立式注塑機(jī)拉桿梯形螺紋端卸載槽的優(yōu)化

發(fā)布日期：2014/7/30 10:12:32

        立式注塑機(jī)拉桿兩端設(shè)有螺紋, 其中一端的三角螺紋與螺母將拉桿固定于定模板, 另一端的梯形螺紋用于調(diào)模板位置的調(diào)整, 以使合模機(jī)構(gòu)能適應(yīng)不同模具厚度的需要。拉桿是連接立式注塑機(jī)定模板、動模板和調(diào)模板以形成封閉的框架結(jié)構(gòu); 用以承受鎖模力的重要承載零件。在立式注塑機(jī)使用過程中, 拉桿除在其螺紋與螺母聯(lián)接處的第一承載牙型根部發(fā)生早期斷裂現(xiàn)象之外, 拉桿螺紋也會在近卸載槽處發(fā)生早期斷裂。
        針對立式注塑機(jī)拉桿卸載槽對梯形螺紋應(yīng)力分布的影響, 本文綜合運用有限元分析和優(yōu)化方法對卸載槽的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析, 以降低拉桿梯形螺紋在近卸載槽處的應(yīng)力, 使卸載槽真正起到減輕應(yīng)力集中的作用, 避免拉桿梯形螺紋在近卸載槽處發(fā)生早期斷裂。
        1 原拉桿梯形螺紋端的應(yīng)力分析
        1.1 拉桿梯形螺紋端的有限元分析
        模型在圖1 中, 用AN SYS 內(nèi)嵌的A PD L 語言繪制左右對稱的拉桿梯形螺紋牙型與卸載槽、梯形螺母牙型等的二維幾何特征, 將調(diào)模板簡化為位于拉桿兩側(cè)的矩形塊。為能較好地對梯形螺紋牙根處的小圓角劃分網(wǎng)格, 這里統(tǒng)一用6 節(jié)點三角形平面單元對拉桿、梯形螺母和調(diào)模板進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
        在調(diào)模板的上端設(shè)置全約鎖, 用于固定調(diào)模板; 在調(diào)模板和螺母的左右兩側(cè)設(shè)置側(cè)向約束, 以使模型在加載時不致散開。零件之間力的傳遞由螺母與拉桿螺紋牙型的接觸對、螺母端面與調(diào)模板底部的接觸對以及調(diào)模板內(nèi)側(cè)與拉桿螺紋外緣的接觸對實現(xiàn)。立式注塑機(jī)拉桿上梯形螺紋與卸載槽的參數(shù)為原設(shè)計值, 即圓角半徑為20 ~, 槽的最小半徑與螺紋基本半徑之差為2.S Inln, 槽長為70 ~。
        實際使用中, 拉桿材料為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的45鋼, 其彈性模量為2 06 G Pa , 泊松比為0.29 , 屈服強(qiáng)度為3 5 MPa , 抗拉強(qiáng)度為6田MPa ; 調(diào)模板材料為QT50, 其彈性模量為173 G pa ,泊松比為0.27。
        模型的加載分為兩部分, 其一為單向節(jié)點拉應(yīng)力: 拉桿軸向力為5 87 so N, 該值由應(yīng)變測試結(jié)果經(jīng)換算后獲得, 均勻加載于距離調(diào)模板底部5 印Inm 的拉桿體上端的節(jié)點上。其二為側(cè)向位移: 從拉桿與模板整體有限元分析結(jié)果中, 提取拉桿在調(diào)模板與工字車臂之間、距離調(diào)模板安裝孔50~ 處橫截面的X 向和y 向位移, 在綜合調(diào)模板剛性傾斜與彎曲變形之后, 確定得到其真實的X 向和Y向位移, 再計算此兩個位移向量的矢量和, 其大小為0.536mm。
        1.2 立式注塑機(jī)拉桿梯形螺紋端的分析結(jié)果對上述有限元模型, 采用增廣lag ra llge 的非線性接觸算法進(jìn)行計算,拉桿與螺母為彈塑性材料時在偏載作用下的等效應(yīng)力分析結(jié)果。
