低壓注塑設(shè)備拉桿式合模機構(gòu)的分析與優(yōu)化

□ 劉 劼 □ 成小樂 □ 符寒光 □ 丁露露 □ 鄭守東

1.西安工程大學 機電工程學院 西安 710048 2.遼寧忠旺機械設(shè)備制造有限公司 遼寧遼陽 111000

1 研究背景

低壓注塑成形技術(shù)源于歐洲,引入我國后發(fā)展迅速,應用行業(yè)涉及汽車電子、消費電子及智能穿戴等行業(yè)[1-2]。合模機構(gòu)是低壓注塑設(shè)備中壓合模具的核心結(jié)構(gòu)，在注塑行業(yè)中，常見的合模機構(gòu)類型有拉桿式、肘桿式、液壓式等[3-4]。拉桿式合模機構(gòu)是最常見的合模機構(gòu),針對各種新型產(chǎn)品的注塑,這一合模機構(gòu)的穩(wěn)定性一直是目前低壓注塑設(shè)備的研究重點。

實際生產(chǎn)中,合模機構(gòu)的活動壓合模板會因不同尺寸的產(chǎn)品而產(chǎn)生不同大小的反向頂模力。當反向頂模力大于合模力時,會導致模具張口和產(chǎn)品溢邊,并且加大模具損耗。若通過增大氣缸或液壓缸缸徑來增大合模力,則不僅增加成本,占用空間,而且容易使現(xiàn)有的固定模板、活動壓合模板及導向軸產(chǎn)生應力變形,影響合模精度,最終對注塑產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

筆者主要針對低壓注塑設(shè)備拉桿式合模機構(gòu)進行研究,應用SolidWorks軟件對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并且運用經(jīng)驗公式計算最大反向頂模力[5-6]。然后通過ANSYS Workbench軟件對合模機構(gòu)進行靜態(tài)模擬分析,并進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。在滿足最大反向頂模力的前提下,減小活動壓合模板的最大應力和變形量，改善模板受力情況,最終提高合模機構(gòu)的穩(wěn)定性[7-10]。

2 合模機構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)

合模機構(gòu)是低壓注塑設(shè)備鎖模和開模的重要部件,按照類型分為拉桿式、肘桿式和液壓式。肘桿式合模機構(gòu)通過液壓或氣動裝置驅(qū)動曲肘連桿機構(gòu)來實現(xiàn)模具的啟閉與鎖緊。在開合模過程中,肘桿式合模機構(gòu)能提高合模速度,節(jié)約能源，提高效率,但是結(jié)構(gòu)復雜，開合模精度低、行程短,易造成受力不均，導致模具加速磨損。拉桿式合模機構(gòu)以四導軸結(jié)構(gòu)為主,結(jié)構(gòu)簡單,易控制，能耗較低，模板受力均衡,定位導向性能好,但反向頂模力過大,模板和導向軸會產(chǎn)生變形,不適用于液壓系統(tǒng)。

筆者研究的拉桿式合模機構(gòu)包括氣缸、模板、導向軸(含直線軸承)、上下模具、拉桿螺栓、模具固定螺栓等結(jié)構(gòu)。其中，模板包括三個部分:上固定模板、活動壓合模板和下固定模板。上固定模板的主要作用是固定氣缸和連接導向軸,同時使氣缸缸桿推動活動壓合模板，實現(xiàn)模具的閉合和開啟?；顒訅汉夏０宓闹饕饔檬枪潭ㄉ夏＞?下固定模板的主要作用是固定下模具及定位導向。這一合模機構(gòu)主要通過氣缸輸出推力,帶動與上模具連接的活動壓合模板在四根導向軸上做上下直線運動,實現(xiàn)上模具和下模具的閉合、開啟。應用SolidWorks軟件進行建模,拉桿式合模機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 拉桿式合模機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)

2.2 受力

在拉桿式合模機構(gòu)中,主要由執(zhí)行元件氣缸輸出推力,上固定模板、下固定模板、活動壓合模板及導向軸均受到不同方向的壓力。在工作狀態(tài)下,活動壓合模板主要承受氣缸所產(chǎn)生的豎直向下的壓力，以及產(chǎn)品注塑時模具內(nèi)腔壓強所產(chǎn)生的反向推力。四個導向軸主要承受兩端拉桿螺栓的緊固拉力。下固定模板主要承受氣缸所產(chǎn)生的豎直向下的壓力、四個導向軸上拉桿螺栓產(chǎn)生的向上緊固拉力，以及設(shè)備機架施加的側(cè)向力。經(jīng)分析，推力導致活動壓合模板和下固定模板中心區(qū)域變形量過大,影響產(chǎn)品的合模精度,產(chǎn)生不良注塑產(chǎn)品。

