曾 信，杜群貴

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641）

注塑模斜推桿機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析及其結(jié)構(gòu)尺寸研究

曾 信，杜群貴

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641）

采用ANSYS有限元分析方法分析了圓形截面斜推桿和方形截面斜推桿的應(yīng)力狀況，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了兩者的強(qiáng)度性能。以單個(gè)幾何參數(shù)為變量使用APDL語(yǔ)言建立了有限元參數(shù)化分析模型，研究了各個(gè)幾何參數(shù)與方形截面斜推桿的強(qiáng)度關(guān)系，為模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程中選用斜推桿類(lèi)型和幾何參數(shù)提供了理論參考。

模具設(shè)計(jì)；斜推桿；ANSYS；強(qiáng)度分析

0 引言

在我國(guó)，模具工業(yè)被稱(chēng)為“工業(yè)之母”[1]。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)，它已成為國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。由于國(guó)內(nèi)模具企業(yè)采用較為傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-加工-裝配-試模-修模-再試?！钡纳a(chǎn)方式設(shè)計(jì)制造模具，與國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)模具表現(xiàn)出精度較低、壽命較短、設(shè)計(jì)制造周期較長(zhǎng)、成本較高等劣勢(shì)[2]，嚴(yán)重削弱了我國(guó)高端模具在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

斜推桿機(jī)構(gòu)是注塑模中最為常見(jiàn)的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu),它常用于制品內(nèi)側(cè)存在凹槽或凸起結(jié)構(gòu)并且強(qiáng)行推出型芯時(shí)會(huì)損壞制品的場(chǎng)合。在脫模過(guò)程中，前后模打開(kāi)，斜推桿在由液壓缸帶動(dòng)的推桿底板的推動(dòng)下開(kāi)始頂出制品。由于斜推桿與開(kāi)模方向有一定的傾斜夾角，所以在頂出的過(guò)程中，斜推桿做斜向運(yùn)動(dòng)，斜向運(yùn)動(dòng)分解成一個(gè)沿脫模方向的垂直運(yùn)動(dòng)和一個(gè)脫離制品內(nèi)側(cè)面的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。達(dá)到一定的行程后，斜推桿中的膠位就會(huì)完全脫離斜推桿，實(shí)現(xiàn)側(cè)向抽芯[3]。

由于工作條件極為復(fù)雜，合模狀態(tài)下整個(gè)模具承受鎖模力作用，強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力將使模架、行位等其他結(jié)構(gòu)鑲件產(chǎn)生預(yù)變形，這些變形會(huì)將斜推桿包裹在對(duì)斜推桿起導(dǎo)向作用的模板滑槽內(nèi)；工作過(guò)程中模具溫度較高且變化幅度較大，也會(huì)使斜推桿產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力；潤(rùn)滑不良會(huì)增大斜推桿與導(dǎo)滑槽的摩擦力，不利于斜推桿被順利推出完成抽芯運(yùn)動(dòng)；由于制造加工、裝配等方面的因素也會(huì)造成斜推桿在導(dǎo)滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)受阻。一旦斜推桿運(yùn)動(dòng)受阻，輕則加速斜推桿的磨損燒蝕，重則出現(xiàn)壓彎甚至折斷現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整套模具的使用壽命，增加模具的使用維修成本，大大降低制品生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)效率，因此研究如何提高斜推桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度具有重要意義。

本文采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0對(duì)模具中常見(jiàn)的兩種截面斜推桿—圓形截面斜推桿和方形截面斜推桿進(jìn)行危險(xiǎn)工況下的靜強(qiáng)度分析，并且對(duì)方形截面斜推桿機(jī)構(gòu)采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言APDL開(kāi)發(fā)出以其各個(gè)幾何參數(shù)為變量的參數(shù)化分析程序，分析出各個(gè)幾何參數(shù)與斜推桿強(qiáng)度的關(guān)系，為模具設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇斜推桿類(lèi)型和幾何參數(shù)提供了可靠的理論依據(jù),具有相當(dāng)程度的現(xiàn)實(shí)意義。如圖1為帶有斜推桿抽芯機(jī)構(gòu)的注塑模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2為本文分析的斜推桿受力簡(jiǎn)圖。

圖1 注塑模結(jié)構(gòu)剖視圖

圖2 斜推桿受力簡(jiǎn)圖與幾何參數(shù)說(shuō)明

1 ANSYS有限元分析建模計(jì)算

ANSYS中有限元模型的建立包括幾何模型的建立和單元網(wǎng)格的劃分兩個(gè)過(guò)程。斜推桿結(jié)構(gòu)一般具有對(duì)稱(chēng)性，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源提高分析速度，采用軸對(duì)稱(chēng)模型來(lái)進(jìn)行分析建模，并且忽略結(jié)構(gòu)中存在的運(yùn)水孔、螺紋孔以及各種圓角特征等，其幾何模型較為簡(jiǎn)單，直接在ANSYS中采用自底向上的建模方法建立了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如表1所示的兩種截面斜推桿的幾何模型，將邊界條件和載荷情況加載在幾何模型上，選用具有20節(jié)點(diǎn)的二次單元SOLID95，采用掃描網(wǎng)格劃分技術(shù)離散化網(wǎng)格劃分斜推桿和模板[4]。選用目標(biāo)單元TARGE170和接觸單元CONTA174定義斜推桿與模板導(dǎo)滑槽之間帶摩擦的面接觸，其中斜推桿面為接觸面，導(dǎo)滑槽面為目標(biāo)面，摩擦系數(shù)為0.2。斜推桿一般選取彈性模量為210GPa，泊松比為0.3的美國(guó)01系列進(jìn)口鋼材。

表1 兩種截面斜推桿建模幾何參數(shù)

