立式注塑机拉杆与模板的整体应力分析

发布日期：2014/5/22 16:08:35

立式注塑机属于重载设备, 其拉杆和模板是主要承载零件。许多立式注塑机生产企业由于仍然采用传统的经验设计方法, 其立式注塑机拉杆与模板极易在使用过程中发生早期断裂或早期裂纹的现象, 给企业带来很大的直接和间接经济损失。本文以有限元分析方法为手段,针对肘杆式注塑机中拉杆和模板的特点, 建立由拉杆与模板等零部件构成的几何模型和有限元模型, 以进行应力分析, 并根据分析结果提出设计改进建议。
1 拉杆与模板三维几何模型的建立首先应用UG 软件的特征建模方法, 建立拉杆、定模板、动模板、调模板和工字车臂等零件的三维图形。为减少有限元的网格数量, 将拉杆螺纹端简化为圆柱形, 拉杆两端用圆台代替螺母; 忽略定模板、动模板和调模板上的油孔、冷却水孔和安装模具用的螺纹孔等局部细节特征, 保留主要承载部分的加强筋和圆角。考虑到拉杆近调模板的卸载槽处应力较大的特点, 绘制出工字车臂的真实模型, 以便于研究卸载槽处的应力。
为局部细分网格的需要, 在动模板和调模板上与支座接触处设置施加载荷的辅助块。因各模板与假模为对称结构, 理想状态下其受力也是对称的, 取其一半用于有限元分析, 将绘制好的各零件在UG 环境下组装成一整体结构, 并转化为PARASOLID 格式输出, 以备ANSYS 调入和使用[ 1] 。
其整体几何模型如图1所示。1-定模板; 2-动模板; 3-拉杆; 4-工字车臂; 5-调模板; 6-辅助块; 7-导向板; 8-假模; 9-导轨图1 拉杆与模板的三维整体模型2 拉杆与模板整体有限元分析模型[ 2-3]
2. 1 网格划分定模板、动模板、调模板和工字车臂的材料均为球墨铸铁QT500, 其弹性模量为173 GPa, 泊松比为0. 27,辅助块也采用该设定值, 拉杆与其它部分为45# 钢制件, 弹性模量为206 GPa, 泊松比为0. 29[ 4] 。
对于辅助块, 用GLUE 的布尔运算分别与动模板和调模板粘接起来, 以使加载在其上的力能完全传递到相应的模板上。拉杆与模板的三维几何模型较为复杂, 以SOLID92为划分网格的单元类型, 分别对各零件以及辅助块进行网格划分。定模板分配18 915个单元, 节点数为30 927; 动模板分配31 835个单元, 节点数为52 146; 调模板分配36 466个单元, 节点数为56 451;上拉杆分配24 156个单元, 节点数为36 326; 下拉杆分配23 851个单元, 节点数为35 919; 工字车臂分配32 095个单元, 节点数为49 399; 分配给其它零件与辅助块的单元数为12 807, 节点数为25 711。整个模型总共使用单元数为180 125, 节点数为281 559, 符合ANSYS有限元计算的极限单元数要求。
2. 2 接触对与约束条件设置在图2中, 用Con tact Pa ir模块定义各零件之间的接触面。其中, 各模板与工字车臂和其它零件的配合面设为目标面, 与之相对应的面设为接触面。除假模与模板接触表面的摩擦系数定义为0. 1以外, 其它接触面因在注塑机使用过程中都使用油润滑, 故其摩擦系数定义为0. 05。定模板的底部与机架之间为螺栓联接, 因而定义定模板的底部为全约束, 导轨与导向块的底部也设为全约束状态。由各模板与假模在几何与受力方面的对称性, 在其几何对称面上设定对称约束。
工字车臂的台阶孔处设置Z向约束, 即工字车臂沿拉杆长度方向是固定的。
2. 3 载荷的施加拉杆与模板整体模型的载荷施加于图1中动模板与调模板上设置的辅助块表面, 该载荷是由安装于动模板与调模板上的支座将合模力传递到这些面上的。该注塑机为肘杆式合模机构, 在锁模时, 前后肘杆成一直线, 且与水平线的夹角为4b。为便于在承载面的单元节点加载, 将左支座作用在动模板上的力分解为垂直于动模板辅助块承载面上的正向压力分量和切向力分量。其中, 正向压力分解为作用于承载面中心的力和相对于该中心的力矩。此处以图3中的左支座为例说明动模板上辅助块承载面的节点力加载。
假设, 作用于承载面中心的力为P, 平均分布在该面节点上的应力为Rj , 则Rj =Pbh= 29. 45MPa ( 1)其中: b 为实际承载面的宽度, h 为实际承载面的高度。设作用于承载面中心的弯矩为M, 则M = Qh2- h2Rw by dy ( 2)其中, Rw 为弯矩M引起的承载面上y 向应力, 且在y 向为线性分布。这里需说明的是: 对于动模板上辅助块来说, 此处的y 向是图3中由下往上的方向, 其坐标[研究# 设计] 欧笛声, 等 注塑机拉杆与模板的整体应力分析 # 9 #原点为动模板辅助块的中心, 即动模板受力面的中心;
对于下辅助块, 其y 向为相反的方向。可设Rw = ay ( 3)其中, a 为常数。
