（机械电子工程专业论文）注塑机拉杆的应力分析及参数优化.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 拉杆是注塑机的熏要承载零件，其受力复杂，在使用中常发生早期断裂。拉杆的 应力分拆与优让是注塑祝没诗所急需解决豹润遂。隧着计算枧技术的发展，有限元分 析和优化设计成为受力复杂或结构复杂零件设计的重要方法，适于解决拉杆设计的难 题。 本文的主要研究内容如下：注塑机拉杆与模板的整体应力分析及应变测试、拉杆 媒纹的应力分析与参数优化、拉秆螺纹端卸载槽豹参数优佬夔及螺纹与簪栽槽参数优 化前后拉杆螺纹在偏载下的应力分析。其研究成果具有定的普遍性，可为注塑机生 产企业提供捉秆的应力分手斤与优化设计方法，弗可为挨板的设计改进提供依据。 本文首先分析了国内外注塑机拉杆的研究概况，结合实际注耀机拉杆在使用过程 中存在的旱麓颟裂阀题，将挝枉与模板等零件缀合起来建立整体的有 艮元分析模型， 以获取拉杆在模板变形影响下的应力与变形状况。通过应变测试，检验了有限元分析 缝聚。 根据拉杆主要在螺纹部分断裂的特点，以a p d l 语言建立拉杆三角螺纹端和梯形 螺纹端的二维几何模型、j 线性有限元分析模梨和优化模型，用a n s y s 的非线性解 算器进行求解。经用拉杆螺纹端在偏载作用下的有限元分析，验证了优化所获得的螺 纹与卸载槽参数的伉越性，并分卡厅了挝秆存在较大偏载的原因。 本论文取得了以下主要研究成果：建立了拉杆与模板的整体有限元分析模型、拉 秆螺纹及卸载稽参数的有限元分析与优亿整合的模型以及拉秆螺纹端在偏载作用下 的有限元分析模型；取得了较好的拉杆参数；积累了拉杆应力分析与优化的设计经验； 发现源模板设计存在雕度不足的问题。 关键词：注塑机拉杆有限元分析螺纹卸载槽优化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t af i e - b a ri sa l li m p o r t a n ts u b j e c t e d p a r ti n a l li n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e 。i t s c o m p l i c a t e dl o a do f t e nl e a di tt op r e m a t u r ef a i l u r ew h e ni ti si nu s e s t r e s sa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no fa t i e b a ri st h ei m p e r a t i v e l yr e s o l v e dp r o b l e mi nt h ed e s i g no fa ni n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n do p t i m u md e s i g nh a v eb e c o m em o r ei m p o r t a n tm e t h o d so fd e s i g nf o rt h ec o m p l i c a t e d l o a dp a r t so rt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ep a r t s , t h e ya r es u i t a b l et or e s o l v et h eh a r dp r o b l e m o f at i e - b a rd e s i g n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ：s t r e s sa n a l y s i sa n ds t r a i n m e a s u r eo fa ni n t e g r a t e dm o d e lo ft i e - b a r sa n dp l a t e n so fa ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ， s t r e s sa n a l y s i sa n dp a r a m e t r i co p f i m i z a t i o no f t h r e a d so f at i e b a r ，p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n o f t h es l o t sf o rr e l e a s i n gs t r e s sw h i c ha r ea d j a c e n tt ot h r e a d so f af i e - b a ra n d5 t r e s sa n a l y s i s u n d e rd e f l e c t i v el o a db e f o r eo ra f t e rt h ep a r a