注塑机螺杆强度的分析计算

注塑机螺杆强度的分析计算袁卫明;傅纪国【摘要】FocusingonthechargingfailureconditionoftheIMM'sscrewundertheplasticcondition,thepaperproceededtothestructuralandstressanalysistodeterminethescrewworkingstresswhichisthepulsecyclealternatingstress,andanalyzedtheshortageincalculatingscrewstresswiththeStaticstrengththeory,thusproposedamethodforaccurateandreliabilitycalculationofthetorsionandpresscomplexbasedonvariablestressinscrewastheFatigueStrengthTheory.Throughcomparativeanalysisoftheabovecalculatemethod,thecalculationsshowthatthiscalculatemethodcanmakethecalculationofthescrewstrengthaccordwiththepracticalapplication.TheresultsshowthatthereliablestressanalysisofthescrewandtheestablishmentoftheaccuratecalculatemodelcangivesometheoreticalbasistothestrengthevaluationmethodoftheIMM'sscrew.[Ch,3fig.12ref.]%针对注塑机螺杆在塑化状态下的失效情况进行结构和受力分析，确定螺杆的工作应力为脉动循环交变应力.分析目前螺杆按静强度理论的计算不足，并提出按疲劳强度理论对螺杆受扭压复合变应力进行精确可靠性计算的方法.通过实例对上述计算方法作出对比分析，计算表明该方法能够使螺杆的强度计算符合实际应用.结果表明对螺杆进行可靠的受力分析并建立精确计算模式,对注塑机螺杆强度的评价方法提供了一定的理论依据.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷)，期】2012(030)002【总页数】4页(P16-18,22)【关键词】螺杆;静应力;疲劳强度;可靠性计算【作者】袁卫明;傅纪国【作者单位】浙江申达机器制造股份有限公司，浙江杭州310038;浙江申达机器制造股份有限公司，浙江杭州310038【正文语种】中文【中图分类】TQ320.660前言螺杆是注塑机塑化部件中的核心零件，其作用是将固态塑料母粒通过剪切加热熔融为流态塑料，并通过螺杆的推动将其注入模腔。螺杆设计是注塑机设计的关键技术之一，螺杆在工作过程中不仅要承受注射时的高压，同时还要经受熔体的磨蚀和预塑过程中的频繁负载启动［1-2］。由于在设计中往往凭借设计者的经验确定螺杆各参数、材料、热处理等要求的选择，对螺杆的强度一般采用第三强度理论进行分析计算。因此中小直径的螺杆时常发生疲劳断裂，多数在加料段螺纹根部处发生断裂［3］。影响螺杆使用寿命的因素很多，如塑料原料、成型温度、螺杆加工质量、热处理、耐磨性、应力集中等，因此设计时必须通过对螺杆的受力分析，建立断裂失效模式，将载荷、材料强度及螺杆实际参数尺寸作为统一指标进行有效的强度校核，实现螺杆设计的可靠性［4-6］。1计算方法注塑机螺杆在预塑过程中，螺杆承受在背压作用力下的轴向压应力和马达扭矩作用下产生的剪切应力，整个预塑过程螺杆受扭压复合交变应力的作用，符合脉动循环变化特性（循环特性r=0），因此需按疲劳强度理论对螺杆进行强度的校核。疲劳断裂是螺杆失效的形式之一，因螺杆的实际尺寸、表面加工光洁度、表面强化、应力集中度等因素与疲劳强度相关，所以可先依据静强度理论设计确立螺杆的尺寸结构，再结合螺杆实际使用情况运用精确计算方法对螺杆进行疲劳强度的验算。以液压马达直驱、双缸注射的螺杆注塑机结构（图1）为例进行研究讨论，图中螺杆的联接为浮动联接，M为螺杆所承受最大扭矩，P为预塑时熔料对螺杆头部的压力，P0为预塑时油缸背压。图1螺杆结构受力图Figure1Bytryingtoscrewstructure1.1静强度计算目前设计注塑机螺杆时，一般采用螺杆强度计算按第三强度理论［7-8］进行扭压合成静强度计算，其强度条件为式中:or 复合应力；。——螺杆危险截面压应力；t——螺杆危险截面扭剪压应力；［。］——螺杆材料的许用应力；as——螺杆材料的屈服极限；ns——安全系数，一般取1.7~2.2。采用静强度计算法忽略了螺杆实际的工作状况，因螺杆在预塑过程中受扭压复合交变应力的作用，具有脉动循环变化特性，因此采用疲劳强度计算方法较合理。