注塑机合模装置失效分析与研究VIP

作 者 简 介 : 李 月 仙 , 女 , 1 9 7 3 年 生 , 1 9 9 6 年 齐 齐 哈 尔 轻 工 学 院 毕 业 , 在 读 硕 士 研 究 生 , 讲 师 。0 引 言注 塑 成 型 是 利 用 注 射 装 置 将 注 射 机 筒 中 已 经 熔 化的 热 塑 性 或 热 固 性 塑 料 以 高 压 高 速 注 入 到 闭 合 的 成 型模 具 型 腔 中 , 经 固 化 定 型 后 , 制 成 与 模 具 型 腔 完 全 一 致的 塑 料 制 品 。 注 塑 成 型 是 塑 料 制 品 加 工 最 重 要 的 工 艺过 程 之 一 。 目 前 , 全 世 界 多 于 1 / 3 的 热 塑 性 树 脂 采 用 注塑 成 型 加 工 。 注 塑 成 型 的 加 工 设 备 就 是 注 塑 机 。 注 塑 机是 集 机 械 、 电 子 、 液 压 于 一 体 的 设 备 , 具 有 生 产 率 高 、 后加 工 量 小 、 适 应 能 力 强 等 特 点 , 它 的 技 术 很 大 程 度 上 反映 一 个 国 家 的 机 械 、 电 子 、 液 压 等 基 础 工 业 的 水 平 。 迄今 , 全 世 界 注 塑 机 的 年 产 量 为 塑 料 加 工 机 械 总 产 量 的5 0 % 以 上 , 在 我 国 注 塑 机 的 年 产 量 约 占 整 个 塑 料 机 械的 4 0 % 左 右 。 一 台 现 代 化 注 塑 机 的 主 要 部 件 有 : 塑 化装 置 、 合 模 装 置 、 液 压 传 动 和 电 器 控 制 系 统 1 。1 合 模 装 置 简 介合 模 装 置 ( 见 图 1 ) 是 注 塑 机 中 最 重 要 的 机 械 部件 , 它 的 作 用 是 开 启 和 锁 闭 模 具 , 在 注 射 和 保 压 阶 段 锁紧 模 具 以 防 溢 料 。合 模 装 置 的 关 键 部 件 通 常 有 模 板 、 拉 杆 和 拉 杆 螺母 、 肘 杆 机 构 、 动 模 板 支 座 和 顶 出 机 构 。 其 中 模 板 是 作固 定 模 具 和 运 动 导 向 的 定 位 基 准 之 用 , 主 要 由 后 模 板( 调 模 板 ) 、 动 模 板 、 前 模 板 组 成 。 后 模 板 的 主 要 功 用 是调 节 模 具 厚 度 , 同 时 作 为 肘 杆 的 支 撑 点 , 推 动 动 模 板 来回 运 动 , 实 现 模 具 启 闭 动 作 。 拉 杆 的 作 用 是 连 接 前 后 模板 , 承 受 合 模 力 和 保 证 动 模 板 平 行 移 动 。 注 塑 机 有 三 种主 要 的 合 模 方 式 : 机 械 式 、 液 压 式 和 机 械 - 液 压 组 合式 。 机 械 - 液 压 式 的 典 型 结 构 是 双 曲 肘 斜 排 合 模 机 构 。由 于 双 曲 肘 合 模 机 构 具 有 力 的 放 大 特 性 , 故 省 力 、 速 度快 、 机 构 变 速 平 稳 、 运 动 特 性 较 好 ; 而 且 系 统 刚 性 大 、 结构 紧 凑 、 工 作 可 靠 , 故 制 品 的 尺 寸 精 度 好 ; 另 外 生 产 成本 较 低 , 因 而 得 到 广 泛 应 用 2 。2 合 模 装 置 的 主 要 失 效 形 式 及 其 原 因由 于 在 进 行 塑 料 制 品 生 产 时 , 合 模 装 置 的 各 部 件受 到 很 高 的 循 环 应 力 作 用 , 因 此 金 属 的 疲 劳 破 坏 就 成为 合 模 装 置 失 效 的 主 要 因 素 。2 . 1 模 板 的 疲 劳 断 裂模 板 是 注 塑 机 最 重 要 的 零 件 之 一 , 它 的 成 本 是 注塑 机 成 本 的 主 要 组 成 部 分 , 模 板 一 旦 断 裂 注 塑 机 就 得停 工 待 修 。 如 果 从 强 度 出 发 , 当 然 是 选 用 好 的 材 料 , 而且 将 模 板 做 得 厚 一 些 , 这 样 固 然 可 以 减 少 模 板 断 裂 的机 会 , 但 却 提 高 了 模 板 的 造 价 , 加 大 了 整 机 的 成 本 。 