注塑模模架剛度分析及撐頭擺放位置研究

袁麗軍，杜群貴，謝葉青，彭 魁

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；2.忠信制模（東莞）有限公司，東莞 523460）

0 引言

在模具行業(yè)中注射模占很大部分，一副模具是由模架和成型零件等組成，模架也稱模體，是模具不可缺少的結(jié)構(gòu)部件，其作用是裝配型腔板、型芯等成型部件等其他功能部件[1]。模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)，模具工業(yè)已成為國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。由于國(guó)內(nèi)模具企業(yè)采用較為傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-加工-裝配-試模-修模-再試?！钡纳a(chǎn)方式設(shè)計(jì)制造模具，與國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)模具表現(xiàn)出精度較低、壽命較短、設(shè)計(jì)制造周期較長(zhǎng)、成本較高等劣勢(shì)[2]，嚴(yán)重削弱了我國(guó)高端模具在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

撐頭是防止成型零件和導(dǎo)向零件軸向移動(dòng)并承受成型壓力的零件。其主要作用是支撐動(dòng)模B板，即防止B板因變形過(guò)大，構(gòu)成型腔的鑲件隨之產(chǎn)生位移，型腔形狀發(fā)生變化，從而使塑件變形，又可以防止因B板在較大注塑力的作用下產(chǎn)生較大變形而使模具出現(xiàn)披峰現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)制造撐頭時(shí)往往使其高于方鐵高度0.2mm左右，撐頭一般要用M8、M10或M16的螺絲固定在動(dòng)模板座板上。由于撐頭要穿過(guò)頂針板對(duì)動(dòng)模板起支撐作用，因此其總面積不宜過(guò)大，否則頂針板因被掏空而強(qiáng)度降低引起失效，一般撐頭總面積小于頂針板面積10%左右。在國(guó)內(nèi)的模具設(shè)計(jì)中，撐頭的擺放都是靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，如果模架變形量過(guò)大，則往往通過(guò)增加撐頭個(gè)數(shù)而非改變撐頭位置來(lái)減小變形量，即沒(méi)有理論依據(jù)，又浪費(fèi)了材料，增加了模具的重量。

本文以尺寸為800×800的大型模架為研究對(duì)象，選用四個(gè)直徑為Φ48的撐頭來(lái)支撐B板。通過(guò)對(duì)模具企業(yè)常見(jiàn)的兩種撐頭排列方式的對(duì)比分析，來(lái)尋找撐頭的最佳擺放位置。每種方式又分別有兩個(gè)參數(shù)用以確定撐頭的位置。方式1中四個(gè)撐頭均勻分布在同一個(gè)圓周上，而方式2中撐頭對(duì)稱分布在頂針板上。圖1為注塑模具的剖視圖，表1為兩種方式下參數(shù)設(shè)置情況。

表1 參數(shù)設(shè)置

本文首先采用通用有限元分析軟件ANSYS 10.0中自帶的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL對(duì)800×800模架進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行剛度分析，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再通過(guò)matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別繪出兩種方式下各個(gè)參數(shù)與模架變形量的關(guān)系曲線。分析各個(gè)曲線并得出使模架變形量最大值取最小時(shí)各參數(shù)的取值范圍。對(duì)比兩種方式下的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況確定模架在哪種方式下擺放最好，為模具設(shè)計(jì)過(guò)程中如何擺放撐頭提供了可靠的理論依據(jù),具有相當(dāng)程度的現(xiàn)實(shí)意義。圖1為帶撐頭的注塑模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2為本文分析的800×800模架的平面圖。

圖1 帶撐頭的注塑模結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 800×800模架平面圖及撐頭位置參數(shù)

1 有限元參數(shù)化建模

本文分析的模架由動(dòng)模板、方鐵、撐頭和面板四部分組成。ANSYS中有限元模型的建立包括幾何模型的建立和單元網(wǎng)格的劃分兩個(gè)過(guò)程。該模架具有對(duì)稱性,為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源提高分析速度,取其四分之一模型來(lái)進(jìn)行分析，分析中忽略模架中的冷卻水道、裝配中用到的圓角，這樣有利于單元網(wǎng)格的劃分，且對(duì)分析結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。模架通常采用普通的45號(hào)鋼，其楊氏彈性模量為2.10×105Mpa，泊松比為0.3。選用具有20節(jié)點(diǎn)的二次單元SOLID95，三維目標(biāo)單元target170，三維接觸單元contact174來(lái)劃分網(wǎng)格單元。動(dòng)模板和撐頭采用自由網(wǎng)格技術(shù)劃分，對(duì)方鐵、動(dòng)模座板進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。由于各零件之間無(wú)滑移，將模架四部分之間的接觸設(shè)置為綁定，以模擬無(wú)滑移、無(wú)摩擦接觸[3]。由于動(dòng)模座板和注塑機(jī)機(jī)架之間為螺栓聯(lián)接，定義動(dòng)模座板的底面為全約束。方式2又取兩組數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同的橫向跨距和縱向跨距時(shí)模架最大變形量發(fā)生的位置，如表2所示。

