立式注塑机拉杆梯形螺纹端卸载槽的优化

发布日期：2014/7/30 10:12:32

        立式注塑机拉杆两端设有螺纹, 其中一端的三角螺纹与螺母将拉杆固定于定模板, 另一端的梯形螺纹用于调模板位置的调整, 以使合模机构能适应不同模具厚度的需要。拉杆是连接立式注塑机定模板、动模板和调模板以形成封闭的框架结构; 用以承受锁模力的重要承载零件。在立式注塑机使用过程中, 拉杆除在其螺纹与螺母联接处的第一承载牙型根部发生早期断裂现象之外, 拉杆螺纹也会在近卸载槽处发生早期断裂。
        针对立式注塑机拉杆卸载槽对梯形螺纹应力分布的影响, 本文综合运用有限元分析和优化方法对卸载槽的参数进行优化分析, 以降低拉杆梯形螺纹在近卸载槽处的应力, 使卸载槽真正起到减轻应力集中的作用, 避免拉杆梯形螺纹在近卸载槽处发生早期断裂。
        1 原拉杆梯形螺纹端的应力分析
        1.1 拉杆梯形螺纹端的有限元分析
        模型在图1 中, 用AN SYS 内嵌的A PD L 语言绘制左右对称的拉杆梯形螺纹牙型与卸载槽、梯形螺母牙型等的二维几何特征, 将调模板简化为位于拉杆两侧的矩形块。为能较好地对梯形螺纹牙根处的小圆角划分网格, 这里统一用6 节点三角形平面单元对拉杆、梯形螺母和调模板进行网格划分。
        在调模板的上端设置全约锁, 用于固定调模板; 在调模板和螺母的左右两侧设置侧向约束, 以使模型在加载时不致散开。零件之间力的传递由螺母与拉杆螺纹牙型的接触对、螺母端面与调模板底部的接触对以及调模板内侧与拉杆螺纹外缘的接触对实现。立式注塑机拉杆上梯形螺纹与卸载槽的参数为原设计值, 即圆角半径为20 ~, 槽的最小半径与螺纹基本半径之差为2.S Inln, 槽长为70 ~。
        实际使用中, 拉杆材料为经调质处理的45钢, 其弹性模量为2 06 G Pa , 泊松比为0.29 , 屈服强度为3 5 MPa , 抗拉强度为6田MPa ; 调模板材料为QT50, 其弹性模量为173 G pa ,泊松比为0.27。
        模型的加载分为两部分, 其一为单向节点拉应力: 拉杆轴向力为5 87 so N, 该值由应变测试结果经换算后获得, 均匀加载于距离调模板底部5 印Inm 的拉杆体上端的节点上。其二为侧向位移: 从拉杆与模板整体有限元分析结果中, 提取拉杆在调模板与工字车臂之间、距离调模板安装孔50~ 处横截面的X 向和y 向位移, 在综合调模板刚性倾斜与弯曲变形之后, 确定得到其真实的X 向和Y向位移, 再计算此两个位移向量的矢量和, 其大小为0.536mm。
        1.2 立式注塑机拉杆梯形螺纹端的分析结果对上述有限元模型, 采用增广lag ra llge 的非线性接触算法进行计算,拉杆与螺母为弹塑性材料时在偏载作用下的等效应力分析结果。
        其中,立式注塑机拉杆与螺母的参数为原设计参数。在AN SY S 软件中提取计算结果, 可得拉杆卸载槽左侧中部2 个节点在长度方向的应变平均值为920 拜。实际应变测试值为94 9 拼, 与实测值相比较, 计算值的相对误差为3.06 %。由此可知, 上述有限元分析模型符合拉杆梯形螺纹端的实际情况。立式注塑机原拉杆梯形螺纹端在偏再作用下, 其左右两侧各牙型根部的最大等效应力曲线。位于上部的曲线为拉杆左侧螺纹各牙根处的最大应力情况, 下部的曲线为拉杆右侧螺纹各牙根处的最大应力情况。
        其中, 正的螺纹牙数代表与螺母配合的拉杆螺纹, 负的螺纹牙数代表拉杆卸载槽与螺母之间的拉杆螺纹。从以上两曲线可知, 拉杆左侧螺纹近卸载槽的2 个牙型根部、与螺母配合的12 个牙型根部的最大等效应力均超过3 5 MPa, 即都产生了塑性变形。拉杆梯形螺纹牙根在近卸载槽处等效应力最大为378 MPa, 与远离卸载槽的螺纹牙根最大应力的最小值3 n MPa 相比大17.7 %。