m e t e r so ft h r e a da n ds l o to fat i e b a rw e r e o p t i m i z e d t h er e s u l to f t h er e s e a r c hh a sc e r t a i nc a t h o l i c i t y i tc a no f f e ram e t h o do f s t r e s s a n a l y s i sa n do p t i m u md e s i g no fat i e b a rf o rt h o s ee n t e r p r i s e sp r o d u c i n gi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e s a n di tc a no f f e raf o u n d a t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n to nt h ed e s i g no f p l a t e n s f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h es u r v e yo ft h ei n t e m a la n de x t e r n a lr e s e a r c ho fa t i e b a ro f a ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e t h o u g h to fi t sp r e m a t u r ef a i l u r ew h e nat i e - b a ro f a ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ew a si na c t u a lu s e ，a n i n t e g r a t e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l w h i c hc o m b i n e dw i t ht i e - b a r sa n dp l a t e n sw a sb u i l t u pt o a c h i e v et h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o no f at i e - b a ro nt h ee f f e c t so f p l a t e n s d e f o r m a t i o n t h r o u g ht h es t r a i nm e a s u r e ， i tt e s t i f i e dt h a tt h er e s u l to f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc o r r e c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tp r e m a t u r ef a i l u r em a i n l yh a p p e n e dt ot h et h r e a d p a r t so fat i e b a r ，2 - dg e o m e t r i cm o d e l sa n dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l sa n d o p t i m u mm o d e l so ft h et r i - t h r e a dp a r ta n dt h et r a p e z i f o r mt h r e a dp a r to fat i e b a rw e r eb u i l t u p b yu s eo f t h ea p d ll a n g u a g e t h er e s u l tw a sa c h i e v e db yu s eo f an o n l i n e a rc a l c u l a t o r o f a n s y s b y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h r e a dp a r t so f at i e - b a ru n d e rd e f l e c t i v el o a d , i 华中科技大学硕士学位论文 i tt e s t i f i e dt h a tt h ep a r a m e t e r so ft h r e a d sa n ds l o t sa f t e ro p t i m i z e da r em o r eb e t t e r t h e r e a s o n so f l a r g e rd e f l e c t i v eb 越o f at i e - b a