2.3 最大反向頂模力

在低壓注塑設(shè)備中,合模機構(gòu)的最大反向頂模力決定了注塑產(chǎn)品的最大豎直投影面積。最大反向頂模力是模具合模后所能承受的最大分力,通常氣缸輸出的合模力要大于此最大反向頂模力,否則上下模具不能完全閉合,影響產(chǎn)品質(zhì)量。

反向頂模力由模腔的投影面積和模腔內(nèi)的壓力決定：

F=PSKN

(1)

式中：F為反向頂模力;P為模腔平均壓強，低壓注塑工藝中常規(guī)模腔平均壓強一般為0.15～4 MPa，不同注塑產(chǎn)品常規(guī)模腔平均壓強有所不同；S為模腔內(nèi)產(chǎn)品成形的豎直投影面積;K為安全因數(shù),一般取1.2～1.6;N為模腔數(shù)量,常規(guī)模腔數(shù)量一般為1。

低壓注塑設(shè)備需要依據(jù)待注塑產(chǎn)品的尺寸進行設(shè)計,不同類型的產(chǎn)品尺寸差異較大,設(shè)備的最大反向頂模力一般以適用最大注塑產(chǎn)品尺寸為準。在拉桿式合模機構(gòu)中，常見的注塑產(chǎn)品種類及所需最大反向頂模力見表1。

表1 注塑產(chǎn)品種類與最大反向頂模力

由表1可知,汽車電子產(chǎn)品的最大反向頂模力是傳感器或線束的14倍。選用過大的最大反向頂模力，同時需要對合模機構(gòu)的強度加強設(shè)計,在考慮成本和耐用的同時,兼顧對不同尺寸產(chǎn)品的通用性。

3 有限元分析

3.1 材料性能及網(wǎng)格劃分

應用ANSYS Workbench軟件對導入的拉桿式合模機構(gòu)模型進行材料性能設(shè)置,其中上固定模板、下固定模板和活動壓合模板的材料為45號鋼,其密度為7.85×103kg/m3，屈服強度為350 MPa，抗拉強度為600 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.27。導向軸的材料為GCr15，其密度為7.81×103kg/m3、屈服強度為510 MPa，抗拉強度為860 MPa，彈性模量為2.07×105MPa，泊松比為0.3。

采用四面體單元自適應精度進行自由網(wǎng)格劃分[11],再對活動壓合模板、上下固定模板的通孔及局部曲面等進行網(wǎng)格細化,得到單元總數(shù)為65 722,節(jié)總數(shù)為113 399。拉桿式合模機構(gòu)模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3.2 邊界條件及載荷設(shè)置

在接觸功能菜單下對拉桿式合模機構(gòu)模型進行接觸設(shè)置,其中活動壓合模板的四個通孔和四根導向軸設(shè)置為摩擦接觸,摩擦因數(shù)為0.16。將四根導向軸兩端的拉桿螺栓和上下固定模板設(shè)置為綁定,其它部分的接觸選用幾何拾取和自動檢測功能來判定接觸狀態(tài)。由于拉桿式合模機構(gòu)整體通過下固定模板連接設(shè)備機架,因此對下固定模板進行固定全約束。由于活動壓合模板需沿導向軸方向自由移動,即實現(xiàn)Z軸上的自由移動,因此只需固定X軸、Y軸的自由度。對活動壓合模板添加沿Z軸豎直向下的載荷26 000 N,即最大反向頂模力，進行有限元分析[12-13]。

▲圖2 拉桿式合模機構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

3.3 分析結(jié)果

在設(shè)置邊界條件和載荷后,進行有限元計算，可得拉桿式合模機構(gòu)整體應力云圖和總變形云圖，如圖3所示。由圖3可見，在該合模機構(gòu)活動壓合模板中心的螺紋孔邊緣處出現(xiàn)局部最大應力342 MPa，最大變形量為0.133 mm。