其中L1：方形截面長(zhǎng)度（mm）；L2：方形截面寬度（mm）；D：圓形截面直徑（mm）；α：斜推桿傾角（°）；H：斜推桿外伸出模板導(dǎo)滑槽垂直高度（mm）；B：模板導(dǎo)滑槽厚度（mm）。在斜推桿底部施加沿脫模方向大小為3000N的液壓缸推力對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算得出圓截面斜推桿與方形截面斜推桿的Von Mise應(yīng)力云圖如圖3所示。從圖中可以看出，圓截面斜推桿最大應(yīng)力為323MPa，方形截面斜推桿的最大應(yīng)力為219MPa，均發(fā)生在斜推桿與模板導(dǎo)滑槽底部接觸處，此結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)試的結(jié)果較為一致。由此可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)一致的情況下，方形截面斜推桿的強(qiáng)度性能要明顯優(yōu)于圓截面斜推桿。

圖3 圓截面(左)與方形截面(右)斜推桿應(yīng)力云圖

2 結(jié)構(gòu)尺寸與斜推桿強(qiáng)度的關(guān)系研究

利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言APDL編寫(xiě)了分別以L(fǎng)1、L2、H、α等幾何參數(shù)為單個(gè)變量，而其他幾何參數(shù)為常量的方形截面斜推桿強(qiáng)度專(zhuān)用計(jì)算程序，經(jīng)循環(huán)計(jì)算得出在單位推力（1N）下斜推桿的最大等效應(yīng)力數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入Matlab擬合繪制出在單位推力作用下斜推桿最大應(yīng)力值與單個(gè)幾何參數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

在方截面斜推桿的橫截面長(zhǎng)度L1較小時(shí)，增大L1能有效地降低斜推桿的應(yīng)力，但當(dāng)L1達(dá)到一定尺寸時(shí)，增大L1對(duì)降低應(yīng)力效果逐漸趨緩。

圖4 單位推力下斜推桿最大應(yīng)力與橫截面長(zhǎng)度L1的關(guān)系

圖5 單位推力下斜推桿最大應(yīng)力與橫截面寬度L2的關(guān)系

在方截面斜推桿橫截面寬度L2較小時(shí)，增大L2能非常明顯地降低應(yīng)力，提高斜推桿的強(qiáng)度。但當(dāng)其達(dá)到一定尺寸后，效果趨緩。L2與L1在影響斜推桿強(qiáng)度方面作用趨勢(shì)一致，但L2的影響度更大，L2增大一個(gè)單位比L1增大一個(gè)單位能更多地降低斜推桿的應(yīng)力。

圖6 單位推力下斜推桿最大應(yīng)力與外伸高度H的關(guān)系

斜推桿應(yīng)力與H呈正線(xiàn)性關(guān)系，這與材料力學(xué)理論很好的吻合。H越大，推力對(duì)斜推桿產(chǎn)生的彎矩也越大，會(huì)產(chǎn)生更大的彎曲應(yīng)力。

斜推桿應(yīng)力與傾斜角α也呈正線(xiàn)性關(guān)系。斜推桿傾斜角α越大，液壓缸推力在斜推桿截面方向的分力也越大，力臂越長(zhǎng)，對(duì)斜推桿產(chǎn)生的彎矩也越大。

3 數(shù)據(jù)分析及設(shè)計(jì)建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，為了降低斜推桿在工作過(guò)程中受到的應(yīng)力，提高斜推桿的強(qiáng)度，在模具設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下四個(gè)方面優(yōu)化模具脫模結(jié)構(gòu)：

1）當(dāng)空間和成本等因素可以接受的情況下，應(yīng)優(yōu)先使用方形截面斜推桿機(jī)構(gòu)以提高強(qiáng)度，延長(zhǎng)模具使用壽命。

圖7 單位推力下斜推桿最大應(yīng)力與傾角α的關(guān)系

2）在空間結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量加大斜推桿橫截面尺寸。斜推桿橫截面寬度L2在降低斜推桿應(yīng)力方面比橫截面長(zhǎng)度L1的作用要明顯，所以設(shè)計(jì)時(shí)可選擇L2＞L1的長(zhǎng)方形截面斜推桿。

3）在滿(mǎn)足側(cè)向抽芯的行程要求下，盡量減小斜推桿外伸長(zhǎng)度H。條件允許的話(huà)可以將斜推桿的側(cè)向受力點(diǎn)下移，如在靠近斜推桿末端處增加導(dǎo)向塊。在斜推桿較長(zhǎng)且單薄，或傾斜角較大的情況下，可以采用二段式斜推桿的方法以提高壽命。

4）在滿(mǎn)足側(cè)向抽芯的情況下，斜推桿的傾斜角盡量選用較小角度，α一般不大于15度，對(duì)斜推桿傾斜角的設(shè)計(jì)原則是能小不大。選用較小的傾斜角α也能降低斜推桿在導(dǎo)滑槽中發(fā)生摩擦自鎖的可能性。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元分析方法對(duì)模具中使用極為廣泛的斜推桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中反饋的經(jīng)驗(yàn)情況一致。并且以各個(gè)幾何參數(shù)為單個(gè)變量建立了斜推桿機(jī)構(gòu)有限元分析的參數(shù)化模型，研究了各個(gè)幾何參數(shù)與斜推桿強(qiáng)度的關(guān)系，為模具中斜推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了可靠的理論支撐與指導(dǎo)，也為CAE仿真技術(shù)在模具結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用提供了思路。

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The strength analysis and structure size research on injection mold's lifter

ZENG Xin, DU Qun-gui

O242.21；TG241

B

1009-0134(2011)5(下)-0078-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).23

2010-12-14

曾信（1987－），男，湖南漣源人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、CAE仿真分析。