将式( 3) 代入公式( 2), 则有M =112abh3( 4)由式( 4) 解得a =12Mbh3 = 168. 88 @ 106综合( 1) 和( 3) 式可得动模板辅助块承载面上的应力分布为Rd = Rj + Rw = 29. 45 + 168. 88 y ( 5)动模板辅助块承载面上的切向力为Fd = - 80 416 N同理, 可得调模板的上辅助块承载面上的应力分布与切向力分别为Rt = Rj + Rw = 35. 26 + 405. 30 y ( 6)Ft = 80 416 N在加载时, 模板辅助块承载面上的应力分布与切向力分2步进行, 先加梯度应力的载荷, 后加切向力的载荷。
每步加载时用LSWR ITE 命令写入载荷步文件,以便在有限元计算时用LSSOLVE 命令逐步读入载荷步文件。图4是该部分梯度应力与切向力加载后的效果。
3 拉杆与模板整体计算结果与分析图5为采用增广lagrange非线性接触算法对合模力为200 t注塑机的拉杆与模板整体计算的等效应力云图。有限元分析模型按实际测试得到的235 t的合模力进行加载。其中, 最大等效应力为394MPa, 出现在动模板支撑台的内槽处; 整体Z 向的最大位移量,即拉杆长度方向的最大位移量为1. 966 mm。图5 拉杆与模板整体计算的等效应力云图
3. 1 拉杆的计算结果图6中显示, 上拉杆左端(定模板端)呈现向下弯曲变形, 右端(调模板端)呈现向上弯曲变形。
上拉杆Z 向最大位移量为1. 54 mm; 下拉杆的弯曲变形很小,呈直线状, 其Z 向最大位移量为1. 22mm。上下拉杆的最大应力均出现在卸载槽的圆角处, 其中: 上拉杆圆角部分的最大等效应力为210MPa, 下拉杆圆角部分的最大等效应力为191MPa。上拉杆近调模板卸载槽中部断面上的等效应力在内侧偏上有最大值178MPa, 最小值为88. 5MPa, 其最大与最小应力之比为2. 01。
下拉杆近调模板卸载槽中部断面上的应力在内侧靠近中部偏上有最大值163 MPa, 最小值为108MPa, 其最大与最小应力之比为1. 51。由以上分析可知, 原设计拉杆的卸载槽不仅在其圆角处出现较大的应力值, 而且在其断面处应力分布极不均匀。这是由模板变形对拉杆产生的附加弯矩引起的, 而且将会导致拉杆螺纹在近卸载槽处出现疲劳断裂。
3. 2 定模板的计算结果从图7 中可知, 定模板的最大等效应力为280MPa, 出现在其喇叭口与加强筋的连接处。因模板材# 10# 轻工机械 L ight IndustryM achinery 2008年第4期料为球墨铸铁, 属脆性材料, 适宜用第一强度理论来校核强度。而定模板的最大第一主应力的位置与最大等效应力的位置相同, 其最大值为296 MPa。最大应力的位置与图8中定模板在使用过程中常出现裂纹的部位相符。
3. 3 动模板的计算结果动模板的最大等效应力出现在其支撑台的内槽处, 为394MPa。
因该部分的应力为压应力, 裂纹不易在此处形成与扩展。该动模板的第一主应力最大值为124MPa, 即在图9中K形加强板的中上部, 是可能出现裂纹的地方。该注塑机在实际使用过程中, 动模板很少出现开裂的现象, 可认为动模板符合疲劳强度要求。动模板中部的最小位移量为0. 271 mm, 其下部的最大位移量为0. 741 mm, 相对最大位移为0. 47 mm。动模板的变形量相对于定模板要小41% , 这说明动、定模板变形的协调问题有待改善。
3. 4 调模板的计算结果调模板的最大等效应力出现在其支撑平台的侧面, 为260MPa, 且属压应力, 裂纹不易在此处形成与扩展。在图10中, 最大第一主应力出现在调模板的顶部圆角处, 为200MPa, 是较易形成裂纹的地方。调模板的最大与最小位移之差为0. 74 mm, 且上部向后倾斜, 这与定模板的变形较大有关。
3. 5 工字车臂的计算结果工字车臂是为固定合模油缸导杆而设的, 其本身并不是承载零件。在注塑机锁模时, 因模板和拉杆的变形, 图11 中该零件在其上部的拉杆孔边存在205MPa的最大等效应力, 故该零件在设计时应考虑其承受一定的力。工字车臂的存在, 对拉杆卸载槽过渡处的最大应力影响不大。
拉杆与工字车臂接触的局部最大等效应力为168MPa, 因此需保证工字车臂有良好的润滑条件以及较好的变形能力, 以免造成对拉杆受力的不良影响。这给工字车臂的设计带来一定的难度。鉴于工字车臂对拉杆局部受力的影响, 建议在注塑机合模机构中不设工字车臂, 可考虑在调模板上设计固定块以解决合模油缸导杆的固定问题。
1-拉应力最大处图11 工字车臂的等效应力云图[研究# 设计] 欧笛声, 等 注塑机拉杆与模板的整体应力分析4 结束语本文用拉杆与模板整体有限元方法研究了拉杆、模板和工字车臂的应力状况, 得出以下基本结论: 拉杆在卸载槽的圆角过渡处应力偏大, 该处设计不尽合理;定模板在其喇叭口与加强筋的连接处应力最大, 是造成该零件早期开裂失效的主要原因; 定模板的刚性不足、变形量较大, 使拉杆局部应力较大, 拉杆有明显的偏载现象, 应考虑在保证定模板强度的同时增加其刚性;
调模板在上下圆角过渡处局部应力偏大, 在使用过程中, 会提前出现因疲劳而开裂的问题; 工字车臂的存在对拉杆局部有不良影响, 建议取消该零件而改用带油缸导杆固定块的调模板。

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