淺談注塑機(jī)合模裝置主要構(gòu)件的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐陽辛雨（佛山市順德區(qū)震德塑料機(jī)械有限公司，廣東 佛山 528300）

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淺談注塑機(jī)合模裝置主要構(gòu)件的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐陽辛雨
（佛山市順德區(qū)震德塑料機(jī)械有限公司，廣東 佛山 528300）

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，塑料的應(yīng)用深入到人們生活生產(chǎn)的各個方面，成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分。其中，注塑機(jī)是塑料制品制作過程中最為重要的成型設(shè)備，關(guān)系著塑料制品的質(zhì)量以及整個塑料行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。本文將就注塑機(jī)合模裝置主要構(gòu)件的有限元進(jìn)行淺談分析，并對此提出幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；合模裝置；主要構(gòu)件；優(yōu)化設(shè)計(jì)

注塑機(jī)最重要的機(jī)械部件是合模裝置，其中模板作為合模裝置中的核心零件，有著至關(guān)重要的作用。前模板和動模板需要在注塑機(jī)使用過程中固定模具、定位運(yùn)動導(dǎo)向，但因承受著彎曲應(yīng)力作用且受力復(fù)雜，會對塑料制品的最終成型造成影響[1]。一直以來，對注塑機(jī)模板的設(shè)計(jì)都是基于操作人員的以往經(jīng)驗(yàn)，對比參照其他模板而進(jìn)行尺寸比例和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這種模板設(shè)計(jì)方式，不能完全發(fā)揮合模裝置的價(jià)值，也不能完全體現(xiàn)出材料的強(qiáng)度，甚而會影響注塑機(jī)的生產(chǎn)以及塑料制品的質(zhì)量。因此，對注塑機(jī)合模裝置中的模板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢在必行。

1　注塑機(jī)和注塑機(jī)合模裝置概述

1.1注塑機(jī)

注塑機(jī)作為一種塑料成型設(shè)備就是將熱固性塑料或者熱塑性塑料成型模具制成塑料制品[1]。因?yàn)樗哂心軌蛞淮纬尚统鼍雀咔倚螤顝?fù)雜的塑料制品，所以是現(xiàn)今世界上發(fā)展最快、應(yīng)用最多的成型設(shè)備。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車機(jī)械、醫(yī)療用品以及生活用品等各個方面。

1.2注塑機(jī)合模裝置

合模裝置作為注塑機(jī)的核心部件，它的作用是使模具可以可靠閉合并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的行動流程，為操作時提供必要的鎖模能力以及成型時的頂出力。其組成部分包括：前模板、后模板、動模板、拉桿、合模機(jī)構(gòu)、頂出裝置以及安全門[1]。要注意到的是，模板是整個合模裝置中最重要的零件，對合模裝置的優(yōu)化分析，就是對模板的優(yōu)化分析。

2　注塑機(jī)模板的失效形式

合模裝置中的所有部件都會在注塑機(jī)使用過程中受到循環(huán)應(yīng)力影響，尤其是合模裝置中的模板、拉桿以及曲軸，在不斷地循壞作用下最終會因疲勞破壞導(dǎo)致合模裝置效力喪失。因?yàn)槟０迨亲⑺軝C(jī)合模裝置中的核心零件，除了重量占據(jù)合模裝置的大部分比例外，成本也是如此。所以，當(dāng)合模裝置中的模板發(fā)生破裂的話，那么整個生產(chǎn)都會受到影響。一般，注塑機(jī)模板的材料采用的是性能較好的球墨鑄鐵，這種類型的材料性價(jià)比高，會使注塑機(jī)的全部成本及性能保持在一個合理的水平。

但是，不可避免的是，即使預(yù)先設(shè)計(jì)并計(jì)算好了模板的厚度和強(qiáng)度，仍然會有模板失效的情況出現(xiàn)。例如，曲軸式注塑機(jī)的合模裝置中軸桿具有強(qiáng)大的鎖模能力，但因其彈性變形較大，往往會在應(yīng)力集中位置出現(xiàn)裂痕[1]。

在以往，設(shè)計(jì)注塑機(jī)合模裝置的模板時，通常是由設(shè)計(jì)人員的以往經(jīng)驗(yàn)結(jié)合傳統(tǒng)計(jì)算方法來進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的。這種方式較為簡單，模型設(shè)計(jì)也比較粗糙，最后的結(jié)果也是導(dǎo)致注塑機(jī)的成本提高且不一定能達(dá)到預(yù)期效果。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員開始探索新的設(shè)計(jì)方法。于是，有限元技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到大力推廣，將其運(yùn)用到模板設(shè)計(jì)中受到越來越多設(shè)計(jì)人員的推崇。

3　注塑機(jī)模板的有限元分析

有限元分析能夠使設(shè)計(jì)人員知道零件的脆弱位置，并且了解到應(yīng)力的具體分布情況。通過這些信息來滿足機(jī)械零部件的應(yīng)力分布，從而延長注塑機(jī)的使用壽命，提高實(shí)用價(jià)值。利用有限元分析對注塑機(jī)合模裝置零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行過尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化的，最終實(shí)現(xiàn)真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品性能達(dá)到最佳[3]。

