王佳赟1 李國平1 柳 麗1
陳星欣2 林仁友2 婁軍強1
1． 寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211
2． 海天塑機集團有限公司 浙江寧波 315801
摘 要: 動模板是二板式注塑機合模機構注塑過程中的核心運動部件，動模板在鎖模力作用下的應力與應變狀態直接決定了注塑成型精度，其疲勞可靠性是注塑機整機設計和工作狀態評估的核心指標。在二板式注塑機鎖模狀態下，對動模板進行應力分析，確認動模板中心及拉桿接觸處存在顯著應力集中現象，最大變形位于中心孔附近。在應力分析的基礎上，對動模板的高周疲勞壽命和可靠性進行分析，結果表明動模板的高周疲勞壽命超過了自身的工作壽命。繪制動模板疲勞敏感性曲線，確認安全因數最小處和應力最大處一致。所做分析為動模板的設計和評估提供了技術參考。
關鍵詞: 注塑機 動模板 應力 疲勞 分析
1 分析背景
隨著塑料行業的興起，市場對于塑料產品的需求與日俱增，對塑料產品質量和多樣性等的要求也越來越高。當前，注塑設備升級更新越來越快，節能、精密、高效是加工制造業的必要準則，也是注塑機更新換代的必然要求。隨著液壓、電氣控制技術的發展和完善，二板式注塑機應運而生。相較于傳統三板式注塑機，二板式注塑機具有較多優點［1］。二板式注塑機舍棄了第三模板，采用動模板與定模板相結合的方式，將鎖模力直接作用在固定模具的兩塊模板上，節約了大量空間和成本，減輕了鎖模系統的質量，減小了開模時的沖擊，并且在合模力調整方面也更加快捷方便[2 - 3]?
二板式注塑機主要由注塑系統、合模系統、液壓系統、電氣控制系統四大部分組成。合模裝置是注塑機的重要部件之一，是實現啟閉運動并產生鎖模力的部件，將模具鎖緊，以保證注塑成型［4］。長期以來，眾多設計者都在對注塑機的各個部分進行設計優化，在確保注塑機性能的同時，使注塑機更加高效地工作。高世權等［5］分析了二板式注塑機合模系統中各部件的剛性，為合模機構的設計提供了方向。王建等［6］對二板式注塑機活塞桿等關鍵組件進行了仿真分析，在此基礎上對活塞桿的結構和參數進行了優化設計。姜杰鳳等［7］對二板式注塑機的鎖模機構進行了仿真分析，得到了模板的應力分布和拉桿的變形數據。李鵬等［8］對注塑機動模板在工作狀態下的振動特性進行了測試。張小紅［9］對動模板本體進行了靜力學分析和模態分析。李明輝等［10］采用優化算法，對動模板的尺寸進行了優化設計。黃漢東［11］采用有限元軟件對動模板進行了拓撲優化，減輕了模板的質量，使模板的設計更加合理。筆者采用有限元仿真軟件對二板式注塑機動模板進行仿真模擬，得到動模板在實際工況載荷作用下的內部情況，了解動模板的疲勞狀態和疲勞壽命，可以為動模板的優化設計和質量評估提供參考。
2 合模機構結構
二板式注塑機的合模機構主要由定模板、動模板、鎖模油缸、液壓開合模機構、拉桿、抱閘機構等部件組成，與傳統三板式注塑機的合模機構相比，具有體積小、結構簡單緊湊、加工制造方便、工作性能穩定可靠等特點。
二板式注塑機合模機構結構如圖1所示。合模機構在工作時，動模板由移模油缸和液壓開合模機構同時驅動，沿拉桿方向向模具移動，并固定。隨后，鎖模油缸作用，提供鎖模力，使動模板、模具與定模板實現鎖模，完成整個合模動作［12］。二板式注塑機合模機構的運動和動力特性較為合理，應用各種傳感器、微控制技術，同時應用液壓系統，使合模機構在精度方面更加準確。
3 動模板應力、變形分析
以浙江某注塑機企業160 kN合模力二板式注塑機為研究對象，應用ANSYS Workbench 有限元軟件的靜力學組件對合模機構中的動模板進行分析。在實際工況下，合模機構中的其它組件對動模板應力的影響較大。為了克服這一缺點，采用裝配體整體仿真，引入簡化的拉桿和抱閘機構，在SolidWorks建模軟件中對動模板進行裝配，并簡化螺孔、小凹槽、圓角等特征。動模板裝配體模型如圖2所示。
將二板式注塑機動模板及其裝配體組件的材料屬性導入ANSYS有限元軟件材料庫，具體見表1。
對動模板裝配體組件進行網格劃分，對拉桿、抱閘機構處的網格簡單劃分，并細化動模板本體網格，得到單元總數為415668，節點總數為880600。二板式注塑機動模板裝配體網格劃分如圖3所示。
在動模板裝配體各組件添加接觸過程中，拉桿對動模板有導向作用，可以產生相對滑動。根據實際工況，在鎖模時動模板相對于底部固定。為拉桿兩端添加固定約束，動模板中心截面受到垂直模板面的鎖模力作用。
