對(duì)比法建立注塑機(jī)鎖模機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

李向東，饒少華，磨斌國(guó)

(寶捷精密機(jī)械有限公司，廣東 佛山 528137)

1 鎖模結(jié)構(gòu)與鎖模機(jī)架的工作原理簡(jiǎn)介

鎖模結(jié)構(gòu)和鎖模機(jī)架是注塑成型機(jī)中非常重要的一環(huán)，為注塑成型工藝提供穩(wěn)定的鎖模成型條件，承擔(dān)自重以及模具重量，為注塑成型工藝提供適宜的鎖模力，有效降低在鎖模過程中對(duì)模具變形的影響。同時(shí)在注塑成型周期中，要抵抗射膠動(dòng)作在模具填充過程中的沖擊變形，抵抗開模過程中開模力對(duì)頭板沖擊的變形影響。而以上所有的沖擊和變形都將由鎖模機(jī)架承擔(dān)。

圖1為注塑機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖中已經(jīng)注明了鎖模部裝、鎖模機(jī)架、射臺(tái)部裝、射臺(tái)機(jī)架、鎖模機(jī)架所處的位置以及結(jié)構(gòu)形式。由于鎖模部分結(jié)構(gòu)對(duì)注塑成型提供非常重要的鎖模力發(fā)生條件和開?？刂茥l件，其鎖模機(jī)架比射臺(tái)機(jī)架設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，成本因素影響更高，本文描述的機(jī)架設(shè)計(jì)方法是針對(duì)鎖模機(jī)架而言。

圖1 塑機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2為鎖模結(jié)構(gòu)中包含的鎖模頭板、鎖模二板、鎖模機(jī)架示意圖，展示了其鎖模機(jī)構(gòu)的工作原理。

圖2 注塑機(jī)鎖模結(jié)構(gòu)圖

圖3為鎖模機(jī)架的設(shè)計(jì)概念。由于注塑機(jī)設(shè)備的重量絕大多數(shù)是由于鎖模部裝產(chǎn)生的，以800 t兩板注塑機(jī)為例，鎖模部裝及機(jī)架的總重量通常在10 t以上，所以鎖模機(jī)架成為最重要的運(yùn)動(dòng)支撐部件。

圖3 注塑機(jī)鎖模機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

2 鎖模結(jié)構(gòu)部分運(yùn)動(dòng)特性及鎖模機(jī)架模型分析建立

注塑機(jī)鎖模結(jié)構(gòu)中，鎖模頭板將固定于機(jī)架上面，與機(jī)架保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。而鎖模二板與機(jī)架則是相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，二者之間通過滑動(dòng)摩擦副滑行。在注塑成型工藝過程中，一般分為以下步驟，如圖4所示。

圖4 注塑成型工藝框圖

在合模和鎖模工藝又會(huì)產(chǎn)生更具體的工藝流程，一般分為低壓慢速合模、低壓快速合模、低壓低速模保鎖模、高壓低速鎖模四個(gè)步驟。而開模階段由于受模具制品內(nèi)應(yīng)力的影響，開模工藝流程一般分為高壓低速開模、低壓快速開模、低壓低速開模到位三個(gè)步驟。通常鎖模頭板要固定在機(jī)架的撐力梁上，以獲得更好的剛性和更低的沖擊變形，而鎖模二板滑動(dòng)副則也是運(yùn)行在機(jī)架的支撐梁上，以防止運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)架變形。

按以上鎖模成型工藝原理，我們建立極端情況下的鎖模機(jī)架形變分析模型。我們以最快的合模速度合上模具，此時(shí)模具將沖擊力傳遞給鎖模頭板，鎖模頭板頭板將受到最強(qiáng)的沖擊力。由于鎖模頭板與鎖模機(jī)架固定連接，鎖模頭板受到的沖擊力將直接傳遞給鎖模機(jī)架，由此產(chǎn)生最大的鎖模變形。根據(jù)鎖?；瑒?dòng)副接觸面積、鎖模機(jī)板重量、運(yùn)動(dòng)沖擊到靜止時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，利用動(dòng)量定理Ft=mv'-mv可以得出沖擊力，而沖擊時(shí)間可以以液壓閥的切換時(shí)間作為計(jì)算依據(jù)，本文的沖擊時(shí)間約定為150 ms即0.15 s。

建立單位變形系數(shù)及單位沖擊變形系數(shù)概念，以有效評(píng)價(jià)鎖模力、機(jī)架橫截面積、靜態(tài)時(shí)最大模厚處的變形量、機(jī)架總重量、鎖模部裝自重與沖擊力合力作用到機(jī)架時(shí)的變形量之間的關(guān)聯(lián)性。單位變形系數(shù)定義為：（靜態(tài)時(shí)最大模厚處的變形量×機(jī)架總重量）÷（鎖模力×機(jī)架橫截面積）；單位沖擊變形系數(shù)定義為：（鎖模部裝自重與沖擊力合力作用到機(jī)架時(shí)的變形量×機(jī)架總重量)÷(鎖模力×機(jī)架橫截面積）。

按以上分析原理，結(jié)合有限元分析方法建立以下分析模型，見表1。

表1 建模分析表1

3 鎖模機(jī)架支撐梁設(shè)計(jì)方法

為有效獲得機(jī)架剛性，并減少變形，同時(shí)要求機(jī)架設(shè)計(jì)的輕量化，鎖模機(jī)架的支撐梁必須有合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