ANSYS軟件是一種集結(jié)構(gòu)分析、傳熱學(xué)分析、流體分析、電磁分析、聲學(xué)分析、爆破分析于一體的有限元軟件[3]。利用該軟件，對注塑機(jī)進(jìn)行分析，了解應(yīng)力的實(shí)際情況，對合模裝置中的模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為注塑機(jī)的改進(jìn)提供可能。

4　注塑機(jī)合模裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1肘桿式合模裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙曲肘合模裝置運(yùn)動特性好，行程比大且成本低，等等優(yōu)勢使得它在具體生產(chǎn)中被大量應(yīng)用。不過，這種合模裝置設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其中會涉及到幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)等多門科學(xué)，而且機(jī)臺結(jié)構(gòu)中有許多制約條件，都使得設(shè)計(jì)難度加深?？梢詫⒅鈼U式合模裝置的設(shè)計(jì)要求歸納為這五點(diǎn)：①具有相當(dāng)大的增力倍數(shù)，以實(shí)現(xiàn)同油缸推力的合模力；②具有能保持運(yùn)行平穩(wěn)的速度特性；③確保速度達(dá)標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)高效益；④具有合適的剛強(qiáng)度，防止注后脹模；⑤保證整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕[4]。為達(dá)到這些要求、解決這些問題，唯有對肘桿式合模裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在設(shè)計(jì)肘桿式合模裝置時，要達(dá)到的上述設(shè)計(jì)要求與合模裝置的幾何尺寸以及位置有著重要關(guān)系，這關(guān)乎著合模裝置的運(yùn)動分析。因此，建立起一個正確合理且符合合模裝置運(yùn)動特性和力學(xué)特性的計(jì)算公式是極其重要的，這是注塑機(jī)合模裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為數(shù)學(xué)模型的搭建提供依據(jù)。可喜的是，近年來不少專家學(xué)者在研究了注塑機(jī)合模裝置的運(yùn)行后，結(jié)合其特性進(jìn)行分析，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念對注塑機(jī)合模裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2全液壓式合模裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

全液壓式合模裝置包括單杠液壓式、多缸液壓式以及兩板直壓式[3]。不同的種類有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，單杠液壓式是最為傳統(tǒng)的，其優(yōu)點(diǎn)是合模精度高、開模力大。但是卻也具有容易泄露、體積過大、升壓慢、耗能大的缺點(diǎn)。于是，為了解決單杠式注塑機(jī)的這些缺點(diǎn)，兩板直壓式就被創(chuàng)造出來了。雖然兩板直壓式注塑機(jī)解決了那些缺點(diǎn)，但由于自身難度系數(shù)較大，并未馬上得到廣泛應(yīng)用。

要注意到的是，液壓系統(tǒng)的能源浪費(fèi)問題較為嚴(yán)重。在注塑機(jī)合模、注射、保壓冷卻、開模頂出過程中，液壓系統(tǒng)的壓力和流量是隨之發(fā)生規(guī)律變化的。一個工作循環(huán)周期中，由于其實(shí)際壓力和實(shí)際流量發(fā)生差異，就會造成能源浪費(fèi)的情況發(fā)生。

隨著電動機(jī)變頻技術(shù)的日益發(fā)展，液壓控制技術(shù)也得到更多認(rèn)可和應(yīng)用。將電動變頻技術(shù)與液壓式注塑機(jī)相結(jié)合，促進(jìn)注塑機(jī)更進(jìn)一步的發(fā)展。接入變頻器的注塑機(jī)，更有利于控制其生產(chǎn)過程。同時變頻液壓式注塑機(jī)通過使注塑機(jī)工作所要用到的液壓油流量和壓力成正比，不僅使效率得到較大提升，而且還可以節(jié)能降耗、減少成本，避免造成不必要的浪費(fèi)[3]。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)較好的達(dá)到了解決液壓式注塑機(jī)的能源浪費(fèi)問題的目的。

5　結(jié)束語

綜上所述，注塑機(jī)的應(yīng)用是順應(yīng)時代的發(fā)展。不可否認(rèn)，塑料作為現(xiàn)代生活的必需品，其工藝性能標(biāo)志著這個國家技術(shù)水平的發(fā)展情況。因此，注塑機(jī)合模裝置的優(yōu)化升級刻不容緩。這需要我國的相關(guān)從業(yè)者能夠善于學(xué)習(xí)、勇于創(chuàng)新，不管是在合模裝置的主要構(gòu)件上，還是在施工工藝上都需要有專研精神，利用優(yōu)化技術(shù)來改進(jìn)注塑機(jī)合模裝置中的不足之處，以促進(jìn)整個塑料行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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(P-01)

Finite element analysis and optimization design of main components for clamping device of injection molding machine

中圖分類號：TQ320.5

文章編號：1009-797X(2016)12-0046-02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.019

作者簡介：歐陽辛雨（1987-），女，2009年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任助理工程師，從事于注塑機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)。

收稿日期：2016-05-28