注塑機(jī)合模裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)及疲勞分析

杜遙雪，崔懷峰，陳少杰

注塑機(jī)合模裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)及疲勞分析

杜遙雪，崔懷峰，陳少杰

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程系，廣東 江門 529020）

利用Pro/ENGINEER軟件對(duì)注塑機(jī)合模裝置的動(dòng)態(tài)性能和疲勞問題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：模態(tài)振型影響前模板、動(dòng)模板、后模板和拉桿的偏移，合模裝置動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)分布規(guī)律基本相同，低頻能量較小且集中在94.4 Hz附近，中頻能量較大且集中在369.5 Hz附近，系統(tǒng)阻尼的增加可以改善合模裝置的動(dòng)態(tài)性能，動(dòng)態(tài)載荷增加使得彈性振動(dòng)頻率能量增大. 動(dòng)模板最小疲勞壽命發(fā)生在安裝頂出機(jī)構(gòu)的十字槽中心底部，并隨著設(shè)計(jì)壽命和作用載荷的增加安全系數(shù)值降低，容易產(chǎn)生疲勞破壞.

注塑機(jī)；合模裝置；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；疲勞破壞；動(dòng)模板

合模裝置是注塑機(jī)最重要的機(jī)械部件，目前使用最廣泛的有油壓直壓式、油壓肘桿式和電動(dòng)肘桿式. 電動(dòng)肘桿式注塑機(jī)采用伺服電機(jī)取代原液壓裝置以完成開合模等動(dòng)作過程，因此它具有注射精度和重復(fù)精度高、成型周期短、節(jié)省能源、低噪音、綠色環(huán)保等特點(diǎn)[1]. 隨著市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)高效率注塑機(jī)需求的日益增加，注塑成型越來越向著高速高精度方向發(fā)展. 但是高速帶來的慣性、沖擊可能導(dǎo)致合模裝置各機(jī)構(gòu)和零部件發(fā)生彈性變形、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)疲勞等現(xiàn)象，從而影響合模裝置機(jī)構(gòu)軌跡精度和定位精度，延遲合模裝置的穩(wěn)定工作時(shí)間，降低注塑機(jī)的工作效率和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞模具. 合模是塑料注射成型過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，合模裝置性能的好壞直接影響成型模具啟閉的可靠性，最終影響塑料制品的精度和質(zhì)量. 本文針對(duì)注塑機(jī)的合模裝置，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)其高速合模時(shí)的動(dòng)態(tài)性能和疲勞問題進(jìn)行分析，并將機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)、非線性振動(dòng)和阻尼等引入合模裝置的研究中，確保合模運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和合模位置的高精度，提高注塑機(jī)的性能和塑料制品的質(zhì)量.

1 合模裝置的模態(tài)振型

合模裝置主要由模板、拉桿、肘桿、頂出裝置、安全門和調(diào)模裝置等組成. 模板的作用是固定模具和作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的定位基準(zhǔn)，包括前模板、動(dòng)模板、后模板，三者以拉桿相連，模具分別固定在動(dòng)模板和前模板上[2]. 前模板固定于床身上，動(dòng)模板則在床身導(dǎo)軌上來回運(yùn)動(dòng)，調(diào)模時(shí)后模板在床身上滑動(dòng).

1.1 實(shí)體模型建立與參數(shù)設(shè)置

合模裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，簡(jiǎn)化模具安裝螺孔、凹槽及圓角，去掉結(jié)構(gòu)中存在的小連接件、倒角和對(duì)結(jié)果影響不大的小孔等，應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件分別建立前模板、動(dòng)模板、后模板和拉桿的三維實(shí)體模型[3]，并將其裝配成合模裝置簡(jiǎn)化模型，其中前模板、動(dòng)模板、后模板與拉桿的連接定義為剛性連接. 前模板、動(dòng)模板、后模板和拉桿的材料采用鑄鋼或鍛鋼制造，在Pro/ENGINEER Mechanica材料庫中選擇steel牌號(hào)材料定義其材料屬性. 針對(duì)合模力為90 t的注塑機(jī)分析，前模板的底部固定在機(jī)架上，位移約束采取全約束形式；后模板的底部相對(duì)機(jī)架在水平方向位移無約束，僅鉛垂方向位移存在約束作用. 設(shè)置后的合模裝置簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)狀況如圖1所示.

圖1 合模裝置的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模態(tài)振型結(jié)果與分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要知道所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或部件的固有頻率，以盡量讓外部激勵(lì)避開固有頻率或者最大限度地減少對(duì)固有頻率的激勵(lì)，從而消除或減輕振動(dòng). 模態(tài)分析就是研究沒有阻尼的自由振動(dòng)，找出系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能的平衡點(diǎn)，即固有頻率. 通過模態(tài)計(jì)算獲得合模裝置的固有頻率和振型位移云圖，發(fā)現(xiàn)固有頻率對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作精度，為合模裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析奠定基礎(chǔ).

