基于Workbench的注塑機(jī)尾板有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖 旺， 劉軍營(yíng)， 胡 鑫， 唐敬東

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

注塑機(jī)是現(xiàn)代各種熱塑性塑料或熱固性塑料制品的主要成型設(shè)備.合模裝置作為注塑機(jī)的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度和剛度極大地影響著塑料制品的質(zhì)量，另外其質(zhì)量占整機(jī)質(zhì)量的百分比也較大，因此提高合模裝置的合理性、降低合模裝置質(zhì)量已成為注塑機(jī)廠商提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、降低生產(chǎn)成本所急需解決的問(wèn)題[1].模板作為合模裝置中的重要零件，長(zhǎng)期以來(lái)多數(shù)注塑機(jī)廠家憑經(jīng)驗(yàn)按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算模型粗糙、結(jié)構(gòu)誤差大導(dǎo)致模板性能難以保證且成本較高.因此對(duì)注塑機(jī)模板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低模板重量的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2-3].本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)山東勝岳注塑機(jī)廠的SDK300型高速注塑機(jī)尾板運(yùn)用Workbench軟件進(jìn)行基于有限元理論的靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為該機(jī)曲肘連桿式合模機(jī)構(gòu)中尾板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 尾板有限元分析模型的建立

SDK300型注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)為五鉸斜排式雙曲軸結(jié)構(gòu)，其中尾板后鉸支座通過(guò)銷軸與曲肘連接.由于高壓鎖模時(shí)鉸支座與銷軸之間發(fā)生相互擠壓變形，所以受力狀態(tài)較為復(fù)雜，如果采取以往只對(duì)尾板單個(gè)零件進(jìn)行有限元分析的方法，其分析結(jié)果往往與實(shí)際受力情況存在較大誤差.本文結(jié)合SDK300合模機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用三維建模軟件Solidworks建立了尾板在其合模機(jī)構(gòu)中的部分裝配體模型(如圖1所示)，并將該裝配體作為有限元分析的對(duì)象，極大地提高了尾板分析結(jié)果的可靠性.根據(jù)廠家提供的圖紙要求，建立裝配體模型時(shí)保證曲肘角α= 0°，斜排角γ0= 5°[4].

建模時(shí)做以下處理：

(a)為了減少計(jì)算時(shí)間和容量，對(duì)尾板零件模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如忽略尾板上不必要的安裝螺孔、凹槽、凸臺(tái)、圓角等結(jié)構(gòu)形狀.

(b)模型主要用于分析尾板的受力變形，因此省略曲肘和銷軸之間的軸套等零件，同時(shí)對(duì)曲肘中間做截面處理以方便加載鎖模力.

圖1 尾板裝配體模型

2 模板的有限元分析

將在Solidworks中建立的裝配體模型保存為.x_t格式的文件直接導(dǎo)入Workbench軟件，為有限元分析做準(zhǔn)備.

2.1 定義零件材料屬性

尾板及曲肘零件均采用QT500-7A球墨鑄鐵材料，密度ρ=7 000kg/m3，彈性模量為E=1.62×105MPa，泊松比μ=0.293，拉伸強(qiáng)度σb=5 00MPa，屈服強(qiáng)度σs=320MPa.銷軸材料為38CrMoAl，密度ρ=7 900kg/m3，彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σs=875MPa[5].

2.2 網(wǎng)格劃分

在裝配體模型中，由于曲肘零件不是本次有限元分析的重點(diǎn)對(duì)象，故網(wǎng)格劃分前先對(duì)其進(jìn)行剛體處理，然后利用Workbench對(duì)裝配體進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，從而大大降低了軟件的計(jì)算量，節(jié)約了分析時(shí)間.劃分后的網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 尾板裝配體網(wǎng)格劃分圖

2.3 施加約束

尾板主要依靠鎖模機(jī)構(gòu)中的4個(gè)拉桿固定，它們之間由螺母固定，可看作沿拉桿孔周圍環(huán)面給予Z軸方向約束；尾板底部有床身支撐，可簡(jiǎn)化為垂直方向約束[6].施加約束后的分析模型如圖3所示.

圖3 尾板裝配體約束和載荷圖

2.4 施加載荷

SDK300的最大合模力為300t，當(dāng)模具閉合時(shí)，肘桿呈一直線，鎖模時(shí)合模力通過(guò)曲肘、銷軸與鉸支座之間的接觸連接作用在尾板上.可將鎖模力簡(jiǎn)化成遠(yuǎn)程力垂直作用在曲肘剛體截面的中心上(見(jiàn)圖3)，同時(shí)來(lái)自油缸的拉力相對(duì)合模力較小，故忽略不計(jì).

2.5 靜態(tài)應(yīng)力分析與優(yōu)化

對(duì)裝配體模型進(jìn)行應(yīng)力和總變形的有限元分析,求解得到如圖4、圖5所示的尾板應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D.