模板 的 材 料 通 常 为 低 碳 钢 、 铸 钢 或 韧 性 铁 , 制 造 者 从 性能 、 价 格 综 合 考 虑 , 通 常 采 用 球 墨 铸 铁 铸 造 模 板 , 这 主要 是 考 虑 : ( 1 ) 球 铁 成 本 低 , 在 模 板 上 铸 出 加 强 筋 或 将模 板 掏 空 , 可 有 效 减 少 件 重 ; ( 2 ) 由 于 减 少 加 工 面 且 球铁 本 身 容 易 切 削 加 工 , 可 有 效 减 少 加 工 成 本 ; ( 3 ) 球 铁刚 性 较 好 , 也 具 有 一 定 硬 度 。 尽 管 设 计 者 已 经 充 分 考 虑了 模 板 的 刚 度 和 强 度 , 但 模 板 断 裂 的 事 故 仍 时 有 发 生 。肘 杆 式 合 模 装 置 的 模 板 比 较 容 易 断 裂 , 这 与 其 结构 有 关 , 因 为 模 板 是 靠 整 个 系 统 的 刚 性 变 形 产 生 锁 模力 的 。 对 于 前 模 板 来 说 , 其 受 力 好 像 用 手 帕 包 东 西 一样 。 前 模 板 的 极 限 应 力 和 挠 度 取 决 于 模 具 的 尺 寸 。 大 型模 具 需 考 虑 模 板 的 极 限 挠 度 , 小 型 模 具 需 考 虑 模 板 的极 限 应 力 。 这 就 意 味 着 , 在 模 板 的 厚 度 设 计 中 要 限 制 在机 器 中 心 线 和 最 大 模 具 的 边 角 之 间 的 最 大 相 对 挠 度 ,使 之 耐 压 。 锁 模 力 一 旦 加 载 , 前 模 板 就 会 发 生 曲 挠 变 形和 围 绕 模 具 成 弧 状 变 形 , 形 成 一 种 凹 球 形 表 面 3 , 见 图2 。 要 注 意 的 是 中 间 如 果 挖 空 太 大 或 者 是 轴 对 称 线 附 近注 塑 机 合 模 装 置 失 效 分 析 与 研 究李 月 仙 亓 秀 梅( 太 原 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 山 西 太 原 0 3 0 0 2 4 )【 摘 要 】 介 绍 了 肘 杆 式 合 模 装 置 失 效 的 主 要 形 式 , 分 析 了 其 关 键 部 件 模 板 和 拉 杆 发 生 疲 劳 破 坏 的 主 要 原 因 , 提 出了 在 注 塑 机 合 模 装 置 设 计 中 采 用 有 限 元 分 析 和 优 化 设 计 的 必 要 性 。【 关 键 词 】 注 塑 机 ; 模 板 ; 拉 杆 ; 疲 劳 破 坏 ; 有 限 元【 中 图 分 类 号 】 T Q 3 2 0 . 6 【 文 献 标 识 码 】 A 【 文 章 编 号 】 1 0 0 3 - 7 7 3 X ( 2 0 0 7 ) 0 4 - 0 0 2 5 - 0 3图 1 合 模 装 置 示 意 图第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月N o . 4 ( S U M N o . 9 7 ) M E C H A N I C A L M A N A G E M E N T A N D D E V E L O P M E N T A u g . 2 0 0 72 5 第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月存 在 铸 造 缺 陷 或 有 螺 钉 孔 、 销 孔 等 , 就 有 发 生 断 裂 的 危险 。 计 算 挠 度 值 最 精 确 的 就 是 使 用 有 限 元 程 序 4 。对 于 动 模 板 来 说 , 动 模 板 用 来 支 撑 模 具 的 移 动 部分 , 因 为 锁 模 力 经 常 加 载 到 离 机 器 中 心 线 较 近 的 地 方而 不 是 拉 杆 所 在 的 边 角 附 近 , 所 以 动 模 板 比 静 模 板 要薄 一 些 。 动 模 板 曲 挠 可 以 是 凸 形 的 或 是 凹 形 的 , 这 取 决于 合 模 力 加 载 处 离 中 心 的 远 近 程 度 。 对 于 肘 杆 式 合 模装 置 , 其 锁 模 力 加 在 中 心 线 上 , 曲 挠 是 凸 形 的 , 见 图 3 。由 于 力 臂 较 长 , 故 水 平 轴 线 发 生 断 裂 的 危 险 最 大 。