鎖模頭板與機(jī)架是相互靜止關(guān)系，靜態(tài)承重設(shè)計(jì)時(shí)支撐梁要合理分擔(dān)鎖模頭板的自重，以及開合模過程中鎖模動(dòng)作對(duì)機(jī)架的沖擊，固定面必須支撐在支撐梁上。鎖模二板在鎖模機(jī)架上可以移動(dòng)，所以鎖模二板的承重梁要設(shè)計(jì)在二板滑動(dòng)副接觸面正下方，縱梁的設(shè)計(jì)尺寸可以依據(jù)鎖模機(jī)架模型分析做設(shè)計(jì)調(diào)整。圖5顯示了鎖模機(jī)架置于鎖模頭板和鎖模二板支撐的設(shè)計(jì)方向，可供設(shè)計(jì)參考。

圖5 鎖模頭板及鎖模二板支撐梁設(shè)計(jì)

4 對(duì)比法鎖模機(jī)架設(shè)計(jì)建模思路

任何一家企業(yè)都會(huì)有其成功的相似產(chǎn)品可以作為新設(shè)計(jì)機(jī)型的結(jié)構(gòu)參考，也可以參考同行業(yè)比較成熟、性價(jià)比比較高的同類產(chǎn)品建立研究對(duì)象。本文借鑒了本公司的450 t注塑機(jī)鎖模機(jī)架作為研究對(duì)象，其機(jī)型設(shè)計(jì)理念成熟，銷售量大，客戶接受度非常高。

按本文所提鎖模機(jī)架模型分析方法，我們?cè)谀繕?biāo)450 t鎖模機(jī)架建?；A(chǔ)上，建立并獲取了以下數(shù)據(jù),見表2。

表2 建模分析數(shù)據(jù)表2

圖6 合應(yīng)力變形圖

圖7 合位移變形圖

圖8 沖擊應(yīng)力變形圖

圖9 沖擊力變形圖

圖6～圖9顯示了此450 t機(jī)器鎖模頭板、鎖模二板在有限元分析狀v態(tài)的應(yīng)力和變形情況，后續(xù)分析數(shù)據(jù)將以相同的形式加載。

5 800 t鎖模機(jī)架建模及其分析

對(duì)比450 t的設(shè)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，我們首先進(jìn)行了800 t鎖模機(jī)架的初步建模設(shè)計(jì)，并以不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、不同支撐方式和位置進(jìn)行了多次模擬設(shè)計(jì)。不同設(shè)計(jì)方案中機(jī)架的總寬和總高、鎖模力、頭板和二板的重量均相同，即探索在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下對(duì)鎖模機(jī)架剛性和總重量的影響因素。在不同的設(shè)計(jì)方案情況下，都需要進(jìn)行力的加載重新進(jìn)行有限元數(shù)據(jù)分析。在提取每一個(gè)方案的數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷下一次的優(yōu)化方向和調(diào)整方案，最優(yōu)的設(shè)計(jì)將出現(xiàn)鎖模機(jī)架的應(yīng)力、變形和重量有更均衡的設(shè)計(jì)結(jié)果。

本方案經(jīng)歷了三次大的設(shè)計(jì)調(diào)整和改動(dòng)后，圖10顯示了三次機(jī)架設(shè)計(jì)的剖面效果和主要尺寸及材料變動(dòng)。

圖10 三次機(jī)架圖紙優(yōu)化效果剖面圖

同時(shí)按三次設(shè)計(jì)方法，在不同的結(jié)構(gòu)下，有時(shí)會(huì)獲得比較差的應(yīng)力和變形，又時(shí)應(yīng)力和變形小但機(jī)架重量又太重，不能獲得很好性價(jià)比。以下過程對(duì)比數(shù)據(jù)的獲取（見表3），可以建立機(jī)架設(shè)計(jì)方向選取的綜合考量。

表3 建模分析數(shù)據(jù)表3

圖11～圖14顯示了第三次優(yōu)化方案中有限元分析結(jié)果：

圖11 合應(yīng)力變形圖

圖12 合位移變形圖

圖13 沖擊應(yīng)力變形圖

圖14 沖擊力變形圖

第三次優(yōu)化結(jié)果顯示設(shè)計(jì)機(jī)架不僅鎖模重量獲得了輕量化，而且提升了應(yīng)力和變形。

此方案同時(shí)對(duì)比450 t機(jī)器設(shè)計(jì)方案中相同項(xiàng)目，可以看到下面的數(shù)據(jù)變化，見表4。

我們可以看到鎖模機(jī)架應(yīng)用模型的建立，不僅解決了相同機(jī)型之間的對(duì)比和優(yōu)化，即使在不同噸位的機(jī)型設(shè)計(jì)中，都又非常高的應(yīng)用價(jià)值。新設(shè)計(jì)的800 t鎖模機(jī)架同已經(jīng)成熟的450 t機(jī)器對(duì)比，在沖擊變形、沖擊應(yīng)力、危險(xiǎn)變形、危險(xiǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)方面都又非常優(yōu)異的變現(xiàn)，綜合體現(xiàn)到單位變形系數(shù)和單位沖擊變形系數(shù)更優(yōu)異，而在業(yè)內(nèi)的機(jī)器實(shí)際設(shè)計(jì)中，圖3所示800 t鎖模機(jī)架2.6 t的設(shè)計(jì)重量是非常低的設(shè)計(jì)結(jié)果，充分保證了應(yīng)力和應(yīng)變指標(biāo)，能獲得極高的經(jīng)濟(jì)效益。

通過合理的技術(shù)應(yīng)用途徑，我們將注塑機(jī)鎖模機(jī)架設(shè)計(jì)中非常多的人為設(shè)計(jì)漏洞和缺陷轉(zhuǎn)化成了可以控制的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)我們追求優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案是非常有益的。

表4 建模分析表4