建立模態(tài)分析任務(wù)，選擇模態(tài)階數(shù)為6（即計(jì)算合模裝置的前6階固有頻率），采用多通道收斂方式，收斂階數(shù)為6，收斂百分比為10%，并運(yùn)行模態(tài)分析，得不同模態(tài)下的固有頻率如表1.

表1 合模裝置前6階固有頻率

合模裝置第1階和第4階振型位移云圖分別見圖2和圖3，兩圖反映了合模裝置各零件結(jié)構(gòu)振動(dòng)的強(qiáng)弱分布以及抗振薄弱區(qū). 在圖2中，后模板和拉桿主要沿水平方向偏移，拉桿產(chǎn)生較大的彎曲變形，前模板和動(dòng)模板的變形較?。辉趫D3中，前模板、動(dòng)模板和后模板均沿拉桿軸線方向發(fā)生較大偏移. 拉桿的彈性變形可能使動(dòng)模板產(chǎn)生振動(dòng)，而動(dòng)模板的橫向彈性變形會(huì)加劇拉桿與動(dòng)模板軸套間的摩擦和磨損，動(dòng)模板的軸向彈性變形則會(huì)增大合模位置誤差并使動(dòng)模板與前模板產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞模具.

圖2 自由模態(tài)第1階振型位移云圖

圖3 自由模態(tài)第4階振型位移云圖

2 合模裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由于注塑機(jī)的工作環(huán)境、慣性力以及機(jī)構(gòu)本身的內(nèi)部振動(dòng)會(huì)影響合模裝置的合模精度和注塑成型制品的質(zhì)量，因此，通過合模裝置的模態(tài)分析確定其固有頻率和振型后，還需要對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析（如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和頻譜分析等），以減小高速狀態(tài)下合模裝置彈性變形和振動(dòng)的影響，增強(qiáng)動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，提高合模過程軌跡精度和合模位置精度，改善注塑機(jī)的動(dòng)態(tài)特性. 本文只進(jìn)行合模裝置的動(dòng)態(tài)頻域分析.

2.1 動(dòng)態(tài)頻域參數(shù)的設(shè)置

動(dòng)態(tài)頻域分析也稱為諧分析，用于計(jì)算與頻率相關(guān)的周期性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，分析與頻率相關(guān)的載荷導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)效應(yīng). 在完成模態(tài)分析任務(wù)的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)態(tài)頻域分析任務(wù)，選擇動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析測(cè)量點(diǎn)，創(chuàng)建載荷的頻率與幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用幅值恒定的動(dòng)態(tài)載荷，設(shè)定動(dòng)態(tài)載荷的方向及大小，設(shè)置系統(tǒng)的阻尼系數(shù). 合模裝置動(dòng)態(tài)頻域分析的具體定義如圖4. 由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算必須考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦阻尼、周圍介質(zhì)阻尼、材料內(nèi)阻尼等各種阻尼作用，因此系統(tǒng)阻尼的機(jī)理很復(fù)雜，這里將各種阻尼簡(jiǎn)化為與速度成正比的粘性阻尼求解，并取阻尼系數(shù)0.03為主分析[4].

圖4 動(dòng)態(tài)頻域分析設(shè)置

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果與分析

完成動(dòng)態(tài)頻域分析文件創(chuàng)建之后，運(yùn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析. 模具安裝面處動(dòng)模板的底邊中點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)1和中心點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)2的動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)曲線如圖5、圖6，合模裝置的動(dòng)態(tài)載荷為90 kN，阻尼系數(shù)為0.03. 由圖5、圖6看出：在頻率為369.5 Hz處動(dòng)模板測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2的應(yīng)力值最大，分別為31.9 MPa和61.8 MPa，對(duì)應(yīng)位置與合模裝置第4階固有頻率369.6 Hz接近，說明合模裝置的載荷頻率應(yīng)避免選在369.5 Hz附近，這樣可以保證合模裝置在平穩(wěn)的環(huán)境下工作；測(cè)量點(diǎn)1在94.4 Hz低頻處的響應(yīng)曲線還出現(xiàn)了一個(gè)較明顯的小峰，其應(yīng)力值為3.3 MPa，對(duì)應(yīng)位置與合模裝置第1階固有頻率96.0 Hz接近，說明合模裝置的載荷頻率與其低階固有頻率接近時(shí)變形會(huì)急劇增大，應(yīng)避免外界載荷頻率與低階固有頻率一致而導(dǎo)致共振的危險(xiǎn)；對(duì)比測(cè)量點(diǎn)1和測(cè)量點(diǎn)2以及其它測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)它們的形狀和分布規(guī)律基本相同，低頻能量較小且集中在94.4 Hz 附近，中頻能量較大且集中在369.5 Hz附近，說明不同測(cè)量點(diǎn)對(duì)頻率分布狀態(tài)無明顯影響，只是影響合模裝置彈性振動(dòng)頻率的能量大小.