对 于 后 模 板 ( 见 图 4 ) , 其 受 力 与 前 模 板 相 似 , 杆 传 递 到 后 模 板 以 在 与 铰 耳 相 连 的 承 重面 上 。 但 是 肘 杆 式 合 模 装 置 的 行 程 较 短 , 从 设 计 的 角 度出 发 , 为 了 增 加 开 合 模 行 程 , 势 必 要 减 少 图 4 中 A 的尺 寸 , 这 也 是 导 致 模 板 断 裂 的 主 要 原 因 之 一 。再 者 , 由 于 加 工 和 安 装 的 原 因 , 如 两 边 前 后 肘 杆 和4 根 拉 杆 不 等 长 ; 模 板 厚 薄 不 均 ; 模 具 的 安 装 面 不 平行 ; 以 及 模 具 分 型 面 刚 刚 闭 合 时 , 上 下 肘 杆 形 成 的 初 始角 不 同 等 均 会 使 肘 杆 受 力 不 均 。 从 而 导 致 模 板 受 力 不均 匀 , 引 起 局 部 超 载 而 断 裂 5 。2 . 2 拉 杆 的 失 效对 液 压 - 机 械 式 合 模 机 构 而 言 , 拉 杆 是 合 模 挠 度的 最 大 承 担 者 , 它 对 合 模 机 构 的 刚 度 有 着 重 大 影 响 。 另外 , 拉 杆 实 际 受 到 的 应 力 有 时 可 能 达 到 额 定 应 力 的 5倍 6 倍 。 因 此 , 疲 劳 破 坏 、 过 载 拉 断 、 温 度 应 变 、 复 合 应变 所 导 致 的 拉 断 、 瞬 时 冲 击 应 力 导 致 的 破 坏 都 是 造 成拉 杆 断 裂 的 主 要 原 因 。 在 合 模 机 构 中 , 拉 杆 是 最 易 发 生疲 劳 破 坏 的 部 件 。 而 且 疲 劳 破 坏 多 数 发 生 在 前 模 板 和拉 杆 螺 母 贴 合 处 , 第 一 个 拉 杆 螺 纹 的 倒 角 附 近 , 见 图5 。 其 原 因 是 : ( 1 ) 拉 杆 与 拉 杆 螺 母 的 螺 纹 载 荷 分 布 不 均匀 , 也 就 是 说 每 一 个 螺 纹受 到 的 载 荷 不 等 。 在 加 工螺 母 和 螺 杆 的 螺 纹 时 , 两者 的 螺 距 是 一 致 的 , 因 此两 者 之 间 的 接 触 也 是 均等 的 。 当 一 个 载 荷 加 在 拉杆 上 , 拉 杆 在 拉 应 力 下 绷紧 , 而 螺 母 受 到 压 缩 。 所 以 , 最 靠 近 螺 母 承 载 面 的 第 一个 拉 杆 螺 纹 承 受 的 载 荷 是 螺 纹 平 均 载 荷 的 2 倍 3 倍 。( 2 ) 前 模 板 的 拉 杆 螺 母 固 定 端 是 不 可 调 整 的 一 端 , 当安 装 不 同 的 模 具 时 , 连 接 后 模 板 处 的 可 调 节 螺 母 总 是移 动 到 一 个 新 位 置 。 因 此 , 发 生 在 拉 杆 可 调 整 末 端 的 裂纹 停 止 延 长 。 而 拉 杆 静 止 的 一 端 就 要 惨 遭 厄 运 , 因 为 此处 的 螺 母 是 不 动 的 。 此 处 的 裂 纹 可 能 一 直 在 扩 展 变 大 ,直 到 发 生 破 坏 。因 此 , 借 助 有 限 元 法 对 注 塑 机 拉 杆 的 优 化 设 计 十分 关 键 , 因 为 通 过 弹 性 力 学 方 法 难 以 计 算 螺 纹 牙 根 处的 应 力 分 布 , 更 无 法 确 定 其 应 力 集 中 系 数 6 。3 结 束 语长 期 以 来 , 模 板 和 拉 杆 的 设 计 主 要 凭 借 直 觉 和 经验 , 以 手 工 计 算 为 主 , 计 算 模 型 粗 糙 , 设 计 保 守 , 缺 乏 科学 依 据 , 具 有 较 大 的 盲 目 性 , 而 且 成 本 高 , 质 量 也 难 以保 证 , 导 致 在 实 际 的 生 产 中 , 模 板 和 拉 杆 经 常 发 生 不 同程 度 的 疲 劳 断 裂 问 题 。 一 旦 设 计 不 当 的 机 器 被 生 产 出来 , 并 且 已 经 出 售 , 而 此 时 再 去 纠 正 这 些 设 计 缺 陷 的 成本 是 相 当 昂 贵 的 。 要 保 证 高 质 量 的 产 品 输 出 必 须 保 证高 质 量 的 设 计 输 出 。 因 此 将 计 算 机 辅 助 设 计 和 有 限 元分 析 应 用 到 注 塑 机 合 模 装 置 的 设 计 中 是 十 分 重 要 的 。