        其中,立式注塑機(jī)拉桿與螺母的參數(shù)為原設(shè)計參數(shù)。在AN SY S 軟件中提取計算結(jié)果, 可得拉桿卸載槽左側(cè)中部2 個節(jié)點在長度方向的應(yīng)變平均值為920 拜。實際應(yīng)變測試值為94 9 拼, 與實測值相比較, 計算值的相對誤差為3.06 %。由此可知, 上述有限元分析模型符合拉桿梯形螺紋端的實際情況。立式注塑機(jī)原拉桿梯形螺紋端在偏再作用下, 其左右兩側(cè)各牙型根部的最大等效應(yīng)力曲線。位于上部的曲線為拉桿左側(cè)螺紋各牙根處的最大應(yīng)力情況, 下部的曲線為拉桿右側(cè)螺紋各牙根處的最大應(yīng)力情況。
        其中, 正的螺紋牙數(shù)代表與螺母配合的拉桿螺紋, 負(fù)的螺紋牙數(shù)代表拉桿卸載槽與螺母之間的拉桿螺紋。從以上兩曲線可知, 拉桿左側(cè)螺紋近卸載槽的2 個牙型根部、與螺母配合的12 個牙型根部的最大等效應(yīng)力均超過3 5 MPa, 即都產(chǎn)生了塑性變形。拉桿梯形螺紋牙根在近卸載槽處等效應(yīng)力最大為378 MPa, 與遠(yuǎn)離卸載槽的螺紋牙根最大應(yīng)力的最小值3 n MPa 相比大17.7 %。
        對于拉桿只加載軸向拉力時, 若梯形螺紋參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后仍采用原卸載槽的參數(shù), 則近卸載槽處的最大應(yīng)力為2 04 MPa , 與遠(yuǎn)離卸載槽的螺紋牙根最大應(yīng)力的最小值158 MPa 相比大29.1%。由以上分析可知, 若拉桿卸載槽的參數(shù)設(shè)計不恰當(dāng), 拉桿螺紋在近卸載槽處的應(yīng)力較大, 容易在近卸載槽處的第1 螺紋牙根部產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致拉桿斷裂。因此, 有必要對卸載槽的圓角、最小直徑和長度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 降低拉桿螺紋在近卸載槽處的應(yīng)力, 以防止拉桿在該處出現(xiàn)早期斷裂。
        2 立式注塑機(jī)拉桿卸載槽參數(shù)優(yōu)化模型
        拉桿體與卸載槽之間的半徑之差較小, 考慮到加工的方便, 在拉桿體與卸載槽之間直接采用圓角過渡。為能用AN SY S 的APD L 語言繪出該圓角, 在圖4中先作一斜線, 再用FI LLET 繪制連接拉桿體與卸載槽的最大圓角, 其中D 為卸載槽直線段的長度。
        為拉桿體的半徑; TR 為卸載槽的最小半徑; X 為斜線的橫向長度。由前述分析可知, 近卸載槽螺紋第1 牙和第2 牙根部的應(yīng)力可能出現(xiàn)較大值。為控制近卸載槽螺紋第l 牙和第2 牙根部的應(yīng)力不致過大, 拉桿在承受軸向拉力的同時, 還需承受模板變形而附加的彎矩。
        用于控制卸載槽最大圓角的第4 約束條件為函二R 簇3(X) (8)綜合以上3 個尋優(yōu)目標(biāo)對總目標(biāo)的影響,。這里跟的最大控制值略小于拉桿螺紋牙根的最小半徑。
        3 拉桿卸載槽參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