rw e r ee x t r a c t e d t h et h e s i so b t a i n e dt h ef o l l o w i n gm a i nr e s e a r c hr e s u l t s ：t h ei n t e g r a t e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e lo f t i e b a r sa n dp l a t e n s ，t h ei n t e g r a t e dm o d e lf o rf m i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no ft h ep a r a m e t e r so ft h r e a d sa n ds l o t so fat i e - b a r ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e lo f t h r e a dp a r t so f at i c _ b a ru n d e rd e f l e c t i v el o a dh a sb e e ne s t a b l i s h e d 。m o r e b e t t e rp a r a m e t e r so fat i e - b a rw e r ea c h i e v e d d e s i g n i n ge x p e r i e n c eo fs t r e s sa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no f at i e - b a rw a sp i c k e du p t h ep r o b l e mo f l a e ko f s t i f f n e s si no r i g i n a ld e s i g n p l a t e n sw a sf o u n d k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e t i e - b a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h r e a ds l o tf o r r e l e a s i n gs t r e s so p t i m i z a t i o n l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位 仑文是我个人在导烬指导下进行的研究工作及取霉的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写造的研究戏采。对本文的研究做出贡靛的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 ， 学位论文作者签名：名么钐 r 期：编年缈月万| ：_ l 学位论文版权使用授权书 本学位论文 乍者完全了解学校有关保留、使蠲学位论文的援定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华睁科技大学可以将本学位论文的全帮或部分内容编入有关数据库进行硷 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属y - 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 ( 清在以上方框内打“) 学位论文俘者签名：名次饬勺乡 指导敦郯签名： 同期：伽后年舾月彩旧 日期：州铆膨日 出杪白 咿 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 柳州市华工百川橡塑科技有限公司从上个世纪五十年代起开始设计和生产注塑 机等橡塑机械，公司主导产品为热塑性和热圃性塑料注射成型机、新型b m c 注塑机， 注射成型机锁模力从4 0 0 k n 2 5 0 0 0 k n 等4 0 多种规格，现仍然采用经验设计法开展 注塑机的设计工作。为研究注塑机的主要承载零件早期断裂失效的原因，确保注塑机 的可靠性，该公司与广西工学院合作就注塑机的主要承载零件开展有限元分析与结构 优化的研究工作。由本人主持的项目“注塑机模板变形对拉杆受力影响的试验研究”， 获得广西壮族自治区教育厅的立项，项目编号为2 0 0 5 0 8 1 5 6 。 1 2 课题的研究背景及意义 注塑机的合模机构有肘杆式、液压式和电动式等多种结构形式。其中，肘杆式合 模机构具有行程放大比和力放大比较大、合模油缸所需的行程较短、利用肘杆机构的 自锁能力进行锁模以节省能耗、合模速度快、抗胀模能力强、液压系统简单、成本低 等特点，是我国( 包括台湾地区) 和日本等亚洲生产区域的主要机型。液压式合模机 构以液压力直接推动或拉动动模板进行锁模，具有合模精度高、开模力大和开模行程 大等特点，是当前欧美各国的主流机型。