参 考 文 献 1 北 京 化 工 大 学 , 华 南 理 工 大 学 . 塑 料 机 械 设 计 M . 北 京 : 中 国轻 工 业 出 版 社 , 1 9 8 3 . 2 陈 世 煌 . 塑 料 成 型 机 械 M . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2 0 0 5 . 3 美 奥 斯 瓦 德 ( O s s w a l d , T . A . ) 美 格 尔 曼 ( G r a m a n n , P . J . ) 美 特 恩 格 ( T u r n g , L . ) 编 著 . 吴 其 晔 , 等 译 . 注 射 成 型 手 册 M : 化 学 工 业 出 版 社 , 2 0 0 5 . 4 黄 步 明 . 注 塑 机 模 板 断 裂 的 原 因 及 预 防 J . 工 程 塑 料 应 用 ,2 0 0 0 , 1 3 ( 1 ) : 2 8 2 9 . 5 龚 雅 萍 . 材 料 力 学 测 试 与 有 限 元 分 析 技 术 在 注 塑 机 拉 杆 结构 分 析 中 的 应 用 J . 机 械 设 计 与 制 造 . 2 0 0 5 ( 2 ) : 1 5 1 6 . 6 谢 永 和 , 罗 琳 胤 . 注 塑 机 拉 杆 螺 纹 的 应 力 集 中 问 题 设 计 研 究 J . 塑 料 工 业 2 0 0 1 , 2 9 , ( 4 ) : 2 4 2 5 .( 收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 1 2 - 0 7 ) ( 修 回 日 期 : 2 0 0 7 - 0 4 - 1 1 )图 2 前 模 板 的 载 荷 分 布 图 图 3 动 模 板 的 载 荷 分 布 图图 4 后 模 板 的 载 荷 分 布 图图 5 拉 杆 上 疲 劳破 坏 点 位 置 图( 下 转 第 2 9 页 )2 6 第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月第 4 期 ( 总 第 9 7 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 0 7 年 8 月A n A n a l y s i s a n d R e s e a r c h o n t h e F a i l u r e C a u s e s o f I n j e c t i o n M o u l d i n gM a c h i n e C l a m p i n g S y s t e mL i Y u e x i a n Q i X i u m e i( C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 , S h a n x i , C h i n a ) A b s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e m a i n f a t i g u e f a i l u r e f o r m s o f t h e j o g g l e c l a m p i n g s y s t e m a n d a n a l y z e s t h e c a u s e s o ft h e f a t i g u e f a i l u r e o c c u r r e d i n t h e k e y m e c h a n i c a l p a r t s s u c h a s p l a t e n a n d p u l l - r o d . M o r e o v e r , i t i s r a i s e d t h a t b o t h t h e f i -n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a n d o p t i m a l d e s i g n a r e i m p o r t a n t i n t h e d e s i g n o f i