通過ANSYS有限元軟件仿真計算，得到動模板變形云圖和應力云圖，分別如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出，動模板中心孔附近的變形較大，應力較為集中，最大變形為0. 4 mm。應力最大處位于拉桿孔周圍靠近中心孔的一側，拉桿孔周圍最大應力為84. 3 MPa，中心孔周圍應力約為60 MPa。通過對比確認，有限元仿真結果與實際工況相近，可以反映動模板真實的受力情況。
4 動模板疲勞分析
動模板在工作時進行往復運動，在鎖模時承受較大的鎖模力，應力和變形較大。對動模板進行疲勞分析有助于估算動模板的壽命，對生產安全和設計優化都有較大幫助。選用疲勞分析工具，在靜力學基礎上對動模板進行疲勞分析。
結構失效的一個主要因素是疲勞，重復加載會造成疲勞破壞。疲勞一般分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞由高次數的載荷加載產生，高周疲勞應力通常小于材料的屈服極限，應力疲勞屬于高周疲勞。低周疲勞是在循環次數較低時發生的疲勞，常常伴隨塑性變形，應變疲勞屬于低周疲勞［13］。由仿真結果可知，動模板的最大應力為 84. 3 MPa，動模板在加載時的應力遠小于材料的屈服極限。在重復工作時，動模板僅受到一個單向加載，應力循環次數較大，因此，動模板的疲勞為高周疲勞。建立二板式注塑機動模板疲勞模型分析流程，如圖 6所示。
在ANSYS有限元軟件的材料庫中添加動模板材料QT500－7球墨鑄鐵的應力壽命曲線，應力壽命曲線是材料所受交變應力和斷裂循環次數之間的關系曲線。應力壽命曲線表示材料的抗疲勞能力，壽命趨近于無窮大時，對于應力范圍稱為材料的疲勞極限，由應力壽命曲線確定的對應壽命的應力范圍，稱為壽命的N次循環疲勞強度［14］。動模板材料QT500－7球墨鑄鐵的應力壽命曲線經驗方程為:
S8．25N = 7. 48 × 1024 ( 1)
式中: S為應力; N為壽命。
在ANSYS有限元軟件材料庫中應用采點法對式 ( 1) 進行擬合，分別取循環次數1、10、1000、……、108。 采點擬合后材料QT500－7球墨鑄鐵的應力壽命曲線如圖7所示，為便于觀察，將縱橫坐標取為對數。
在ANSYS有限元軟件中輸入受載情況，動模板在工作時進行往復運動，僅受到單向鎖模力加載，得到單向加載的循環載荷，如圖8所示。材料的平均應力會影響應力壽命曲線疲勞仿真的結果，采用ANSYS有限元軟件疲勞組件中的古德曼法對動模板平均應力進行修正。
計算得到二板式注塑機動模板疲勞壽命云圖、疲勞安全因數云圖、疲勞敏感度曲線，依次如圖9、圖10、 圖11所示。
注塑機生產工作依賴于模板開合，持續生產工作量大，估算注塑機完整工作一個周期所需要的時間為30 ~ 60 s。預估1 d工作12 h，累計工作20 a，估算工作壽命超過107次。由圖9可知，在額定加載下，動模板所有位置最大壽命均為108次。由此可見，在加載情況下，動模板工作壽命小于最大壽命，不容易發生疲勞破壞。
疲勞安全因數表示在給定設計壽命下的失效因數，為失效應力和設計應力的比值。由圖10 可知，拉桿孔周圍遠離中心孔一側動模板疲勞安全因數最小，約為2.2 。中心孔位置疲勞安全因數約為3。當疲勞安全因數大于1時，表示材料在設計壽命下不會失效。拉桿孔周圍疲勞安全因數相對偏小，在過載情況下，受到應力較大，有疲勞破壞的可能。其它位置安全因數均大于5，不會發生疲勞破壞。
疲勞敏感度曲線表明部件的壽命、損傷、疲勞安全因數在臨界區域隨載荷的變化而變化。動模板工作循環次數設計為108次，加載至工作額定載荷約125%時，動模板的壽命小于108 次。之后隨著載荷增大，動模板的壽命大幅縮短，直至最小壽命為62788次循環，對應250% 額定載荷。
5 結束語
筆者應用有限元法，得到了二板式注塑機動模板在鎖模力作用下的應力分布和變形情況，并使用疲勞分析工具，對同等載荷作用下動模板的高周疲勞壽命進行了分析。結果表明，應力集中位置為動模板加載處中心位置，以及拉桿接觸處遠離動模板中心孔一側。模板中心孔變形較大，結果和實際工況相近。動模板在額定加載和設計壽命下，不容易發生疲勞破壞，但動模板和拉桿接觸處疲勞安全因數相對較小，有安全隱患。根據相關結果在后續設計或優化中，需要充分考慮動模板應力較大和疲勞安全因數較小的位置，并注意防止超載工作。筆者的分析結果為動模板后續的設計和評估提供了參考。
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