圖5 測(cè)量點(diǎn)1的動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)曲線

圖6 測(cè)量點(diǎn)2的動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)曲線

動(dòng)態(tài)載荷為90 kN時(shí)，不同阻尼系數(shù)對(duì)合模裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響見表2. 動(dòng)模板和前模板的響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)均取模具安裝面的頂邊中點(diǎn). 由表2看出，隨著合模裝置系統(tǒng)阻尼系數(shù)的增加，動(dòng)模板和前模板在相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)力值都減小，這說明系統(tǒng)阻尼影響彈性振動(dòng)頻率的能量，能有效改善合模裝置的動(dòng)態(tài)性能.

表2 不同阻尼系數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)峰值

動(dòng)態(tài)頻域分布由合模裝置自身的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、阻尼等固有性質(zhì)決定. 表3是阻尼系數(shù)為0.03時(shí)，不同動(dòng)態(tài)載荷對(duì)合模裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，動(dòng)模板和前模板的測(cè)量點(diǎn)均取在模具安裝面的頂邊中點(diǎn). 由表3看出，隨著合模裝置動(dòng)態(tài)載荷的增加，動(dòng)模板和前模板在相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)力值都增大，動(dòng)模板相應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)能量比前模板的大，說明動(dòng)態(tài)載荷影響彈性振動(dòng)頻率的能量.

表3 不同載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)峰值

綜合圖5、圖6和表2、表3可知，在實(shí)際設(shè)計(jì)合模裝置時(shí)，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、尺寸和合理選取阻尼系數(shù)、載荷振動(dòng)頻率等方式，減小由合模裝置自身原因形成的低中頻部分能量導(dǎo)致的振動(dòng).

3 動(dòng)模板的疲勞分析

動(dòng)模板的作用是安裝模具，在合模力的作用下承受彎曲變形，其形狀通常設(shè)計(jì)成帶有筋板的結(jié)構(gòu)以保證強(qiáng)度和變形要求、節(jié)省材料. 由于動(dòng)模板經(jīng)常沿著拉桿做開模和閉模運(yùn)動(dòng)，其上的通孔精度很容易磨損，影響合模時(shí)的合模精度. 動(dòng)模板在工作過程中閉模時(shí)受載荷的壓縮作用，開模時(shí)受開模力的拉伸作用，而且安裝在動(dòng)模板上的頂出機(jī)構(gòu)需要反復(fù)頂出制品，使動(dòng)模板承受周期性循環(huán)變載荷作用. 因此，動(dòng)模板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與剛度，導(dǎo)向表面要有足夠的精度和硬度，更重要的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮疲勞破壞問題. 疲勞破壞是造成合模裝置特別是動(dòng)模板失效的主要形式之一，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在設(shè)計(jì)合模裝置時(shí)對(duì)動(dòng)模板進(jìn)行疲勞分析是必要的.

3.1 疲勞特性與參數(shù)設(shè)置

圖7 材料疲勞特性參數(shù)設(shè)置

3.2 疲勞壽命及安全系數(shù)結(jié)果與分析

首先建立靜態(tài)分析任務(wù)，設(shè)置多通道收斂方式，收斂階數(shù)為6，收斂百分比為10%，并運(yùn)行靜態(tài)分析. 然后建立疲勞分析任務(wù)，設(shè)置疲勞載荷，并運(yùn)行疲勞分析. 當(dāng)最大載荷為90 kN和設(shè)計(jì)壽命為106時(shí)，動(dòng)模板的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖如圖8、圖9所示. 由圖8、圖9看出：動(dòng)模板的最小疲勞壽命為5.465，發(fā)生在安裝頂出機(jī)構(gòu)的十字槽中心底部. 這是因?yàn)樵趧?dòng)模板中心截面處有最大彎矩和最大彎曲應(yīng)力，形狀尺寸變化和應(yīng)力集中較大，最容易產(chǎn)生疲勞裂紋而發(fā)生疲勞破壞，相應(yīng)地，其安全系數(shù)值也最小為0.747 8. 此外，由于動(dòng)模板十字槽端部處在最大彎矩附近，其疲勞壽命也較低（見圖8）. 動(dòng)模板的最大疲勞壽命為20，安全系數(shù)最大值為850，分別位于承受彎矩最小的兩端.