电动式合模机构以伺服电机驱动滚珠丝杠带 动肘杆机构进行锁模，具有低能耗、低运行成本、高精度、高速度性能、易于控制、 环保等优点，是日本欲与欧美的液压式注塑机竞争而大力开发和推广的新型注塑机。 近年来，为满足快速换模和利用机械手进行自动化生产的需要，e n g e l 公司等企业开发 出无拉杆电动注塑机。无拉杆注塑机采用c 型结构的基础构架，在保证机台刚性和制 品成型精度方面，具有定的难度，无拉杆注塑机的发展受到定的限制，市场上的 主流产品仍然是有拉杆的注塑机【3 6 1 。 在肘杆式、液压式和部分电动式注塑机中，以4 根拉杆以及定模板和调模板形成 封闭式框架结构，通过液压或电动驱动肘杆机构或直接以液压方式推动动模板进行锁 华中科技大学硕士学位论文 模，锁模力全部传递到拉杆上，拉杆兼有承载和导向的双重作用l l 。我国主要生产 肘杆式注塑机【7 1 ，拉杆是其主要的受力零件，也是关键零件之一对于年产值亿元左 右的注塑机生产企业，每年因拉杆的早期断裂赔付损失就可达数十万元，拉杆的早期 断裂是多年来一直困扰生产厂家和使用单位的难题【k9 】。拉杆的早期断裂与拉杆的受 力状况有关，拉杆不仅承载全部锁模力，同时注塑机各模板在锁模力的作用下产生弯 曲变形，模板的变形使拉杆产生附加弯矩，致使拉杆的局部应力过大而引起断裂。 根据在注塑机生产企业对某型2 0 0 t 注塑机拉杆的测试结果分析来看，拉杆尾部卸 载槽的应力最大，中段局部应力较小，其应力分布的不均匀度高达2 5 倍。 表1 1 说明模板变形对拉杆所产生的附加力矩是很大的，若无理论根据地简单增加 模板厚度以提高刚性或加粗拉杆都会较大幅度地提高注塑机的制造成本，还可能使拉 杆的应力分布更不合理，反而会增加拉杆出现早期断裂的危险。因而，研究各模板的 弯曲变形及其附加弯矩对拉杆应力分布的影响，以理论为指导对拉杆的结构参数进行 优化，以改善拉杆的应力分布，减少应力集中现象，这对预防拉杆的早期断裂以及提 高拉杆的使用寿命，是有着极强的现实意义。 表1 - 1 某型2 0 0 t 注塑机拉杆的测试结果( 单位m p a ) 、测试点 l 点2 点 3 点 4 点 5 点6 点 7 点 8 点 拉杆部位、 拉杆l 1 2 9 1 61 1 2 3 21 1 1 4 99 3 2 l1 3 7 1 8 1 0 3 1 9 1 1 0 4 98 2 1 9 拉杆2 1 1 3 0 6 9 5 7 4 1 3 4 3 91 4 2 9 61 2 4 0 28 7 8 61 2 5 9 71 5 0 3 8 拉杆3 1 34 7 7l 】5 8 78 0 5 81 l9 6 5j 4 7 ，1 31 1 4 力7 6 4 61 2 2 4 7 拉杆4 1 0 1 1 21 1 8 8 31 4 3 3 91 4 1 2 69 1 7 01 2 9 3 71 3 5 7 21 3 7 0 4 拉杆尾部 1 9 3 7 51 1 2 8 51 4 6 6 61 1 7 8 31 8 1 4 61 1 6 7 91 2 0 2 31 0 5 3 l 1 3 国内外研究概况 国内主要对注塑机中的定模板、动模板和调模板进行单一零件的有限元分析，主 要研究简化形式模板的应力分布、变形量和结构拓扑优化【1 0 b l 。模板的有限元分析能 够较好地预见各模板的应力分布以及可能出现裂纹的位置，由于采用简化的模板进行 分析，其计算结果与测试结果相比误差约为3 0 t 1 4 1 。而对于拉杆的研究，主要集中于 2 华中科技大学硕士学位论文 拉杆两端螺纹的应力集中问翘坫一6 1 。台湾学者就拉杆断裂问题提出在不增加整机重量 的情况下，用拓扑优化方法获得良好形状的定模板，以提高定模板的刚性朔，未用定 量方法研究模板变形对拉杆应力分布的影响。 国外对拉杆螺纹断裂的现象开展了裂纹的形成、扩展和材料性能分析等方面的研 究，未做拉杆应力分布与影响的定量分析1 9 j 。要了解注塑机中各模板变形对拉杆应力 分布的影响，不适于对拉杆单一零件进行有限元分析，需要将各模板与拉杆组合成一 整体进行有限元分析整体有限元分析方法在液压机和压铸机的设计中己获得成功应 用 i t t 2 0 ，但在国内外的相关期刊和学位论文中均未检索到整体应力分析方法在注塑机 设计中应用的情况。综合研究注塑机中各模板的变形对拉杆应力分布的影响、拉杆的 应力分析与结构参数优化等方面的研究亦未见正式报道。 1 4 本文的主要内容和方法 针对某型2 0 0 t 肘杆式注塑机中拉杆易出现早期断裂问题，将适当简化的拉杆、定 模板、动模板、调模板以及工字车臂与测试用假模等组装成一整体，将肘杆产生的锁 模力简化到动模板和调模板的相应表面，在各零件之间设置接触对，利用a n s y s 有 限元分析软件的非线性接触算法进行整体应力与应变解算，以获得拉杆主要应力与应 变分布的特点。并用应变测试结果检验有限元分析模型是否符合各零件的实际应变情 况。 在注塑机的实际使用过程中，常出现拉杆沿螺纹与螺母配合的第一牙型根部断裂 的现象。针对这一问题，用a n s y s 内嵌的a p d l 语言建立拉杆固定端中三角螺纹与 螺母、拉杆传动端梯形螺纹与螺母的二维几何模型、有限元应力分析模型以及其参数 优化模型。