曲肘合模机构动模板的有限元分析及其结构优化

  摘要：注塑/模具安装区的变形和锁模力的分布是影响注塑模具整体性能的重要影响因素， 在研究传统注塑机模板结构设计的基础上，进行了动模板锁模时的受力和变形情况的分析；提出了一种新型的动模板结构改进方案，通过有限元方法验证了结构改进方案的有效性。改进方案在企业中的应用，进一步的验证了模板结构改进方案的可行性和实用性。

    关键词：注塑模具； 动模板； 有限元分析； 结构改进。

    0引言 

    注塑机/作为塑料成型加工中的主要加工设备，在塑料成型加工过程中占有重要的位置，注塑机由注塑、合模、传动以及电气控制等几部分组成，而合模部分作为注塑机的重要部件之一，其功能是实现启闭运动，使模具闭合产生系统弹性变性达到锁模力，将模具锁紧，锁模机构的性能好坏直接影响注甥制品的成型质量。

    本文在分析了某企业双曲肘合模机构的结构特点在大型通用有限元软件上建立有效的有限元模型，实现了对动模板在锁模过程中的应力和变形的分析，并提出了一种全新的设计思想，通过对现有的动模板结构的修改优化，实现动模板模具安装面上变形减小并使受力变形分布更加均匀，以提高注塑成型加工质量和模具的保护。

    1 新设计思路的提出

    在传统的注塑机合模机构的设计中，主要考虑的是其在不发生结构失效的情况下，产生的锁模力是否能达到设计的锁模力。但在锁模力满足设计要求时，如果锁模力在模具上分布不均的话，又同时会导致实际成型加工过程中产品出现毛边等缺陷，同时由于加工注塑模具其价格的昂贵性，有时候町能一套注塑模具的价格往往还高于注塑机，而模具在加工过程中是安装在合模机构上的，特别是对于中大吨位的注徊机，其锁模力都非常大，而动模板通过曲肘传递过来的锁模力是*个承载体，它结构设计的合理性直接决定了模具在合模中的受力和变形情况。能否使注塑加工中模具上的锁模力均匀分布和达到保护模具的目的也就直接取决于它。

    所以，传统的考虑是在合模过程中保证合模机构不发生失效的设计思想已经不适应当代的设计趋势了，在目前情况下，提出在保证合模机构不失效的情况下，如何更好地保护模具以及如何实现锁模时锁模力更集中并且均匀分布是具有现实和积极的意义。
要想达到锁模力在模具/上的均匀分布和保护模具的设计目的，首先我们必须分析和了解动模板在锁模中所受力以及变形的情况，而传统的理论计算无法从全局上直观地了解整个动模板的受力与变形情况，所以我们在这里使用了大型通用有限元软件，通过建立合理的有限元模型，来达到上述目的，并利用其方便、完善的后处理，来更好地分析和改进设计。

    2有限元模型的建立

    2．1三维实体模型的建立

    本文通过强大的Unigraphic Nx三维实体设计软件来实现动模板的三维实体模型的建立，为下一步导入MSC．PATRAN中进行有限元模型的建立和前处理奠定基础。UG软件具有丰富的模型数据转换接口，可简便快速转换成MSC．PATRAN所接受的parasolid格式文件，实现模刑数据信息的无缝转换，为下一步有限元模型的建直和分析带来便利条件。zui后动模板的三
维实体模型如图l所示。

    2．2边界条件与受力情况的分析

    由于注塑机在注塑加工不同大小的注塑件时，锁模力是不同的，本文考虑的是HTHl60机犁在zui大锁模力下的动模板下的受力及变形情况，如果注塑机在zui大锁模力情况下的变形能达到设计要求的话，那么在一般情况下更是没有问题了。在锁模过程中由于模板都是静止的，所以整个动模板只受到从曲肘上传递过来的合模方向的力的作用。

    考虑到不同大小的注塑模具的安装对于动模板边界条件的影响，将模具的安装位置取一个经验的平均值，同时为了口T以实现合理的边界条件的施加，在实体建模时就在动模板的模具安装面上设计了一个取经验平均值的厚度为lmm凸台，在这个面七约束X方向移动和y、z方向旋转的运动剐来模拟动模板锁模时模具安装而约束情况，这样既口『以顺利的完成边界条件的设置，又可以不影响实际动模板的结构以及有限元分析的精度。

