引言
注塑機(jī)具有能一次成型外型復(fù)雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質(zhì)地密致的塑料制品，被廣泛應(yīng)用于國防、機(jī)電、汽車、交通、建材、包裝、農(nóng)業(yè)及日常生活各個(gè)領(lǐng)域。注射機(jī)二板合模裝置作為20世紀(jì)90年代歐洲推出的革新性結(jié)構(gòu)，相比曲肘式鎖模結(jié)構(gòu)，具有容量大、受力理想、結(jié)構(gòu)剛性好、占空間小等特點(diǎn)，使其在大型、超大型領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。
在國內(nèi)，大型二板注塑機(jī)技術(shù)較為落后，設(shè)備市場競爭力稍顯薄弱，主要體現(xiàn)在合模系統(tǒng)工作的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，設(shè)備運(yùn)行的節(jié)能環(huán)保以及液壓控制系統(tǒng)的高效調(diào)控等方面。國內(nèi)規(guī)模以上注射機(jī)生產(chǎn)廠商主要集中在浙江，如寧波海天、寧波海達(dá)、泰瑞機(jī)器（杭州）等。近幾年，相關(guān)注塑機(jī)廠商與研究機(jī)構(gòu)合作，圍繞二板注射機(jī)合模機(jī)構(gòu)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]、抱閘設(shè)計(jì)[5]、性能評(píng)價(jià)[6-8]、液壓控制[9-10]等方面進(jìn)行了大量研究，取得了很多成果。
由于合模機(jī)構(gòu)涉及裝配零件較多，影響復(fù)雜，工作時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài)難以簡單計(jì)算，導(dǎo)致合模機(jī)構(gòu)鎖模壽命無法準(zhǔn)確預(yù)測，進(jìn)而嚴(yán)重影響了合模機(jī)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)和判斷。本文正是針對(duì)以上技術(shù)難題，借助有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行多體力學(xué)有限元建模和分析，明確其鎖模時(shí)各部件的應(yīng)力和變形情況，為下一步研究打下基礎(chǔ)。
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1.二板式注射機(jī)合模機(jī)構(gòu)
二板合模機(jī)構(gòu)有幾種形式，原理基本一致。圖1所示為一典型二板復(fù)合式合模機(jī)構(gòu)，主要由定模板、動(dòng)模板、鎖模油缸、拉桿、抱閘、閘板驅(qū)動(dòng)油缸、移模油缸組成。合模動(dòng)作過程：首先移模油缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)模板沿拉桿移動(dòng)，直至模具閉合；閘板驅(qū)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)抱閘兩半閘板閉合，抱緊拉桿末端螺紋；鎖模油缸驅(qū)動(dòng)拉桿相對(duì)于定模板運(yùn)動(dòng)，鎖緊模具。
泰瑞機(jī)器股份有限公司研究開發(fā)了大型二板注射機(jī)產(chǎn)品，如圖2所示。采用擠注式注塑系統(tǒng)、二板直壓式合模系統(tǒng)、節(jié)能的伺服電機(jī)定量泵液壓系統(tǒng)技術(shù)。但是，考慮到水平裝模和加工裝配工藝性，動(dòng)模板孔與拉桿間隙配合，無滑動(dòng)支撐作用。動(dòng)模板后方的抱閘兩半合閉時(shí)，抱緊拉桿。
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2.有限元模型
2.1幾何模型
本文以泰瑞1700噸二板注射機(jī)合模機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。其關(guān)鍵外形尺寸見表1。
由于大型二板式合模機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,為了使分析更加簡潔又不失真,現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵零部件作必要假設(shè)和簡化。去除零件中圓角、螺紋、臺(tái)階、螺紋孔等細(xì)節(jié)，去除了調(diào)模裝置和頂出機(jī)構(gòu)。根據(jù)表1中基本尺寸，利用Solidworks三維軟件對(duì)定模板、動(dòng)模板、拉桿等進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行裝配，兩模板間距取1000mm，如圖3所示。將零部件保存為.igs格式文件，導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件，作為數(shù)值模擬的幾何模型。
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圖3.簡化幾何模型
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圖4有限元模型
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2.2材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分