用a n s y s 内嵌的有限元分析和优化解算器对该弹性变形的优化模型进行 优化计算，以降低拉杆螺纹的最大应力。并用弹塑性分析方法和接触算法计算并分析 拉杆螺纹在参数优化后的效果。 在掌握拉杆螺纹应力分布特点的基础上，用a n s y s 内嵌的a p d l 语言建立拉杆 卸载槽的二维几何模型、有限元模型和结构参数优化模型。结合a n s y s 的有限元分 析及其内嵌的优化解算器对以上优化模型进行优化计算，在限制拉杆卸载槽加工量最 华中科技大学硕士学位论文 小的同时，以期克服拉杆螺纹在卸载槽附近的局部应力集中问题，使其应力分布均匀 化。 针对模板变形产生附加于拉杆上弯矩较大的特点，用a n s y s 内嵌的a p d l 语言 建立简化拉杆与定模板或调模板的二维几何模型和有限元整体分析模型。从拉杆与模 板的三维整体应力分析模型中提取拉杆相应部位横截面上的位移与轴向拉力，将其加 载在二维的拉杆、螺母与模板的有限元分析模型上，用弹塑性分析方法和接触算法计 算及分析优化后拉杆螺纹的应力分布特点，并与原螺纹参数的应力状况进行对比，以 检验拉杆螺纹与卸载槽参数优化的效果。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 拉杆与模板的整体应力分析 本章主要针对肘杆式注塑机中拉杆易出现早期断裂问题，建立拉杆与模板等的三 维几何模型、整体有限元分析模型，着重分析拉杆的应力分布特点。 2 1 拉杆与模板三维几何模型的建立 根据本文研究的重点在于拉杆的应力分析与优化，对于定模板、动模板、调模板 和工字车臂等零件，利用u g 软件的特征建模方法快速建立这些零件的三维图形。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，可取其一半用于有限元分析即可，将绘制 好的各零件在u g 环境下组装成一整体结构，并转化为p a r a s o l i d 格式输出，以备 a n s y s 调入和使用1 2 1 1 ，其整体几何模型如图2 1 所示。 图2 - 1 拉杆与模板的三维整体模型 华中科技大学硕士学位论文 2 2 拉杆与模板整体有限元分析模型 2 2 1 网格划分 定模板、动模板、调模板和工字车臂是用球墨铸铁q t s 0 0 制造的铸件，取其弹性 模量为1 7 3 g p a ，泊松比为0 2 7 ，辅助块也采用该设定值；拉杆与其它部分为钢制件， 弹性模量取为2 0 6 g p a ，泊松比为0 2 9 z 2 j 。对于辅助块，用g l u e 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嘲。拉杆 与模板的三维几何模型较为复杂，以s o l i d 9 2 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1 8 9 1 5 个单元，节点数为3 0 9 2 7 ；动模板分 配3 1 8 3 5 个单元，节点数为5 2 1 4 6 ；调模板分配3 6 4 6 6 个单元，节点数为5 6 4 5 1 ；上 拉杆分配2 4 1 5 6 个单元，节点数为3 6 3 2 6 ；下拉杆分配2 3 8 5 1 个单元，节点数为3 5 9 1 9 工字车臂分配3 2 0 9 5 个单元，节点数为4 9 3 9 9 ；分配给其它零件与辅助块的单元数为 1 2 8 0 7 ，节点数为2 5 7 1 1 。整个模型总共使用单元数为1 8 0 1 2 5 ，节点数为2 8 1 5 5 9 ，符 合a n s y s 有限元计算的极限单元数要求。 2 2 2 接触对与约束条件设置 在图2 - 2 中，用c o n t a c t p a i r 模块定义各零件之间的接触面。其中，各模板与工字 车臂与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 2 4 2 5 1 。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 0 5 1 2 6 1 。 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 图2 - 2 拉杆与模板的整体有限元模型 车臂沿拉杆长度方向是固定的。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 载荷的施加 拉杆与模板整体模型的载荷施加于图2 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4 0 。 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 矩唧。本章以图2 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 力为乃，则 图2 3 注塑机肘杆式合模机构 仃，：昙：2 9 4 5 ( m p a ) ( 2 1 ) 拍 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 厶则 m = 仃, , b y d y ( 2 - 2 ) 其中，c r l 为弯矩m 引起的承载面上y 向应力，且在y 向为线性分布f 2 町。