表4為動(dòng)模板作用最大載荷90 kN時(shí)，不同設(shè)計(jì)壽命對(duì)其安全系數(shù)的影響. 由表4看出，隨著動(dòng)模板設(shè)計(jì)壽命的提高，安全系數(shù)的最大值和最小值都降低，這說明隨著合模裝置開模和閉模次數(shù)遞增，載荷循環(huán)作用次數(shù)增加使動(dòng)模板更容易產(chǎn)生疲勞破壞.

圖8 動(dòng)模板疲勞壽命云圖

圖9 動(dòng)模板安全系數(shù)云圖

表4 不同設(shè)計(jì)壽命時(shí)安全系數(shù)的極值

表5是動(dòng)模板的設(shè)計(jì)壽命為106時(shí)不同載荷對(duì)其安全系數(shù)的影響. 由表5看出，隨著作用在動(dòng)模板上載荷的增加，安全系數(shù)的最大值和最小值都降低，說明容易發(fā)生疲勞破壞.

表5 不同載荷時(shí)安全系數(shù)的極值

4 結(jié)論

1）合模裝置的模態(tài)振型不同，前模板、動(dòng)模板、后模板和拉桿的偏移變形不同，動(dòng)模板的橫向彈性變形加劇了拉桿與動(dòng)模板軸套間的摩擦和磨損，而動(dòng)模板的軸向彈性變形則會(huì)增大合模位置誤差并使動(dòng)模板與前模板產(chǎn)生沖擊振動(dòng).

2）不同測(cè)量點(diǎn)合模裝置的動(dòng)態(tài)頻域響應(yīng)曲線形狀和分布規(guī)律基本相同，低頻能量較小且集中在94.4 Hz 附近，中頻能量較大且集中在369.5 Hz附近，不同測(cè)量點(diǎn)對(duì)頻率分布狀態(tài)無明顯影響，只是影響合模裝置彈性振動(dòng)頻率的能量大小.

3）合模裝置系統(tǒng)阻尼的增加影響彈性振動(dòng)頻率的能量大小，可有效改善其動(dòng)態(tài)性能，合模裝置動(dòng)態(tài)載荷的增加使動(dòng)模板和前模板的應(yīng)力值和彈性振動(dòng)頻率能量都增大. 通過對(duì)合模裝置結(jié)構(gòu)、尺寸、阻尼的優(yōu)化以及載荷振動(dòng)頻率的合理選取，可以降低其由自身原因形成的低中頻部分能量而導(dǎo)致的振動(dòng).

4）動(dòng)模板的最小疲勞壽命發(fā)生在安裝頂出機(jī)構(gòu)的十字槽中心底部，即最容易在該處產(chǎn)生疲勞裂紋而發(fā)生疲勞破壞，相應(yīng)安全系數(shù)值最??；動(dòng)模板十字槽的端部疲勞壽命也較低，最大疲勞壽命和最大安全系數(shù)分別位于承受彎矩最小的兩端，隨著動(dòng)模板設(shè)計(jì)壽命和作用載荷的增加，動(dòng)模板的安全系數(shù)值降低，更容易產(chǎn)生疲勞破壞.

[1]向鵬，李繡峰，杜遙雪. 全電動(dòng)注塑機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2007, 19(1): 52-54.

[2]陳世煌. 塑料成型機(jī)械[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]胡仁喜，張心俊. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]陳學(xué)鋒. 塑料注射成型機(jī)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2008.

[責(zé)任編輯：孫建平]

An Analysis of Dynamic Response and Fatigue of Clamping Devices of the Injection Molding Machine

DUYao-xue,CUIHuai-feng,CHENShao-jie

An analysis was made of the dynamic response and fatigue of the clamping devices of the injection molding machine using the Pro/ENGINEER software and the results showed that mode vibration affects the deviation of the front plate, moving plate, back plate and tension bar. The dynamic frequency response distribution of the clamping devices is similar. The low frequency energy is smaller and is concentrated in the neighborhood of 94.4 Hz. The middle frequency energy is larger and is concentrated in the neighborhood of 369.5 Hz. System damping increase improves the dynamic property of the clamping devices. Dynamic load increase makes elastic vibration frequency energy larger. The smallest fatigue life of the moving plate takes place in the cross slot center bottom of the ejection mechanism. The safety factor decreases with the increase of designed life and exertion load and can result in fatigue destruction of the moving plate.

injection molding machine; clamping devices; dynamic response; fatigue destruction; moving plate

1006-7302（2010）01-0001-07

TH122

A

2009-09-04

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（9151063101000021），廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2005B10201010）

杜遙雪（1962—），男，山東萊州人，教授，博士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)和聚合物成型加工，E-mail: louting@wyu.edu.cn.