0    前言

        目前，中国立式注塑机仍以三板式为主，而在欧美发达国家，结构紧凑的两板式立式注塑机已经成为市场主流，在新建项目中获得了较广泛的应用。两板机比三板机减少了一个模板，因而成本更低、开合模周期更短、效率更高。但这种机型的油缸内活塞结构复杂，油缸活塞较小时无法安装液压阀，故中小型机无法采用，一般适用于较大机型。

        立式注塑机锁模机构为两板式，前模板固定，动板模移动，四根拉杆上开环槽或开牙，前模板固定四个锁模油缸和两个快速移模油缸，快速移模油缸活塞杆与动模板相连，锁模油缸的活塞杆也是高压锁模拉杆，当移模到位后开合抱闸环槽或旋转螺母与拉杆环齿相扣，高压油建立高压，实现锁模功能。

        拉杆在两板立式注塑机中是关键零件，而且螺牙部分最易出现断裂破坏，因而螺纹部分的强度直接影响着整台设备的使用寿命。要研究螺纹部分的断裂问题，主要是研究螺牙根部的应力集中和螺牙接触面的工作压力。

        螺纹副在工作时，螺牙受到大载荷不是均匀分布的，要获得螺杆和螺母螺牙的应力分布情况，比较有效的试验方法是光弹性试验。但光弹性试验受试验条件的限制，一般的工程单位难以实现，而有限元法在进行螺纹的应力分析上提供了一种有效的途径。

        ANSYS是国际最著名的大型通用有限元软件之一，在国际国内有众多的用户。广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、电子电气、船舶、压力容器、核能、生物医学等众多领域。ANSYS以其multiphysics(多物理场)分析功能而著称。它包括有结构、流体、电磁、热四大学科，并提供了各个物理场之间的耦合功能。

1    有限元模型的建立

        立式注塑机使用一个电机驱动四个抱闸装置，为保证动模板在开合模时，速度快、平稳且能准确的停留在拉杆的任意位置，要求抱闸螺母具有重载传动兼自锁功能，故选用锯齿形螺纹。

        拉杆的锯齿形螺牙在空间上为螺旋线，由于螺旋升角小，可简化成而为轴对称模型。为了获得精确的螺牙模型，使用ANSYS的APDL语言建立拉杆和抱闸螺母的二维几何模型，其中锯齿形螺纹按GB/T13576.3—1992绘制。

        模型采用plane轴对称单元，通过APDL语言控制螺牙部位的网格大小，划分出质量较好的网格单元。其中单元数为29151，节点数为86015。拉杆和螺母按合金钢定义，材料性能。

2    边界条件

        螺母的端面为Y方向的位移约束，螺母的外圆面为X方向的位移约束。基于圣维南原理，拉杆的一端施加的压力为P。拉杆与螺母螺牙之间的接触，设定螺母为目标面，拉杆为接触面，通过APDL语言快速的选择接触面并定义接触面组。摩擦模型为库伦摩擦，其中摩擦系数为0.15。

3    结果分析

        通过采用增广lagrange非线性接触算法进行计算。

        拉杆材料选用的是20Cr，实际使用时采用调质处理，其屈服强度σs大于540MPa，抗拉强度σb大于800MPa，对等效应力进行线性化处理后，最大等效应力为498.3MPa，小于屈服强度540MPa，符合强度要求。

        各螺牙根部最大应力与西田正孝首先采用L·Maduschka方法求出了载荷P的分布,然后通过光弹性试验研究了对应于P的应力分布相符。由此可知，螺纹的有限元模型的建立是正确的。拉杆最大合位移为0.243mm，而模型是取拉杆的一部分，实际位移是远小于0.2432mm，满足立式注塑机的设计要求。

        接触压力对拉杆的磨损与疲劳断裂有着重要影响，并保证抱闸装置提供足够的锁模，拉杆的最大接触压力为249.126MPa，力满足设计要求。

4    结论

        本文采用ANSYS的APDL语言对螺纹进行参数化建模、有限元分析和后处理，得出如下结论：

        (1)螺纹连接的前三个螺牙，承受主要的轴向载荷，各齿之间受载是不均匀的，与西田正孝首先采用L·Maduschka方法得到的结果相同。

        (2)通过有限元校核直径为Φ240拉杆，满足强度要求，比传统设计校核方法(直径为Φ260)节省材料14.9%。

        (3)有限元分析方法的结果与实际的受力情况相符，对螺纹连接与新产品的设计研发和优化提供了重要的依据。