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2 3 中由下往上的方向，其坐标原 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j ，向为相反的 方向。可设 吒= a y ( 2 3 ) 其中，口为常数。将( 2 - 3 ) 式代入公式( 2 2 ) ，则有 m = 西1 口b h 3 ( 2 - 4 ) 由( 2 4 ) 式解得 7 华中科技大学硕士学位论文 口：i 1 2 m ：1 6 8 8 8 1 0 6 矿 综合( 2 1 ) 和( 2 - 3 ) 式可得动模板辅助块承载面上的应力分布为： o a = ol + o - - 2 9 4 5 + 1 6 8 8 8 y ( m p a ) 动模板辅助块承载面上的切向力为； 乃= 一8 0 4 1 6 ( 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： o t = o l + d 。= 3 5 2 6 + 4 0 5 3 0 y ( m p a ) 只= 8 0 4 1 6 ( ) ( 2 5 ) ( 2 妨 ( 2 7 ) ( 2 _ 8 ) ( 2 9 ) 在加载时，模板辅助块承载面上的应力分 布与切向力分两步进行加载。先加梯度应力的 载荷，后加切向力的载荷。每步加载时用 l s w r i t e 命令写入载荷步文件，以便在有限元 计算时用l s s o l v e 命令逐步读入载荷步文件。 图2 - 4 是该部分梯度应力与切向力加载后的效 一 豳2 - 4 调模扳辅助块承载面加载情况 果。 2 3 拉杆与模板整体计算结果与分析 图2 - 5 为采用增广l a g r a n g e 非线性 接触算法对合模力为2 0 0 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2 3 5 t 的合 模力进行加载。其中，最大等效应力为 3 9 4 m p a ，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 9 6 6 删。 图2 5 拉杆与模板整体计算的等效应力云图 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 。1 拉杆的计算结果 图2 - 6 中显示，上拉杆在图中左 边的定模板端呈现向下弯曲变形，而 其在图中右边的调模板端呈现向上 弯曲变形，上拉杆z 向最大位移量为 1 5 4 r a m ；下拉杆的弯曲变形很小，星 直线状，其z 向最大位移量为 1 2 2 r a m 。图2 - 7 、图2 - 8 分别为上下 豳2 - 6 拉杆的等效应力云图 拉杆靠近调模板端卸载槽上的等效 应力云图。其中，上下拉杆的最大应力均出现在卸载槽的圆角处，上拉杆圆角部分的 图2 7 上拉杆近调模板端卸载橹的应力云图图2 - 8 下拉杆近调模板端卸载槽的应力云图 最大等效应力为2 1 0 m p a ，下拉杆圆角部分的最大等效应力为1 9 1 m p a 。图2 - 9 、图 2 1 0 分别为上下拉杆靠近调模板端卸载槽中部断面的等效应力分布云图。其中，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1 7 8m p a ，最小值 为8 8 5 m p a ，其最大与最小应力之比为2 o l ；下拉杆近调模板卸载槽中部断面上的 豳2 - 9 k 拉杆近调模板端卸载槽断面的应力分布图2 - 1 0 下拉杆近调模板端卸载槽断面的应力分布 9 华中科技大学硕士学位论文 应力在内侧靠近中部偏上有最大值1 6 3m p a ，最小值为i o g m p a ，其最大与最小应 力之比为1 5 l 。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。这是因为模板变形对拉杆产生附加弯 矩所引起的应力分布不均匀现象，从而导致拉杆螺纹在近卸载槽处容易出现断裂破 坏。 对于仅考虑单向拉伸力的拉杆，其简化的理论计算公式卧为： i s q = _ ( 2 一l o ) o 其中矾为拉伸应力，为合模力， 1 为拉杆数量，f o 为拉杆卸载槽的最小截面积。对 于最小断面直径为7 5 m m 的拉杆，在单向拉伸时其应力为1 3 0m p a 。拉杆卸载槽中部 有限元分析的最大应力与单向拉伸的平均计算应力相比，其比值为1 3 7 ；而相对于圆 角部分来说，则为1 6 2 。可见，仅用单向拉伸的计算公式来估算拉杆在卸载槽部分的 应力值是不准确的，也是不可靠的 2 3 2 定模板的计算结果 从图2 1 l 中可知，定模板的最大等效应力为2 8 0 m p a ，出现在其喇叭口与加强筋 的连接处。因模板材料为球墨铸铁，属脆性材料，适宜用第一强度理论来校核强度1 2 1 。 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2 9 6m p a 。 