    同时由于动模板通过4个圆柱导孔与拉杆相连，让动模板在拉杆上往复运动，所以在设置动模板的约束条件的时候，我们考虑到实际拉杆主要承受的托应力和轴向变形，弯曲变形一般都非常地小，所以我们可以假设拉杆是不弯曲的。在考虑动模板与拉杆的约束的时候，可以在动模板与拉杆配合的面上约束除X方向的移动与Y、Z方向的旋转的运动副。
完成上述步骤后再经过合理的网格划分和材料的性能参数的赋予就可以提交有限元计算。

    2．3有限元分析的结果

    通过使用patran调用nastran的计算结果可方便地进行后处理，可以清楚直观地显示m关于整个动模板应力和变形云图，动模板的应力和变形分布云图如图2所示．

    可以看到整个动模板特别是在模具的安装面的变形不是特别大，变形主要集中在传递力的曲肘销轴连接处以及曲肘与模具安装面连接处，而大的应力也主要分布在这两个地方，从模具安装面的应力分布云图来看，蓝色的应力分布区还是不太均匀，某些局部还有些尖锐，而且在模具安装区域（建立模型时我们设定了一个正方形的模具安装区域）的四个角点的三个节点区域的应力分布还是比较一致，但是左下角的那个的应力和其余三个相差还是比较大，同时有两处地方由于处于曲肘力传递到模具的重要受力区域，从这两处的应力云图来看，其中还有砦地方不连续。从t-．述及各方面来讲可以知道动模板在锁模时，动模板的模具安装区域的应力分布不够均匀，而且锁模力没能很好地集中在模具安装区域，这很可能就导致注塑产品出现毛边等缺陷，影响产品的成犁质量。从变形云图2b）上看，靠近模具安装区的地方变形很小，大概只有0．5ram。

    2．4动模板结构设计的改进 

    通过lz述的分析结果，再结合前面的所提出的从保护模具和实现锁模时模具安装区的应力分布均匀的设计目标。考虑到曲肘是整个锁模力传递的关键结构，而且曲肘把力传递给模板时，曲肘与模板的连接的局部结构直接影响着模板的变形和整个力的传递，所以在改进设计中着重考虑曲肘与模板连接处的结构的改进，来实现应力在模具安装区的均匀分布和模具安装区变形的减少，从而达到保护模具和提高注塑成型的质量。

    原来的结构受锁模力导致模板直接受力弯曲，模板安装面处由于弯曲导致模具与模具安装面接触面积减少，从而使锁模时模具受力不均，恶化了模具的受力状况。

    通过分析，提出了局部结构的改进方案，改进后的动模板的应力和变形简图如图3b）所示。通过图lb）所示的改进后的模板三维实体模型町知，曲肘受力后，由于曲肘与模板的连接处刚性比模板的差，曲肘根部首先弯曲变形，先消耗部分的应变能，从而使后续模板的变形减少；同时由于根部变形后曲肘会相应地向内旋转一定的角度，可以使作用曲肘上的力对与模板安装面的弯矩减小，并且使曲肘的力能更集中地传递到模板中央，从而实现模具安装区内应力的均匀分布和变形的减少。

    3 改进后的有限元分析结果

    我们从图3a）应力分布云图上看可以明显地发现，模具安装面上应力分布比改进前要均匀，而且前面所述的角点的应力分布差异和模具重要承力处应力大小的不一致性的问题得到了改善；再从改进后的模具安装区的变形云图上看，原先zui大处的变形值由0．5ram减少到了0．4mm． 

    综上所述，可以认为改进后的动模板的结构从减少模具安装区域变形量和达到模具安装区的锁模力的集中和均匀分布这两个设计目标上来说，已有了明显的改进，说明了这种改进后的模板结构的合理性。

    4 结语

    本文在传统的注塑机模板结构设计的基础上提出了以减少模具安装区的变形和锁模力的均匀分布的新的设计理念，在MSC．patran／nastran大型通用有限元软件上实现动模板锁模时的受力和变形情况的分析，同时提出了新的结构改进方案，并在有限元分析中验证了结构改进方案的有效性。新的动模板结构有效地实现了模具安装区应力的均匀分布，可以有效地改善注塑产品的毛边的产生，提高产品的成型质量，同时也实现模具安装区域内的变形的减少，可以进一步地改善模具的受力状况，达到保护模具的作用。