1.2螺杆疲劳强度计算在脉动循环下持久极限要考虑材料受应力集中、尺寸及表面质量等因素的影响，对材料的持久极限曲线加以修正。试验表明，各种因素只对交变应力中属于动应力部分的应力幅aa有影响，而对属于静应力部分的平均应力am并无影响。在螺杆设计时先按要求选定螺杆的参数，确定结构和尺寸，再根据螺杆的材料和受载情况进行强度校核。疲劳强度校核的过程是先确定出螺杆的危险截面，危险截面多数为加料段根部处。再计算危险截面的压应力or、扭剪应力T。1.2.1疲劳强度校核因注塑机螺杆在预塑转动过程中，承受轴向压力和转动扭矩作用。即危险截面上同时有正应力和剪应力作用，属于有双向稳定变应力作用，因此其危险截面疲劳强度按双向稳定变应力公式校核。即校核危险截面计算安全系数S计算公式为[9-10]式中：[S]——螺杆受复合应力的疲劳强度安全系数，取[S]=1.5~1.8;So——螺杆只受正应力的安全系数；St——螺杆只受剪应力的安全系数。So与St的计算式为式中：。-1和T-1——螺杆材料的疲劳极限；W。和5——螺杆材料特性常数；oa和Ta 应力幅；om和Tm 平均应力；Ko和Kt——综合影响系数。1.2.2影响疲劳强度的因素影响零件疲劳强度的主要因素有:应力集中、尺寸大小、表面质量等。零件的疲劳极限影响可用综合影响系数来表示。综合影响系数Ko与Kt的计算式为[11]式中:ko和kT 有效应力集中系数；£。和8T——螺杆尺寸系数；B。和&T——表面质量系数；Bq——表面强化系数。k。 与kT的计算式为式中:q。和qT——材料的敏感系数；a。和aT 理论应力集中系数。2.3脉动循环应力幅、平均应力分析注塑机的工作过程可知，螺杆所受轴向压应力和剪切应力都是交变应力，在一个循环中由零变为最大，后又减为零，这一过程为脉动循环变化，因此omin=0,交变应力变动于某一应力与零之间（图2）。图2交变应力。与时间t的关系Figure2Alternatingstress。andtimet应力幅用oa和Ta表示，即平均应力，用。m和Tm表示，即因此脉动循环有r=0式中:。——危险截面压应力；t——危险截面剪切应力。2实例计算已知90吨注塑机螺杆（图3）直径Ds=25mm，加料段螺槽深度h1=3.0mm，螺杆根部直径d1=19mm，液压马达驱动扭矩M=90N・m,螺杆转数n=200r/min，传动效率q=0.92，双缸注射油缸直径D0=100mm，活塞杆直径d0=50mm，预塑背压P0=1MPa。螺杆材料为氮化钢38CrMoALA，调质氮化处理，表面硬度HRC65，表面粗糙度Ra<0.8pmo图3螺杆结构尺寸图Figure3Screwthestructuredimensions2.1按疲劳强度校核2.1.1求危险断面上的压应力。、扭剪应力t危险断面的压应力。为危险断面的剪切应力t为危险断面应力幅、平均应力为2.1.2确定Sa与St所用的参数值根据螺杆材料及结构尺寸，由机械设计手册［12］中查得：2.1.3求综合影响系数K。与Kt综合影响系数K。与Kt为2.1.4计算安全系数因此螺杆危险截面计算安全系数S为因螺杆疲劳强度安全系数［S］=1.5-1.8,所以S>［S］，即满足疲劳强度条件。2.2按静强度校核2.2.1求危险断面上的压应力。、扭剪应力t（同上）2.2.2按第三强度理论计算复合应力or为2.2.3求许用应力[。]所以orv[o],即满足静强度条件。根据上述2种强度计算方法可知，虽然螺杆计算强度、安全系数均满足各许用值，但都比较接近。由于注塑机螺杆工作情况比较复杂，螺杆从原材料到加工为成品各环节对强度的影响较大。因此该螺杆存在断裂的危险性较大，其分析结果与实际使用情况相吻合。3结语采用疲劳强度对注塑机螺杆进行强度校核更能可靠地分析螺杆设计的合理性，在计算过程中通过对螺杆的结构、尺寸和表面状态、加工质量系数的调整获得可靠安全的设计，对螺杆断裂的主要原因分析及采取改进措施具有合理依据。如采用静强度计算只能说明螺杆强度是否满足设计要求，对螺杆使用工况、选材、加工等影响强度值未能综合表述，因此按疲劳强度对螺杆进行校核更符合要求。参考文献(References):[1]孙景昭.注塑机螺杆可靠性分析[J].塑料科技，1991(4):53-56.[2]陈福练，潘晓彬，付移风.注塑机料筒变功率加热装置设计[J].机电工程，2009,26(12):27-30.[3]李晓静.注射机螺杆断裂失效分析[J].塑料科技，2008,11(36):78-81.冯良为，岑运福.注射螺杆的可靠性设计[J].塑料机械，2002,1(3):34-40.杨玥，王柏村，袁卫明，等.全电动精密注塑机及其合模装置的比较与分析[J].轻工机械，2011,29(6):113-116.[6]袁云龙.基于遗传算法的注塑机肘杆机构优化设计[J].机电工程，2009,26(4):22-24.[7]北京化工学院.华南理工学院.塑料机械设计[M].北京:中国轻工业出版社，1998:334-336.[8]王兴