王佳赟1 李国平1 柳 丽1
陈星欣2 林仁友2 娄军强1
1． 宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211
2． 海天塑机集团有限公司 浙江宁波 315801
摘 要: 动模板是二板式注塑机合模机构注塑过程中的核心运动部件，动模板在锁模力作用下的应力与应变状态直接决定了注塑成型精度，其疲劳可靠性是注塑机整机设计和工作状态评估的核心指标。在二板式注塑机锁模状态下，对动模板进行应力分析，确认动模板中心及拉杆接触处存在显著应力集中现象，最大变形位于中心孔附近。在应力分析的基础上，对动模板的高周疲劳寿命和可靠性进行分析，结果表明动模板的高周疲劳寿命超过了自身的工作寿命。绘制动模板疲劳敏感性曲线，确认安全因数最小处和应力最大处一致。所做分析为动模板的设计和评估提供了技术参考。
关键词: 注塑机 动模板 应力 疲劳 分析
1 分析背景
随着塑料行业的兴起，市场对于塑料产品的需求与日俱增，对塑料产品质量和多样性等的要求也越来越高。当前，注塑设备升级更新越来越快，节能、精密、高效是加工制造业的必要准则，也是注塑机更新换代的必然要求。随着液压、电气控制技术的发展和完善，二板式注塑机应运而生。相较于传统三板式注塑机，二板式注塑机具有较多优点［1］。二板式注塑机舍弃了第三模板，采用动模板与定模板相结合的方式，将锁模力直接作用在固定模具的两块模板上，节约了大量空间和成本，减轻了锁模系统的质量，减小了开模时的冲击，并且在合模力调整方面也更加快捷方便[2 - 3]｡
二板式注塑机主要由注塑系统、合模系统、液压系统、电气控制系统四大部分组成。合模装置是注塑机的重要部件之一，是实现启闭运动并产生锁模力的部件，将模具锁紧，以保证注塑成型［4］。长期以来，众多设计者都在对注塑机的各个部分进行设计优化，在确保注塑机性能的同时，使注塑机更加高效地工作。高世权等［5］分析了二板式注塑机合模系统中各部件的刚性，为合模机构的设计提供了方向。王建等［6］对二板式注塑机活塞杆等关键组件进行了仿真分析，在此基础上对活塞杆的结构和参数进行了优化设计。姜杰凤等［7］对二板式注塑机的锁模机构进行了仿真分析，得到了模板的应力分布和拉杆的变形数据。李鹏等［8］对注塑机动模板在工作状态下的振动特性进行了测试。张小红［9］对动模板本体进行了静力学分析和模态分析。李明辉等［10］采用优化算法，对动模板的尺寸进行了优化设计。黄汉东［11］采用有限元软件对动模板进行了拓扑优化，减轻了模板的质量，使模板的设计更加合理。笔者采用有限元仿真软件对二板式注塑机动模板进行仿真模拟，得到动模板在实际工况载荷作用下的内部情况，了解动模板的疲劳状态和疲劳寿命，可以为动模板的优化设计和质量评估提供参考。
2 合模机构结构
二板式注塑机的合模机构主要由定模板、动模板、锁模油缸、液压开合模机构、拉杆、抱闸机构等部件组成，与传统三板式注塑机的合模机构相比，具有体积小、结构简单紧凑、加工制造方便、工作性能稳定可靠等特点。
二板式注塑机合模机构结构如图1所示。合模机构在工作时，动模板由移模油缸和液压开合模机构同时驱动，沿拉杆方向向模具移动，并固定。随后，锁模油缸作用，提供锁模力，使动模板、模具与定模板实现锁模，完成整个合模动作［12］。二板式注塑机合模机构的运动和动力特性较为合理，应用各种传感器、微控制技术，同时应用液压系统，使合模机构在精度方面更加准确。
3 动模板应力、变形分析
以浙江某注塑机企业160 kN合模力二板式注塑机为研究对象，应用ANSYS Workbench 有限元软件的静力学组件对合模机构中的动模板进行分析。在实际工况下，合模机构中的其它组件对动模板应力的影响较大。为了克服这一缺点，采用装配体整体仿真，引入简化的拉杆和抱闸机构，在SolidWorks建模软件中对动模板进行装配，并简化螺孔、小凹槽、圆角等特征。动模板装配体模型如图2所示。
将二板式注塑机动模板及其装配体组件的材料属性导入ANSYS有限元软件材料库，具体见表1。
对动模板装配体组件进行网格划分，对拉杆、抱闸机构处的网格简单划分，并细化动模板本体网格，得到单元总数为415668，节点总数为880600。二板式注塑机动模板装配体网格划分如图3所示。
在动模板装配体各组件添加接触过程中，拉杆对动模板有导向作用，可以产生相对滑动。根据实际工况，在锁模时动模板相对于底部固定。为拉杆两端添加固定约束，动模板中心截面受到垂直模板面的锁模力作用。