表2 方式2下兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比

模型僅在動(dòng)模板上型腔底面受面載荷為10.67 MPa作用。圖3為兩組數(shù)據(jù)下模架的位移云圖。

圖3 兩組數(shù)據(jù)模架的位移云圖

可知模架最大變形量的位置隨撐頭位置變化而發(fā)生變化。組1中撐頭位置靠近模架的中心，因此其最大變形量發(fā)生在靠近模架未有方鐵支撐的一側(cè)上。組2中撐頭遠(yuǎn)離模架中心，故其最大變形量發(fā)生在模架的中心處。組1模架變形量比組2的小0.03mm。

2 撐頭位置參數(shù)與變形量的關(guān)系

利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL[4]編寫(xiě)了分別以方式1中r，a和方式2中H、V 4個(gè)參數(shù)為單個(gè)變量，其它幾何參數(shù)為定值的命令流文件。要求繪出單個(gè)變量和模架變形量的關(guān)系曲線，用MATLAB中的plot（）函數(shù)擬合ANSYS計(jì)算出的數(shù)據(jù)。分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 r與模架變形量的關(guān)系曲線

當(dāng)r在50mm到80mm之間取值時(shí)，模架變形量變化較小，而r超過(guò)80mm時(shí)，r與模架變形量幾乎成線性關(guān)系。因此r的最佳取值范圍在50-80mm。H=170mm模架變形量相等，證明了變形量隨縱向跨距的增大先減小至最小值然后逐漸增大的結(jié)論。

圖7 H與模架變形量的關(guān)系曲線

圖5 a與模架變形量的關(guān)系曲線

3 曲線分析及設(shè)計(jì)建議

模架與a的關(guān)系曲線在a取24°、45°、64°三個(gè)值時(shí)出現(xiàn)三個(gè)波谷，此時(shí)模架的變形量較小，故應(yīng)該在此三處附近放置撐頭。

圖6 V與模架變形量的關(guān)系曲線

兩條曲線近似平行，縱向跨距相同時(shí)，橫向跨距大的變形量也大，模架變形量與橫向跨距H成遞增關(guān)系。

在縱向跨距一定時(shí)，模架變形量隨撐頭橫向跨距增大而逐漸增大，兩條曲線都在H取50mm到80mm時(shí)變形量變化緩慢，證明此范圍內(nèi)放置撐頭能夠得到較小的變形量。兩條曲線在

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，為了確定模架中撐頭的最佳擺放位置，減小模架的最小變形量的數(shù)值，在設(shè)計(jì)模架時(shí)可以從以下八個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1）r的取值范圍在50-80mm時(shí)，模架變形量相對(duì)較小，此時(shí)撐頭的橫向跨距和縱向跨距在70到120之間變化。

2）a取24°或64°左右時(shí)，撐頭之間的跨距略大于撐頭直徑，不利于頂針在頂針板的布置，與實(shí)際情況不符。因此在排列方式1時(shí)，r應(yīng)取50到80范圍內(nèi)的數(shù)值，a取45°左右時(shí)，此時(shí)模架的變形量較小，撐頭擺放的位置最佳。

3）撐頭在相同的縱向跨距時(shí)，橫向跨距大時(shí)模架最大變形量的值也大，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，可以對(duì)圖6曲線進(jìn)行插值，查出對(duì)應(yīng)橫向跨距H一定時(shí)，模架變形量與縱向跨距V的關(guān)系曲線。為確定撐頭的最佳位置，應(yīng)取盡量小的撐頭橫向跨距。

4）撐頭橫向跨距一定時(shí)，模架最大變形量與撐頭橫向跨距的關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)是先減小至最小值然后再逐漸增大。

5）在縱向跨距一定時(shí)，模架最大變形量與橫向跨距的關(guān)系曲線是逐漸遞增的。且在55mm到80mm范圍內(nèi)模架變形量的值較小。

6）在模具設(shè)計(jì)中，由于頂針板中放置了頂針而需取較大的橫向跨距值時(shí)，可以適當(dāng)?shù)倪x取較小的縱向跨距，使模架變形量在最小值附近，而當(dāng)撐頭橫向跨距取值較小時(shí)，選取較大的縱向跨距能夠使模架變形量取較小值。

7）對(duì)比兩種排列方式中曲線，排列方式2時(shí)模架最小變形量稍小于排列方式1，但其最佳位置在較小的橫向跨距下或較小的縱向跨距下，而往往實(shí)際情況中由于頂針的存在方式2中的最佳位置難以實(shí)現(xiàn)，因此排列方式1才是最佳的選擇方案。

8）排列方式1撐頭最佳位置是r取50到80范圍內(nèi)的數(shù)值，a取45°左右的數(shù)值。此時(shí)模架變形量為0.185mm，為減小模架變形量，往往制造撐頭時(shí)其高度要多出0.185mm，這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)吻合得很好。

4 結(jié)論

本文從有限元方法出發(fā)，分析兩種撐頭排列方式下?lián)晤^位置對(duì)模架變形量的影響。分別以能

夠確定撐頭位置的兩個(gè)參數(shù)為單個(gè)變量建立了有限元分析的參數(shù)化模型，繪出了單個(gè)變量與模架變形量的關(guān)系曲線，并得出了排列方式1更可取，并確定了在該方式下?lián)晤^最佳位置。為模具設(shè)計(jì)中如何確定撐頭的最佳擺放位置提供了可靠的理論支撐與指導(dǎo)。

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