最大应力的位置与图2 - 1 2 中定模板在使用过程中常出现裂纹的部位相符。从图2 1 3 图2 - 1 1 定模扳的等效应力云图 图2 - 1 2 定模板的裂纹位置 中可知，定模板喇叭口处向前的z 向变形量最大为o 2 8 5 m m ，其上部向后的z 向变形 量最大为o 5 1 2 r a m ，前后变形量之差约为o 8 m m 。因此，该注塑机在合模时，定模板 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的变形量是较大的，容易使模具在合模时出现闭合不良的问题 图2 - 1 3 定模板的z 向变形云图 2 3 3 动模板的计算结果 从图2 1 4 可知，其最大等效应力出现在动模板支撑台的内槽处，为3 9 4 m p a ，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1 2 4 m p a ，即在图2 - 1 5 中k 形加强板的中上部，是可能出现裂纹的地方该注塑 图2 - 1 4 动模扳的等效应力云图 图2 一1 5 动模板的第一主应力云图 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 2 7 1 删，其下部的最 大位移量为0 7 4 1 朋n ，相对最大位移为o 4 7 聊雄，图2 - 1 6 是反映动模板z 向变形情况的云 图。动模板的变形量相对于定模板要小4 1 ， 图2 - 1 6 动模板的z 向变形云图 1 l 华中科技大学硕士学位论文 这说明动、定模板变形的协调问题有待改善。 2 3 4 调模板的计算结果 在图2 1 7 中，调模板的最大等效应力出现在其支撑平台的侧面，为2 6 0m p a ，且 属压应力，裂纹不易在此处形成与扩展。在图2 1 8 中，最大第一主应力出现在调模板 的顶部圆角处，为2 0 0 m p a ，是较易形成裂纹的地方。在图2 1 9 中，调模板的最大与 最小位移之差为o 7 4m m ，且上部向后倾斜，这与定模板的变形较大有关。 图2 1 7 调模板的等效应力云图图2 - 1 8 调模板的第一主应力云图 图2 - 1 9 调模板的z 向变形云图 2 3 5 t 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2 - 2 0 中该零件在其上部的拉杆孔边存在2 0 5m p a 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 錾煎蕉蕉丝笪量盔查左墅堕丕盔：国2 ：2 1 虫垫扛兰三主圭壁壁丝盟旦叠量丕竺墼座左 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2 0 工字车臂的等效应力云图 为1 6 8 m p a ，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。至于合模油缸导杆 的固定，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，图2 2 2 是 建议改进的调模板结构形式。 图2 2 l 上拉杆与工字车臂接触处的应力状况 图2 - 2 2 带油缸导杆同定块的调模扳 2 4 本章小结 本章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 长期使用过程中，会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。 华中科技大学硕士学位论文 3 拉杆与模板的应变测试 为验证第二章中拉杆与模板整体有限元静态分析结果，本章以所分析的某2 0 0 t 注塑机为实例，阐述其拉杆与模板应变测试的方法与结果，并与有限元计算结果进行 对比分析。 3 1 应变测试的准备工作 3 1 1 实验方法 本实验采用图3 1 的应变测试平 台，采用电测法测量模板及拉杆的应 变，图3 2 是测试系统的流程图。电测 法是由传感元件对非电量( 如：力、 应力、应变等) 的变化转换成电量的 图3 - 1 注塑机的应变测试平台 变化，经过测量电路的放大与处理， 并在仪器的读数装置上反映出来的一种测量方法。本实验中，将电阻应变片牢固地粘 贴在被测的模板上，模板在受力变形的时候，应变片的电阻值也将随之发生相应的改 变。通过动态电阻应变仪，测出电阻的变化，信号经过i n v 3 0 6 d f 智能信号采集处理 分析仪转换成电压信号显示出来，再用标定值将电压值换算出相应的应变值例。 3 1 2 实验设备与装置 电 】n v 阻测 y d 一2 l 型 3 0 6 1 】f 智 应 量 动杏电阻 呻 能信号采 变 电 应变仪 羹处理分 片 析仪 图3 - 2 动态应变测试系统框图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 注塑机1 台，型号；l s - 2 0 0 ，锁模力：2 0 0 0 k n ( 2 ) y d - 2 1 型动态电阻应交仪2 台，测量精度：l 口 ( 3 ) i n v3 0 6 d f 智能信号采集处理分析仪l 套 ( 4 ) 电阻应变片；一级箔式胶基片 ( 5 ) 导线、电烙铁、铲刀、丙酮、砂布、粘合剂、胶布等 3 1 3 电阻应变片的粘贴 ( i ) 应变片的选择：首先对应变片进行检查，然后测量各应变片的好坏与否， 并且根据测量的电阻值进行分组。 ( 2 ) 模板表面的处理：对粘贴应变片的表面进行清洁处理，用丙酮擦洗测点处 的表面以清除油污，再使用砂布斜4 5 。打磨出交差的条纹以增加贴片粘结力。 ( 3 ) 应变片的粘贴；在粘贴片处和应变片的基底各涂上一层薄薄的粘合剂，稍 等片刻后，用一层透明的塑料薄膜将应变片粘贴在预定的位置上，用手挤压出多余的 粘合剂，等粘合剂干后将引出线拉离零件表面，用胶稚将电阻应变片的引线与零件隔 开，以避免短路。 ( 4 ) 导线的固定和焊接；用胶布将导线固定在被测的零件上，将其与应变片引出 线焊接牢靠，再使用胶布把导线和零件隔绝避免两者接触，然后测量应变片的电阻值 以检查焊点的质量。 3 2 应变的测试与数据处理 3 2 1 应变测试点的布置 在每根拉杆上距离定模板 l o o m m 及2 0 0 m m 处的两个横截面圆 周上各粘贴4 片应变片，应变片之间 互成9 0 。的夹角。在靠近调模板的拉 杆卸载槽处布置8 片应变片，四根拉 杆共贴4 0 片。图3 3 是拉杆上应变 片的布点图及拉杆的编号。 图3 - 3 拉杆应变测试的布点 1 5 华中科技大学硕士学位论文 在模板测试中，测点的选择和布置应当遵循以最少的测点达到足够真实地反映结 构受力状态的原则。同时，利用结构与载荷的对称性，尽量减少测点数日，减少测试 和数据处理的工作量和贴片误差。 依据前面第二章中注塑机定模板的有限元分析结果得知应力最大区域分布在喇叭 孔与加强筋的连接处，其最大应力约为2 8 0 m p a ；定模板背部喇叭孔附近变形最大， 最大变形量为0 2 5 5 m m ，由喇叭孔向四周呈线性递减的趋势，越远离载荷区其变形量 越小。实验就是要对定模板最大变形区以及最大应 力区进行测试。在考虑布点位置时，因为定模板的 背面不利于粘贴应变片，所以选择在定模板的正面 ( 模具安装面) 沿对称部位及4 5 。角方向布点。综 合考虑定模板的面积和现有仪器设备的性能后，确 定在定模板上共布8 个点。各个测试点的位置如图 3 - 4 所示。 图3 4 定模板应变测试的布点 动模板的十字中心以及沿米字部位的应力较大，因此对其高应力区进行测试。由 于动模板的背部安装有制件的推出机构，不方便贴片，因此在动模板正面( 模具安装 面) 沿对称和米字方向布点。该模板共测试8 个点，各测点的粘贴位置见图3 5 所示。 调模板较大的应力是发生在拉杆安装孔周围，调模板的背部也分布着较大的应力 实验本应对其高应力区进行应力测试，考虑到调模板后面安装有调模装置、内部有合 模机构，在其大表面处不方便布点，因而将测试点布在调模板的背面对称中心附近以 及侧面。每面各布4 个点，总共8 个测试点，图3 - 6 是其布点位置图。 阻厂翮 桫性 赠i 厂 l 爪嶝 i 【 冷硝 l 二。r 乙j 厂j 图3 - 5 动模板席变测试的布点图3 - 6 调模板戍变测试的布点 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 应变测试 在空载的情况下，对动态应变测试仪进行调零，并进行应变值标定。利用信号采 集仪将零应变信号和标定应变信号输入到计算机保存，以备计算测试应变值时使用。 将信号采集仪调到多踪随机采样状态，以便同时进行8 个点的测试。其采样频率以避 开现场的干扰源为原则，此处设置为3 0 0 h z 。之后，启动注塑机，编制好操作程序， 合模油缸的油压设置为1 4 m p a ，开模与合模的动作设置为三次，每至开、合模极限就 停机或保压3 秒，以使零件的弹性变形得以回复。在合模操作的同时，测试仪器对各 测试点的信号进行自动采样，测试信号通过信号采集仪以动态形式输入到计算机，动 态测试信号自动保存在计算机硬盘。图3 7 和图3 8 分别是注塑机在锁模、开模过程 中，对一根拉杆上靠近定模板处8 个点的采样信号。从图中可知，采样获得的信号完 整，无明显干扰信号，符合测试要求。注塑机在合模过程中，液压系统响应速度符合 要求，在其控制下合模机构实现了快、慢、快的锁模要求，锁模用时约为0 9 4 s 。开 模用时约为0 2 6 s ，开模过程具有先慢后快的特点。整个开、合模过程没有出现明显 的冲击现象，符合注塑机使用的要求 图3 - 7 锁模过程中拉杆的动态应变信号图3 - 8 开模过程中拉杆的动态应变信号 3 2 3 测试数据的处理 在i n n3 0 6 d f 智能信号采集处理分析仪采集到的电压时间关系图中，用2 4 点平 均法求出其锁模保压状态的电压平均值h ，再通过下式求出锁模保压时每一测试点的 应变值【3 0 l 1 7 华中科技大学硕士学位论文 。志岛( 3 - 1 ) 式中，q 。为测试点的最大应变值； h - 为测试点的峰值； 日为测试前应变在测试之前引起的响应； 硒为测试后应变氏在测试之后弓i 起的响应； 岛为动态电阻应变仪标定值。 对于弹性变形，构件应遵循虎克定律。由式( 3 - 1 ) 转换算出应变后，则应力可以通