通过ANSYS有限元软件仿真计算，得到动模板变形云图和应力云图，分别如图4、图5所示。由图4、图5可以看出，动模板中心孔附近的变形较大，应力较为集中，最大变形为0. 4 mm。应力最大处位于拉杆孔周围靠近中心孔的一侧，拉杆孔周围最大应力为84. 3 MPa，中心孔周围应力约为60 MPa。通过对比确认，有限元仿真结果与实际工况相近，可以反映动模板真实的受力情况。
4 动模板疲劳分析
动模板在工作时进行往复运动，在锁模时承受较大的锁模力，应力和变形较大。对动模板进行疲劳分析有助于估算动模板的寿命，对生产安全和设计优化都有较大帮助。选用疲劳分析工具，在静力学基础上对动模板进行疲劳分析。
结构失效的一个主要因素是疲劳，重复加载会造成疲劳破坏。疲劳一般分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳由高次数的载荷加载产生，高周疲劳应力通常小于材料的屈服极限，应力疲劳属于高周疲劳。低周疲劳是在循环次数较低时发生的疲劳，常常伴随塑性变形，应变疲劳属于低周疲劳［13］。由仿真结果可知，动模板的最大应力为 84. 3 MPa，动模板在加载时的应力远小于材料的屈服极限。在重复工作时，动模板仅受到一个单向加载，应力循环次数较大，因此，动模板的疲劳为高周疲劳。建立二板式注塑机动模板疲劳模型分析流程，如图 6所示。
在ANSYS有限元软件的材料库中添加动模板材料QT500－7球墨铸铁的应力寿命曲线，应力寿命曲线是材料所受交变应力和断裂循环次数之间的关系曲线。应力寿命曲线表示材料的抗疲劳能力，寿命趋近于无穷大时，对于应力范围称为材料的疲劳极限，由应力寿命曲线确定的对应寿命的应力范围，称为寿命的N次循环疲劳强度［14］。动模板材料QT500－7球墨铸铁的应力寿命曲线经验方程为:
S8．25N = 7. 48 × 1024 ( 1)
式中: S为应力; N为寿命。
在ANSYS有限元软件材料库中应用采点法对式 ( 1) 进行拟合，分别取循环次数1、10、1000、……、108。 采点拟合后材料QT500－7球墨铸铁的应力寿命曲线如图7所示，为便于观察，将纵横坐标取为对数。
在ANSYS有限元软件中输入受载情况，动模板在工作时进行往复运动，仅受到单向锁模力加载，得到单向加载的循环载荷，如图8所示。材料的平均应力会影响应力寿命曲线疲劳仿真的结果，采用ANSYS有限元软件疲劳组件中的古德曼法对动模板平均应力进行修正。
计算得到二板式注塑机动模板疲劳寿命云图、疲劳安全因数云图、疲劳敏感度曲线，依次如图9、图10、 图11所示。
注塑机生产工作依赖于模板开合，持续生产工作量大，估算注塑机完整工作一个周期所需要的时间为30 ~ 60 s。预估1 d工作12 h，累计工作20 a，估算工作寿命超过107次。由图9可知，在额定加载下，动模板所有位置最大寿命均为108次。由此可见，在加载情况下，动模板工作寿命小于最大寿命，不容易发生疲劳破坏。
疲劳安全因数表示在给定设计寿命下的失效因数，为失效应力和设计应力的比值。由图10 可知，拉杆孔周围远离中心孔一侧动模板疲劳安全因数最小，约为2.2 。中心孔位置疲劳安全因数约为3。当疲劳安全因数大于1时，表示材料在设计寿命下不会失效。拉杆孔周围疲劳安全因数相对偏小，在过载情况下，受到应力较大，有疲劳破坏的可能。其它位置安全因数均大于5，不会发生疲劳破坏。
疲劳敏感度曲线表明部件的寿命、损伤、疲劳安全因数在临界区域随载荷的变化而变化。动模板工作循环次数设计为108次，加载至工作额定载荷约125%时，动模板的寿命小于108 次。之后随着载荷增大，动模板的寿命大幅缩短，直至最小寿命为62788次循环，对应250% 额定载荷。
5 结束语
笔者应用有限元法，得到了二板式注塑机动模板在锁模力作用下的应力分布和变形情况，并使用疲劳分析工具，对同等载荷作用下动模板的高周疲劳寿命进行了分析。结果表明，应力集中位置为动模板加载处中心位置，以及拉杆接触处远离动模板中心孔一侧。模板中心孔变形较大，结果和实际工况相近。动模板在额定加载和设计寿命下，不容易发生疲劳破坏，但动模板和拉杆接触处疲劳安全因数相对较小，有安全隐患。根据相关结果在后续设计或优化中，需要充分考虑动模板应力较大和疲劳安全因数较小的位置，并注意防止超载工作。笔者的分析结果为动模板后续的设计和评估提供了参考。
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