▲圖3 拉桿式合模機構(gòu)有限元分析云圖

拉桿式合模機構(gòu)主要應力集中于活動壓合模板及模具的中心區(qū)域,向周邊呈線性減小。在該合模機構(gòu)中，導向軸與活動壓合模板的配合區(qū)域也有少量變形,但活動壓合模板和下固定模板的變形量最大,且集中于受力中心區(qū)域[14]。

4 優(yōu)化

4.1 優(yōu)化背景

根據(jù)對拉桿式合模機構(gòu)進行有限元分析后發(fā)現(xiàn),機構(gòu)在注塑最大尺寸產(chǎn)品時,由于豎直投影面積增大需要26 000 N最大反向頂模力,導致活動壓合模板和下固定模板出現(xiàn)大于0.1 mm的變形量。由不良注塑產(chǎn)品產(chǎn)生原因分析可知，由于模板變形量過大,會導致上下模具閉合不緊密[15-16]。為了提高模板的剛度和強度,主要對活動壓合模板和下固定模板進行優(yōu)化設(shè)計,以減小局部最大應力和最大變形量。

4.2 優(yōu)化過程

筆者應用ANSYS Workbench軟件中的拓撲優(yōu)化功能模塊,對活動壓合模板進行重新加載和邊界條件設(shè)置[17-22]。優(yōu)化的目的是減小質(zhì)量和提高剛度，在模擬中,以減小20%質(zhì)量和最大應力不大于300 MPa為目標。優(yōu)化前后活動壓合模板對比如圖4所示。

▲圖4 優(yōu)化前后活動壓合模板

在活動壓合模板四周不含有導柱通孔的區(qū)域,應力較小,加之減重對剛度影響不大,因此可以對這些區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果,對拉桿式合模機構(gòu)的活動壓合模板和下固定模板進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后的活動壓合模板和下固定模板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

▲圖5 優(yōu)化后模板結(jié)構(gòu)

4.3 有限元分析

根據(jù)有限元分析和優(yōu)化目標,活動壓合模板和下固定模板的優(yōu)化以減小質(zhì)量、提高剛度為目的?；顒訅汉夏０宓馁|(zhì)量由優(yōu)化前的31.8 kg減小為28.2 kg，減小11.3%。優(yōu)化后,加工方式依然以線切割為主,加工難度和成本并未提高?？紤]安裝固定機架和結(jié)構(gòu)等因素,下固定模板并沒有以減小質(zhì)量為目標進行優(yōu)化,而是直接對應力集中區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,采用四根對角固定的加強筋提高剛度。

對優(yōu)化后的拉桿式合模機構(gòu)再次進行有限元分析，整體應力云圖和總變形云圖如圖6所示。由圖6可見，在拉桿式合模機構(gòu)活動壓合模板中心的螺紋孔邊緣處及導向軸通孔邊緣,出現(xiàn)局部最大應力291 MPa，相比優(yōu)化前最大應力減小14.9%。在合模機構(gòu)中,經(jīng)過優(yōu)化后活動壓合模板和下固定模板的變形量有所減小,且集中在受力中心區(qū)域,最大變形量為0.089 mm，相比優(yōu)化前減小33.1%。模具四邊區(qū)域的變形量為0.06 mm左右，工作面的平行度極限偏差不大于0.1 mm,模具壓合區(qū)域偏差不大于0.06 mm。

▲圖6 優(yōu)化后拉桿式合模機構(gòu)有限元分析云圖

由有限元分析可知,拉桿式合模機構(gòu)優(yōu)化后,最大應力和最大變形量均減小。在實際生產(chǎn)中，機構(gòu)穩(wěn)定性得到改善,注塑產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，滿足拉桿式合模機構(gòu)的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)ANSYS Workbench軟件進行低壓注塑設(shè)備拉桿式合模機構(gòu)靜力學模擬分析,結(jié)果表明最大應力集中在活動壓合模板及模具的中心區(qū)域,向周邊呈線性減小。活動壓合模板的最大變形集中在受力中心區(qū)域。

對拉桿式合模機構(gòu)進行了質(zhì)量和剛度優(yōu)化,活動壓合模板的最大應力和最大變形量均減小。局部最大應力由342 MPa減小為291 MPa,減小14.9%。最大變形量由0.133 mm減小為0.089 mm,減小33.1%?；顒訅汉夏０宓馁|(zhì)量減小11.3%。

通過軟件進行靜力學分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,不僅提高了注塑產(chǎn)品的質(zhì)量和合模機構(gòu)的穩(wěn)定性,而且為實際低壓注塑設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造提供了參考。