n j e c t i o n m o u l d i n g m a c h i n e c l a m p i n g s y s t e m . K e y w o r d s I n j e c t i o n m o u l d i n g m a c h i n e ; P l a t e n ; P u l l - r o d ; F a t i g u e f a i l u r e ; F E M ( F i n i t e E l e m e n t M e t h o d )根 据 不 同 柔 度 = l / i ( 其 中 l 为 杆 件 长 度 ; i 为 杆 件最 小 惯 性 半 径 ) , 分 为 下 列 三 种 情 况 : 当 1 0 0 ( 对 钢 材 ) 和 1 1 0 ( 对 木 材 ) 时 ,属 于 欧 拉 区 , 用 欧 拉 公 式 计 算 其 临 界 力 : Pl j= 2E J /( l )2N ; 其 校 核 条 件 为 :N Pl j/ 或 = N / F P / 式 中 : Pl j 压 杆 稳 定 的 临 界 载 荷 , 单 位 N ; 稳 定 安全 系 数 , 1 . 8 3 ; 长 度 系 数 , 因 支 点 情 况 不 同 而不 同 , 对 钻 塔 杆 件 取 两 端 铰 支 , 即 = 1 ; 当 4 0 1 0 0 ( 对 钢 材 ) 和 4 0 1 1 0 ( 对 木 材 ) 时 , 用 经 验 公 式 计算 其 临 界 力 , 即 : l j= ( a - b ) M P a , 式 中 : a 、 b 经 验 系数 。 对 钢 材 : l j= ( 3 0 4 - 1 . 1 2 ) M P a ; 对 木 材 : l j=( 2 8 . 7 - 0 . 1 9 ) M P a ; 校 核 条 件 为 : = l j/ 用 应 力 降 低 系 数 将 压 杆 稳 定 的 校 核 化 为 简 单 压缩 条 件 计 算 , 即 : = N / F y P a ,式 中 : 许 用 应 力 降 低 系 数 , 它 决 定 于 压 杆 的 材 料 及其 柔 度 。5 钻 塔 的 上 顶 下 底 尺 寸钻 塔 的 上 顶 尺 寸 是 指 上 顶 大 腿 轴 线 安 装 天 车 梁 底面 的 平 面 尺 寸 。 它 决 定 于 天 车 的 尺 寸 及 其 布 置 方 法 。 考虑 到 对 天 车 维 修 保 养 方 便 及 操 作 安 全 , 天 车 轮 缘 到 上顶 框 架 边 的 距 离 不 应 小 于 0 . 4 m 0 . 6 m 。钻 塔 底 座 设 计 为 6 m 6 m , 主 要 考 虑 能 适 合 安装 钻 机 和 立 放 钻 杆 , 同 时 也 与 2 7 米 钻 塔 底 脚 的 跨 度 相匹 配 , 底 梁 和 塔 梁 采 用 螺 丝 连 接 , 这 有 利 于 现 场 安 装 和搬 迁 运 输 。 钻 进 时 , 设 备 及 管 材 的 重 力 , 钻 塔 自 重 等 均通 过 钻 塔 底 座 传 给 地 基 。 由 于 水 2 0 0 0 钻 机 为 深 孔 钻进 , 设 备 的 质 量 较 大 , 加 以 在 复 杂 地 层 钻 进 时 , 事 故 处理 会 产 生 更 大 的 附 加 载 荷 。 如 果 地 基 强 度 不 足 , 会 影 响钻 塔 的 稳 定 并 大 大 降 低 钻 塔 的 负 荷 能 力 , 为 此 , 需 要 对塔 腿 下 基 础 的 基 坑 进 行 处 理 。用 基 台 木 作 钻 塔 基 础 时 , 基 台 木 与 地 基 接 触 面 积上 的 单 位 压 力 要 小 于 土 壤 的 承 压 能 力 。 A 2 7 米 钻 塔 腿结 构 是 用 # m m 、 # m m 、 # m m 管 子 焊 接 成 8节 桁 架 结 构 由 铰 链 连 接 。 用 两 脚 支 立 , 附 腿 斜 支 , 加 上8 条 绷 绳 使 钻 塔 得 到 整 体 稳 定 。 深 孔 钻 进 时 , 塔 腿 下 面浇 灌 混 凝 土 基 础 。 混 凝 土 基 础 埋 入 地 下 的 深 度 , 应 该 大于 该 地 区 的 冻 结 厚 度 。 基 底 的 面 积 可 按 土 壤 的 承 压 能力 用 下