        对于拉杆只加载轴向拉力时, 若梯形螺纹参数经优化后仍采用原卸载槽的参数, 则近卸载槽处的最大应力为2 04 MPa , 与远离卸载槽的螺纹牙根最大应力的最小值158 MPa 相比大29.1%。由以上分析可知, 若拉杆卸载槽的参数设计不恰当, 拉杆螺纹在近卸载槽处的应力较大, 容易在近卸载槽处的第1 螺纹牙根部产生裂纹而导致拉杆断裂。因此, 有必要对卸载槽的圆角、最小直径和长度等参数进行优化, 降低拉杆螺纹在近卸载槽处的应力, 以防止拉杆在该处出现早期断裂。
        2 立式注塑机拉杆卸载槽参数优化模型
        拉杆体与卸载槽之间的半径之差较小, 考虑到加工的方便, 在拉杆体与卸载槽之间直接采用圆角过渡。为能用AN SY S 的APD L 语言绘出该圆角, 在图4中先作一斜线, 再用FI LLET 绘制连接拉杆体与卸载槽的最大圆角, 其中D 为卸载槽直线段的长度。
        为拉杆体的半径; TR 为卸载槽的最小半径; X 为斜线的横向长度。由前述分析可知, 近卸载槽螺纹第1 牙和第2 牙根部的应力可能出现较大值。为控制近卸载槽螺纹第l 牙和第2 牙根部的应力不致过大, 拉杆在承受轴向拉力的同时, 还需承受模板变形而附加的弯矩。
        用于控制卸载槽最大圆角的第4 约束条件为函二R 簇3(X) (8)综合以上3 个寻优目标对总目标的影响,。这里跟的最大控制值略小于拉杆螺纹牙根的最小半径。
        3 拉杆卸载槽参数优化结果
分析本文采用ANSY S 软件嵌套的零阶序列优化方法进行优化计算。为加快寻优迭代过程, 优化模型只在拉杆端部加载轴向拉力, 不加侧向位移, 其轴向拉力按立式注塑机名义合模力加载, 即轴向拉力为50。经过13 次寻优计算, 得其最优结果为: X = 13.5 654,D = 5.18 47 ,TR 二40.56。此时, 卸载槽的圆角半径为R 二6 0.4 Inln。立式注塑机在名义合模力为Zo t时, 拉杆梯形螺纹端在轴向拉力作用下的等效应力分布情况。
        其中, 立式注塑机梯形螺纹近卸载槽处的最大等效应力为158.7 MPa, 比螺纹参数优化后的卸载槽与螺母之间螺纹牙根处最大等效应力的最小值巧8 MPa 略大一点, 比原设计参数下的329 MPa 减少52 % ; 卸载槽处的最大等效应力为1 巧.1 MPa, 比其平均单向应力值9 6.7 MPa 大2 0 %。卸载槽总长度为6 3.2 6 mrn, 比原7 0 ~ 的设计长度略短。是立式注塑机在实测锁模力为235 t 的情况下,卸载槽与梯形螺纹参数经优化后拉杆三角螺纹端在偏载作用下各牙根的最大等效应力曲线。
        其中, 位于立式注塑机上部的曲线是对应左侧梯形螺纹各牙根处的最大等效应力, 其近卸载槽处的最大应力为334 MPa, 与优化前的3 78 MPa 相比减小1.6 % , 但与远离卸载槽处螺纹牙根的最大应力相比是较大的。在近卸载槽处拉杆右侧螺纹各牙根的最大等效应力与左侧相比要小得多, 反映出拉杆螺纹在偏载作用下受力是不均匀的。这主要是因为定模板的刚度较小以及调模板支座位置不合理, 致使调模板上部向后的倾斜量较大,在拉杆上产生较大的附加弯矩, 而使拉杆螺纹端产生明显的偏载效应。要较好地解决拉杆螺纹受力不均匀的问题, 还需对各模板进行结构与参数优化囚, 在控制合模机构总质量的前提下提高其整体刚度。
4 结语
        通过对立式注塑机卸载槽参数的多目标优化, 使应力适当集中在卸载槽处, 其最大应力比平均单向拉伸应力增大2 0 % ,立式注塑机拉杆梯形螺纹牙根在近卸载槽处的最大等效应力降低52 % , 可较好地发挥卸载槽的卸载作用; 在偏载作用下, 拉顾梯形螺纹牙根在近卸载槽处的最大应力减少0.6 %; 同时, 还可减少卸载槽的加工量,降低加工成本。
        因此, 卸载槽参数的确定不宜采用经验设计方法, 应综合应力分布和减少加工量等多个因素, 应用有限元分析和多目标优化的整合方法才能确定合理的卸载槽参数。立式注塑机拉杆梯形螺纹近卸载槽处出现较严重应力集中的原因是: 卸载槽参数不合理、定模板的刚度较小以及调模板支座位置不合理。该应力集中问题的存在使立式注塑机拉杆梯形螺纹易在卸载槽附近出现早期断裂。

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