分析本文采用ANSY S 軟件嵌套的零階序列優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化計算。為加快尋優(yōu)迭代過程, 優(yōu)化模型只在拉桿端部加載軸向拉力, 不加側(cè)向位移, 其軸向拉力按立式注塑機(jī)名義合模力加載, 即軸向拉力為50。經(jīng)過13 次尋優(yōu)計算, 得其最優(yōu)結(jié)果為: X = 13.5 654,D = 5.18 47 ,TR 二40.56。此時, 卸載槽的圓角半徑為R 二6 0.4 Inln。立式注塑機(jī)在名義合模力為Zo t時, 拉桿梯形螺紋端在軸向拉力作用下的等效應(yīng)力分布情況。
        其中, 立式注塑機(jī)梯形螺紋近卸載槽處的最大等效應(yīng)力為158.7 MPa, 比螺紋參數(shù)優(yōu)化后的卸載槽與螺母之間螺紋牙根處最大等效應(yīng)力的最小值巧8 MPa 略大一點, 比原設(shè)計參數(shù)下的329 MPa 減少52 % ; 卸載槽處的最大等效應(yīng)力為1 巧.1 MPa, 比其平均單向應(yīng)力值9 6.7 MPa 大2 0 %。卸載槽總長度為6 3.2 6 mrn, 比原7 0 ~ 的設(shè)計長度略短。是立式注塑機(jī)在實測鎖模力為235 t 的情況下,卸載槽與梯形螺紋參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后拉桿三角螺紋端在偏載作用下各牙根的最大等效應(yīng)力曲線。
        其中, 位于立式注塑機(jī)上部的曲線是對應(yīng)左側(cè)梯形螺紋各牙根處的最大等效應(yīng)力, 其近卸載槽處的最大應(yīng)力為334 MPa, 與優(yōu)化前的3 78 MPa 相比減小1.6 % , 但與遠(yuǎn)離卸載槽處螺紋牙根的最大應(yīng)力相比是較大的。在近卸載槽處拉桿右側(cè)螺紋各牙根的最大等效應(yīng)力與左側(cè)相比要小得多, 反映出拉桿螺紋在偏載作用下受力是不均勻的。這主要是因為定模板的剛度較小以及調(diào)模板支座位置不合理, 致使調(diào)模板上部向后的傾斜量較大,在拉桿上產(chǎn)生較大的附加彎矩, 而使拉桿螺紋端產(chǎn)生明顯的偏載效應(yīng)。要較好地解決拉桿螺紋受力不均勻的問題, 還需對各模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化囚, 在控制合模機(jī)構(gòu)總質(zhì)量的前提下提高其整體剛度。
4 結(jié)語
        通過對立式注塑機(jī)卸載槽參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化, 使應(yīng)力適當(dāng)集中在卸載槽處, 其最大應(yīng)力比平均單向拉伸應(yīng)力增大2 0 % ,立式注塑機(jī)拉桿梯形螺紋牙根在近卸載槽處的最大等效應(yīng)力降低52 % , 可較好地發(fā)揮卸載槽的卸載作用; 在偏載作用下, 拉顧梯形螺紋牙根在近卸載槽處的最大應(yīng)力減少0.6 %; 同時, 還可減少卸載槽的加工量,降低加工成本。
        因此, 卸載槽參數(shù)的確定不宜采用經(jīng)驗設(shè)計方法, 應(yīng)綜合應(yīng)力分布和減少加工量等多個因素, 應(yīng)用有限元分析和多目標(biāo)優(yōu)化的整合方法才能確定合理的卸載槽參數(shù)。立式注塑機(jī)拉桿梯形螺紋近卸載槽處出現(xiàn)較嚴(yán)重應(yīng)力集中的原因是: 卸載槽參數(shù)不合理、定模板的剛度較小以及調(diào)模板支座位置不合理。該應(yīng)力集中問題的存在使立式注塑機(jī)拉桿梯形螺紋易在卸載槽附近出現(xiàn)早期斷裂。

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