圖4 DSK300尾板的應(yīng)力云圖

圖5 DSK300尾板的應(yīng)變?cè)茍D

從圖4和圖5的云圖結(jié)果看出，尾板在高壓鎖模狀態(tài)下最大應(yīng)力為280.12MPa，發(fā)生在尾板左右鉸支座處；最大變形量為0.264mm，發(fā)生在中間鉸支座外緣面處.尾板材料QT500-7是鑄鐵經(jīng)球化處理得到的球墨鑄鐵，不但有較高的強(qiáng)度，還有較好的塑性，其力學(xué)性能接近鋼材，伸長(zhǎng)率A=7%，故也可作塑性材料考慮[5].從分析結(jié)果看，尾板的最大應(yīng)力已經(jīng)接近材料QT500-7的屈服強(qiáng)度σs=320MPa，在長(zhǎng)期重復(fù)鎖?；蜴i模力過(guò)載的工況下存在零件發(fā)生屈服失效的隱患，嚴(yán)重影響尾板質(zhì)量的可靠性.此分析所得結(jié)果與工廠提供的部分SDK300尾板在實(shí)際工作中已發(fā)生塑性變形失效的情況相符，表明建立的分析模型是合理的，能夠反映模板的真實(shí)受力情況.

由圖4和圖5的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D分析可知，工作狀態(tài)下鉸支座與銷軸相互接觸擠壓，尤其對(duì)于左右兩側(cè)鉸支座變形更為明顯，導(dǎo)致其內(nèi)側(cè)邊緣處應(yīng)力過(guò)于集中而接近材料屈服極限，所以應(yīng)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn).表1給出了對(duì)左右兩側(cè)鉸支座寬度L進(jìn)行優(yōu)化并且依次增加ΔL時(shí)尾板的最大應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值.由表1可知，當(dāng)左右鉸支座寬度L由原值44mm增大為64mm時(shí)較為合理，此時(shí)最大應(yīng)力為175MPa，遠(yuǎn)小于零件材料的屈服強(qiáng)度，尾板受力狀態(tài)得到明顯改善.而隨著左右鉸支座兩端的寬度變化，3個(gè)鉸支座所承受載荷比例發(fā)生變化，當(dāng)寬度大于64mm時(shí)，由于兩端鉸支座的剛度明顯大于中間支持鉸支座的剛度，所以使得銷軸上的力主要由兩端鉸支座來(lái)承擔(dān)，導(dǎo)致兩端鉸支座的應(yīng)力不是繼續(xù)變小，而是突然增大.由材料力學(xué)知識(shí)可知，優(yōu)化后尾板受力無(wú)論按脆性材料零件還是塑性材料零件計(jì)算其安全系數(shù)ns=σs/σ1=500/175≈2.86，nb=σb/σ1= 320/175 ≈1.83均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的安全系數(shù)范圍內(nèi)，應(yīng)該說(shuō)此時(shí)尾板強(qiáng)度儲(chǔ)備充足，工作更可靠[7-8].

表1 不同鉸支座寬度尾板最大應(yīng)力應(yīng)變表

3 模板的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

本文通過(guò)Workbench中的Shape Finder模塊對(duì)尾板形狀進(jìn)行優(yōu)化分析.在Shape Finder模塊中，為保證研究對(duì)象的總體結(jié)構(gòu)不變，使體積最小化，盡可能尋找對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不產(chǎn)生重要影響的可去除面積，本文擬定重量減少10%為條件對(duì)尾板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[9-10]，優(yōu)化分析結(jié)構(gòu)如圖6所示.圖6中淺灰色部分表示不重要部分，可以根據(jù)需要進(jìn)行切除或保留，灰色部分表示保留部分.根據(jù)分析數(shù)據(jù)提出如下改進(jìn)方案：尾板板體厚度從95mm減小為85mm；尾板左右兩側(cè)連桿支撐架厚度從70mm減小為45mm，同時(shí)適當(dāng)加大其三角形開(kāi)口面積，修改后的模型如圖7所示.對(duì)優(yōu)化后的尾板再次進(jìn)行如上所述的有限元分析，得到其最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值見(jiàn)表2.

圖6 尾板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化云圖

圖7 優(yōu)化后的尾板模型

結(jié)構(gòu)類型最大應(yīng)力/MPa最大變形/mm質(zhì)量/kg原尾板280.120.2641053.8改進(jìn)尾板170.750.266946.23

改進(jìn)尾板與原尾板相比，最大應(yīng)力減少39%，質(zhì)量減少了107.57kg(減少了10.2%)，最大變形較原來(lái)增大0.002mm，基本可以忽略.

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)SDK300型注塑機(jī)尾板的有限元分析表明，其較大應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在尾板左右鉸支座內(nèi)側(cè)，且應(yīng)力分布情況和應(yīng)力最大值與左右鉸支座寬度有密切關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選擇鉸支座寬度以避免應(yīng)力過(guò)于集中.另外通過(guò)對(duì)尾板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在相同的載荷條件下，實(shí)現(xiàn)了SDK300尾板應(yīng)力和質(zhì)量的同時(shí)降低.本文也為進(jìn)一步改進(jìn)注塑機(jī)曲肘連桿式合模機(jī)構(gòu)中尾板的受力情況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

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