若進(jìn)行受力分析，需給定零件模型相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。由于此處模板、拉桿在受力狀態(tài)下只產(chǎn)生彈性變形，所以不需要塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。此外，拉桿可能會(huì)由于懸臂狀態(tài)產(chǎn)生自重下垂變形，故這里將給定密度值。幾種零件的性能參數(shù)如表2所示。
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合模機(jī)構(gòu)三維幾何建模較為復(fù)雜,在Abaqus中選取C3D8R減縮實(shí)體單元為劃分網(wǎng)格的單元類型，可提高計(jì)算速度。綜合考慮到模型三維尺寸大小和模擬計(jì)算精度，模板選擇網(wǎng)格大小為100mm，拉桿網(wǎng)格大小為50mm。有限元模型網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。
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2.3邊界條件和載荷
設(shè)置定義各零件之間的接觸條件。拉桿通過銅質(zhì)精密滑動(dòng)軸承安裝于定模板孔中，兩者之間摩擦較小，忽略其大小，摩擦系數(shù)取為0。抱閘安裝于動(dòng)模板背面，將抱閘裝置與動(dòng)模板簡化為同一結(jié)構(gòu)體，拉桿與抱閘接觸處施加“綁定”（Tie）約束條件，使其具有相同的軸向行為。
考慮到二板合模機(jī)構(gòu)受力復(fù)雜，這里突出關(guān)鍵因素，忽略次要因素（如模板的溫度），對(duì)模型施加必要的邊界約束和載荷,如圖4所示，具體如下：
（a）定模板固定在床身上，底部固定處可作為完全約束處理；
（b）動(dòng)模板在軸向可沿導(dǎo)軌上滑動(dòng)，在豎直方向存在位移約束；
（c）為了模擬鎖模油缸工作時(shí)的情況，在拉桿靠近前模板的端面上施加軸向位移約束；
（d）假設(shè)模具和模板安裝面積為1000mm*1000mm，鎖模力為17000KN，在定模板和動(dòng)模板安裝面積上分別加載均布載荷17MPa的壓強(qiáng)；
（e）對(duì)四根拉桿施加重力載荷，在y方向上添加重力加速度-9800mm/S2。
最后，建立Step-1分析步，進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。
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3.模擬結(jié)果與分析
3.1.變形分析
在考慮拉桿重力的情況下，二板合模機(jī)構(gòu)的變形分布圖如圖5所示。由圖可見，合模機(jī)構(gòu)的最大變形量為0.994mm，發(fā)生在定模板的頂部內(nèi)側(cè)。這是因?yàn)槎０宓撞客耆ㄎ皇芟?，?dòng)模板和連桿是固聯(lián)的，在定動(dòng)模板受到模具處的壓力時(shí)，定模板變形特別是上部變形最大。
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圖5.合模機(jī)構(gòu)變形分布圖
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此外，定模板上與拉桿的配合連接處，相比于周圍，孔邊出現(xiàn)了較大的變形量。上面兩孔最大變形在0.8mm，下面兩孔最大變形在0.5mm，這是因?yàn)槔瓧U與孔有相互力的作用。動(dòng)模板的變形情況比較均勻。
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3.2.應(yīng)力分析
圖6為合模機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。最大應(yīng)力為211MPa，發(fā)生在拉桿上，集中于拉桿與前模板的連接處。根據(jù)拉桿材料強(qiáng)度，該應(yīng)力值不足以使拉桿發(fā)生塑性變形和破壞，所以合模機(jī)構(gòu)是安全的。但是，當(dāng)合模機(jī)構(gòu)在頻繁的進(jìn)行合模鎖模注塑動(dòng)作時(shí)，拉桿將成為最有可能發(fā)生疲勞破壞的部件。
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圖6.合模機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖
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根據(jù)以上合模機(jī)構(gòu)變形和應(yīng)力分析，前模板在前端面設(shè)計(jì)連接時(shí)可以適當(dāng)加強(qiáng)。另外，可考慮改善拉桿與前模板的連接配合方案，以減小應(yīng)力集中。
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4.結(jié)語
對(duì)合模機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行適當(dāng)簡化，根據(jù)其工作原理，建立了有限元模型；通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，最大變形發(fā)生在定模板頂部，集中應(yīng)力發(fā)生在拉桿與定模板孔連接處；該模擬分析結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為合模機(jī)構(gòu)的壽命預(yù)測的打下基礎(chǔ)。
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