(xué)科，可以與多種CAD軟件形成數(shù)據(jù)共享，按求解步驟可以分為：前處理器、求解處理器、后處理器［8-11］。利用其求解時，可以用其自帶的模塊建模，也可以用其他軟件建模后導(dǎo)入。本工作是在Solidworks軟件中建立實體模型，轉(zhuǎn)換成通用格式后導(dǎo)入Ansys中。動模板和靜模板的材料為球墨鑄鐵QT 500-7，其屈服強度為320 MPa，抗拉強度為500 MPa，彈性模量為1.7×105MPa，泊松比為0.29。

3.1 靜模板的有限元分析

由于靜模板是左右對稱的結(jié)構(gòu)，所以可以取1/2進行分析，將Solidworks軟件中建立的1/2靜模板模型轉(zhuǎn)換成IGES格式后導(dǎo)入Ansys中進行網(wǎng)格劃分，采用Ansys中的自適應(yīng)精度劃分技術(shù)對模型進行網(wǎng)格劃分，然后施加約束及載荷［11-12］。根據(jù)受力分析可得，對靜模板的底部及與拉桿接觸的4個孔設(shè)置約束，在固定模具的位置加載3 500 kN的載荷。計算完成后，在后處理器中可以查看應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。從圖5a可以看出：靜模板的應(yīng)力分布基本均勻，大部分應(yīng)力都不超過60 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達154 MPa，而此位置主要受的是壓應(yīng)力，所以對模板的破壞作用很小。從圖5b可以看出：最大變形出現(xiàn)在中心孔位置，變形量達2.82 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞減擴散。綜上分析，靜模板的結(jié)構(gòu)符合強度設(shè)計要求。

圖5 靜模板應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖Fig.5 Stress and strain clouds of static templates

3.2 動模板的有限元分析

與靜模板的分析類似，根據(jù)受力分析可得，對動模板拉桿接觸的4個孔設(shè)置約束，在固定模具的位置加載3 500 kN的載荷。計算完成后，得到動模板的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。從圖6a看出：動模板的應(yīng)力分布基本均勻，大部分都不超過50 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達150 MPa，此位置主要受的是壓應(yīng)力，對模板的破壞作用很小。從圖6b看出：最大變形出現(xiàn)在與拉桿連接的4個孔位置，變形量達3.73 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞增擴散。綜上分析，動模板的結(jié)構(gòu)符合強度設(shè)計要求。

圖6 動模板應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖Fig.6 Stress and strain clouds of moving templates

4 結(jié)論

a）對雙曲肘合模機構(gòu)的受力問題進行分析，得到了動模板及靜模板的受力分布，并運用Ansys有限元仿真軟件，對動模板和靜模板在合模工況下的應(yīng)力及應(yīng)變進行仿真分析，得到了動模板和靜模板的應(yīng)力云圖及應(yīng)變云圖。確定了動模板及靜模板上受力及變形的最大區(qū)域，為合模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

b）靜模板的最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達154 MPa，最大應(yīng)變出現(xiàn)在中心孔位置附近，變形量達2.82 mm；而動模板的最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在與模具連接的邊緣位置，最大應(yīng)力達150 MPa，最大變形出現(xiàn)在與拉桿連接的4個孔位置附近，變形量達3.73 mm，且變形量基本以中心孔位置為中心向周圍遞增擴散。