立式注塑机前模板的有限元分析

发布日期：2014/8/26 11:07:09

        立式注塑机是塑料注射成型机的简称，是将热塑性塑料或热固性塑料制成塑料制件的主要成型加工设备。它将颗粒塑料加热熔化后，以高速高压方式将塑料熔液注入到已闭合的模具型腔内，经一定时间的保压，冷却定型后得到与模腔一致的塑料制品。
        因此，它具有以下特点:能一次成型制造出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制件;对各种塑料加工的适应性强;机器生产率高，以及易于实现自动化生产等。目前，世界每年注射成型机的产量约30多万台，是塑料机械生产中增长最快品种、规格、生产数量最多的机种之一。
        1 有限元计算
        有限元计算是一种对结构进行单元化离散的数值计算方法。有限元建模将结构分割成单元网格并形成计算模型。每个单元(三角形或正方形)通过节点相连，每个单元上的未知量就是节点的位移，将这些单元的刚度矩阵相互组合起来形成整个结构的总体刚度矩阵，根据已知力和边界条件来求解该刚度矩阵，从而得出未知位移，并计算出每个单元中的应力。有限元计算可使计算模型在离散化后归结为一个线性方程组求解:F = K δ式中:F 为所受的外力向量;K 为计算模型的整体刚度矩阵;δ为计算模型上各节点的位移向量。
        2 立式注塑机模板
        通用型立式注塑机主要包含注射装置、合模装置、液压传动系统和电器控制系统。合模装置(或称锁模装置)是立式注塑机的关键部件，它是成型制品的工作部件，保证成型模具可靠的闭合和实现模具启闭动作，它主要由模板、拉杆、合模机构、制品顶出装置和安全门等组成。模板则是立式注塑机的重要刚性零件，具有固定模具和运动导向的定位基准功能，由调模模板、动模板、前模板组成，各模板之间通过拉杆连接。模具则分别固定在动模板和前模板上。前后模板皆固定于床身，动模板则通过肘杆机构及液压系统的驱动在机架导轨上来回运动。因此，模板结构及其刚度直接决定了机器的质量。
        生产实践中对模板的设计大都采用传统的经验公式，主要依赖设计人员的经验。在具体设计计算中通常将模板简化成简支梁进行计算，对一些设计参数依据经验确定，没有考虑到各个模板在加工制造过程和工作过程中的各种因素影响，以及载荷情况变化和差异对模板功能的影响。实际上立式注塑机模板在工作过程中受力情况十分复杂，而不同模板承受的载荷情况各不相同。由此，设计模板时若以手工计算为依据，必然造成设计计算结果与实际情况差异很大。要么造成模板质量不过关，要么设计过于保守，大大提高制造成本。
        3 模板结构分析
        合模装置是由模板、拉杆、肘杆合模机构等组成的一个力的封闭系统。 工作时在合模力的作用下，模板主要承受弯曲变形。从等强度观点出发，模板的形状通常设计成带有筋的板状结构或箱式结构。由于模板是固定模具的基准。模板的加工精度、结构强度及刚度都会影响到立式注塑机的使用性能。
        因此，在设计模板时，应该根据实际受力情况进行受力分析，在满足强度和刚度的条件下，使其具有合理的结构形状和尺寸。应用有限元分析方法，可以仿真模板的受力状况，进行应力应变分析计算，以确定模板的薄弱部位。
        应用有限元进行模板结构分析计算时，注意3个方面关键因素:
        (1)建立合适的几何模型。由于几何模型决定了有限元求解的准确性、模拟精度和求解效率。因此，尽量采用简单合理的分析模型;可利用模板模型对称形式;尽量采用低阶单元等。
        (2)正确选用单元形式和选择适当的网格划分密度。单元形式的选择主要依赖于力学模型、求解精度要求、软硬件系统等。应遵循“收敛曲线测试”原则，即当应力或应变、变形等计算结果随网格细化而趋于收敛时，才确认计算结果。
        (3)正确确定边界条件。由于模板实际受载状况非常复杂，若完全按照实际情况考虑，计算分析则无法进行。根据模板实际工作情况，若能对载荷边界条件和约束边界条件进行适当简化，则可简化计算分析，且能满足所需的精度要求。
        4 前模板有限元分析
        以单个前模板为研究对象，进行有限元计算分析。立式注塑机的合模力为530 t，前模板材料为QT440，弹性模量E=164 GPa, 泊松比μ =0.27。由于前模板结构和受力情况复杂，考虑所有实际工况的影响不可能，也不必要。因而，对前模板的结构和受载情况进行了有必要的简化。
        (1)实体建模
        前模板的尺寸:吨位为530 t;总高为0.430 m;底板高为0.350 m。挖去块:长0.100 m,高0.260 m,宽0.560 m;空腔高度为0.200 m;凸台为上直径0.680 m,下直径0.970 m。在UG 中建立1/4 前模板的CAD 模型，同时忽略对结构性能影响不大的细部结构，导入到ANSYS 分析环境中，得到所示模型。
        (2)网格划分
        用六面体单元进行划分，可减少单元的数目，提高计算精度。对不适用六面体单元划分的体区域，可用四面体单元划分。ANSYS 会自动生成两种单元之间的过渡单元，得到有限元网格模型。
        (3)边界条件和载荷在前模板1/4 模型的对称面上施加对称约束，在螺杆的约束圆上加Z 向约束。合模力530 t，将1/4 合模力简化为均布载荷作用在所示的截面区域环面上。
        5 结果分析
        分别为前模板应力分布之图和变形之图。较高的应力出现在模板中心区域以及螺杆约束区域。模板中心区域为应力较大区域，最大应力74 MPa。模板Z 向变形呈现出典型的弯曲变形特征，模板中心区域变形较大，最大值为0.29 mm，从中心向外逐渐递减，呈现近似同心圆状分布。

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