基于ANSYS排水泵注塑模型腔疲勞可靠性分析

王 權(quán)，趙睿榮，蔡玉俊，臧 冀

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222；2.SEW-工業(yè)減速機（天津）有限公司，天津 300457；3.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

模具是工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，可用來成型具有一定形狀和尺寸的各種制品。注塑模型腔是成型塑件主要外表面的成型零件，是塑料模具的主要組成部件之一，其工作可靠性直接影響塑件的成型質(zhì)量和模具的正常工作和使用壽命。隨著模具容量和參數(shù)日益提高，用戶對模具質(zhì)量的要求已經(jīng)不再滿足于功能和性能的保證，而是希望模具能夠長期使用并且保持良好的穩(wěn)定性能，要求模具具有很高的可靠性[1-2]。而注塑模具在使用過程中，模具型腔常容易過早出現(xiàn)疲勞裂紋，直接影響了模具的使用壽命和工作的可靠性。模具是單件生產(chǎn)，交貨周期短，模具型腔形狀又變化多樣，因此不可能如某些批量生產(chǎn)的電子或機械產(chǎn)品那樣可以通過試制產(chǎn)品和現(xiàn)場測試來獲取使用壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)。如何找到一種行之有效的方法對模具的疲勞壽命進行預(yù)測，并對其工作可靠性做出評價已成為模具行業(yè)亟待解決的一個問題[3-5]。本文以洗衣機排水泵體零件的注塑模具型腔作為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對其疲勞壽命進行預(yù)測，同時對其工作可靠性進行分析和研究，為類似模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計和疲勞可靠性分析提供思路和方法。

1 模型建立

根據(jù)注塑模具型腔結(jié)構(gòu)特點，采用UG軟件對注塑模具型腔進行數(shù)字化設(shè)計，為下一步注塑模具型腔有限元靜力分析提供幾何模型。模具實體模型及模具型腔示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 三維實體模型

圖2 注塑模具型腔

2 有限元分析

洗衣機排水泵型腔材料為SK6D1，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。模具型腔網(wǎng)絡(luò)劃分如圖3所示。

圖3 模具型腔網(wǎng)格劃分

2.1 應(yīng)力分布圖和型腔變形圖

（1）當模具型腔的壓力為30 MPa時，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，型腔最大應(yīng)力為182.755 MPa，最大位移變形為0.012 645 mm。

（2）當模具型腔的壓力為20 MPa時，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖6和圖7所示。

圖4 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖5 型腔的變形云圖

圖6 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖7 型腔的變形云圖

從圖6和圖7中可以看出，型腔最大應(yīng)力為121.837 MPa，最大位移變形為0.008 43 mm。

（3）當模具型腔的壓力為10 MPa時，型腔的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖8和圖9所示。

圖8 型腔的應(yīng)力分布云圖

圖9 型腔的變形云圖

從圖8和圖9中可以看出，型腔最大應(yīng)力為60.918 MPa，最大位移變形為0.004 215 mm。

從以上的應(yīng)力云圖和變形云圖中可以看出，隨著注塑模具型腔壓力值的增加，型腔的最大應(yīng)力和變形量也隨之增加，并且最大應(yīng)力發(fā)生在型腔底部。

因此，以載荷為橫坐標，以最大應(yīng)力為縱坐標，得到型腔載荷－應(yīng)力曲線圖，如圖10所示。

圖10 型腔載荷-應(yīng)力曲線圖

2.2 型腔壽命分析

疲勞破壞是機械零部件早期失效的主要形式。疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，由于某點或某些點逐漸產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程。

圖11和圖12分別為經(jīng)過分析后的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖。從圖12求解得到的最小疲勞壽命105.621 3，因此，模具型腔安全。最小安全系數(shù)為0.706。

圖11 疲勞壽命云圖

圖12 安全系數(shù)云圖

從疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖中可以看出，型腔壽命的最小位置均出現(xiàn)在型腔內(nèi)側(cè)底面與側(cè)面的圓環(huán)處，與其各自應(yīng)力集中點位置剛好吻合，這也表明，在不考慮其他因素的情況下，該點即為其最大應(yīng)力集中點。

2.3 注塑模具型腔疲勞可靠度計算

當應(yīng)力和強度分布都成正態(tài)分布時，可靠度的計算可大大簡化。正態(tài)分布的應(yīng)力和強度概率密度函數(shù)分別為：

式中：σ和μ為2個參數(shù)，σ＞0，+∞ ＜μ＜－∞。

常用塑料材料成型時的型腔壓力為10～30 MPa，假設(shè)在實際應(yīng)用中，壓力為30 MPa，在正常的波動范圍內(nèi)，有：

式中：μp為型腔壓力均值；σp為型腔壓力的標準差。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計，可得型腔內(nèi)應(yīng)力服從正態(tài)分布，其均值和標準差分別為：

模具型腔的疲勞強度呈正態(tài)分布，在設(shè)計疲勞壽命為106次工作循環(huán)時，在疲勞應(yīng)力圖中取對應(yīng)的應(yīng)力值為2.265，則型腔疲勞強度的均值和標準差分別為：

型腔的可靠度系數(shù)為：

查表，得到可靠度R=0.888 8。

在設(shè)計壽命為106次工作循環(huán)中，注塑模具型腔的可靠度可以達到0.888 8，可以滿足工作可靠性的要求。理論計算的可靠度與利用疲勞分析軟件進行疲勞壽命分析的結(jié)果相吻合。

3 結(jié)束語

以成型洗衣機排水泵零部塑件的注塑模具型腔為研究對象，將可靠性設(shè)計理論、有限元分析法和疲勞分析技術(shù)運用到注塑模具型腔的設(shè)計之中，能有效地提高模具設(shè)計質(zhì)量，保證模具的使用壽命，降低塑料制品成本，提高設(shè)備的生產(chǎn)率。

［1］李舜酩.機械疲勞與可靠性設(shè)計［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］商躍進.有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］劉世豪，王東方.可靠性在模具設(shè)計中的應(yīng)用與研究［J］.新技術(shù)新工藝，2008（5）：33-35.

［4］王班.抽屜補強成形工藝及模具設(shè)計［J］.模具技術(shù)，2006（5）：30-33.

［5］YASUSHI U，SHINICHI F.Product modularity for life cyele design[J].ClRP Annals-manufacturing Technology，2008，57：13-16.