千噸級注塑機調模螺母破裂咬死仿真與理論分析

左強，施優優，周巨棟，沈雪明，成明祥

（浙江申達機器制造股份有限公司，浙江 杭州 310038）

千噸級注塑機調模螺母破裂咬死仿真與理論分析

左強，施優優，周巨棟，沈雪明，成明祥

（浙江申達機器制造股份有限公司，浙江 杭州 310038）

調模螺母是注塑機調模機構中最為關鍵部件，針對千噸級注塑機的后下位置調模螺母與拉桿發生咬死現象，檢查發現后螺母的前端與拉桿咬合后發生破裂，在受力分析的基礎上，應用ANSYS軟件對后螺母進行有限元分析，并優化后螺母的結構來達到設計和使用要求。

螺紋咬合；千噸級注塑機；拉桿； 調模螺母；ANSYS有限元

注塑機機械系統主要由開合模機構、調模機構和注射機構組成［1］。其中開合模機構和調模機構之間互為關聯。在采用雙曲軸合模機構的機械液壓式注塑機中，高壓鎖模時四條拉桿的彈性形變決定了實際鎖模力，控制拉桿的彈性變形量便可控制鎖模力［2～4］。在進行調模時，使調模機構驅動開合模機構（后座）使動模板與定模板間隙適當，動模板與定模板之間的間隙很大程度上影響拉桿柱的彈性形變，最終將影響鎖模力的大小，故調模機構是注塑機中重要的工作機構［5］。調模機構一般安裝于開合模機構上， 以便在一定范圍內按模具厚度進行調節。4個調模螺母分別與4個拉桿末端構成4組螺紋副，調模時液壓馬達通過齒輪減速裝置驅動4個調模螺母旋轉，而與4 條拉桿一直保持不動，故在油馬達的驅動下，開合模機構將在拉桿方向前后移動，調節動定模板間的距離，從而控制拉桿的彈性形變量，達到控制鎖模力的目的［6］。眾所周知，鎖模力不足會導致模具離縫，發生塑料溢漏。過大又會使模具變形，制品產生內應力和不必要的能量消耗，從而導致設備壽命縮短［7］。因此完善調模機構的設計，對提高注塑機合模機構的可靠性及整機使用壽命具有很強的實際意義。

也有一些調模機構通過電機減速裝置驅動鏈條來帶動安裝在四條拉桿末端的四個螺母旋轉，這種方式更多適用于鎖模較小的機型。筆者通過三維軟件Solidworks建立調模螺母和拉桿的裝配模型，在Ansys軟件中建立螺紋接觸的接觸對模型，完成調模機構的幾何清理、網格劃分及載荷加載。從Ansys分析結果，識別薄弱環節，確定了危險截面區域，為工程實踐提供情報理論基礎。

1　調模螺母破裂咬死數值分析

調模螺母與拉桿螺紋之間的接觸面為空間螺旋曲面，螺紋連接部位受力復雜。考慮其受力分析涉及各種非線性因素影響，如材料非線性、 摩擦非線性和配合精度誤差等問題，故必須做一定程度上的簡化處理。參考山本晃對螺栓、螺母的研究［8］，忽略其非線性變化及螺紋升角的影響，假設螺紋的變形為彈性變形［9～11］。

圖1 所示為受軸向力F作用的調模螺母與拉桿螺紋連接，由于傳遞力大，故設計為T形螺紋。

圖1　螺紋連接示意圖

取圖 1 中最下端一牙調模螺母與拉桿的嚙合處為坐標原點，將各牙螺紋上分擔的力簡化為集中力。通過對螺紋研究：

式中：n為有效螺紋牙數； 為第n牙螺紋所受力。

假設在F力作用下，x位置處調模螺母螺紋垂直截面上的軸向力為 。根據作用力與反作用力的關系，可推知在拉桿上的x坐標處，垂直截面上的軸向力 ，F′（x）=F-F（x），則

式中：P為螺距。

X位置處螺母與拉桿上的變形量分別為

式中： Eb、Ep分別為螺母與拉桿的彈性模量；Ab、Ap、 分別為螺母與拉桿在x處的橫截面積。

2　調模螺母咬合現象理論分析

如圖2所示，為型號為FT1250機器調模螺母與拉桿發生咬死現象，發現調模螺母的前端與拉桿咬合后發生破裂，如圖3和圖4所示，拉桿咬合重點發生在前幾個螺紋。

由于注塑機的工作條件較差，調模機構一旦咬合，即調模失效，須拆卸更換，費時費力，面對咬合現象加于分析，受力不均是造成調模螺母失效的主要原因，本次出現咬合現象的為鎖模力為12 500 kN的注塑機。該注塑機研制的過程中，不止一次出現過螺紋咬合現象。

圖2　拉桿后螺母發生咬死現象圖

圖3　調模螺母的前端咬合后破裂圖

圖4　拉桿咬合后發生破裂圖

3　調模螺母咬合仿真分析

如圖5所示，為注塑機調模與鎖模組件，圖6為注塑機調模螺母，該注塑機的鎖模力為12 500 kN，4支拉桿的平均受力為3 125 kN，由于為對稱結構，對其中一對螺母與拉桿進行有限元分析。調模螺母與拉桿螺紋的牙型部分為接觸面，螺母在液壓馬達的驅動下轉動，設定螺母螺紋為目標面，拉桿螺紋為接觸面，在ANSYS軟件中螺紋連接副為螺紋副，設定螺母材料為QT500-7，彈性模量為1.7×10"1 GPa，泊松比0.21，密度7 300 kg/m3，利用ANSYS15.0螺紋連接的快速模擬方式，根據給定條件，設定螺紋參數，對于相關部件設定粗糙、有摩擦、無摩擦等接觸連接方式的面面接觸對。仿真分析得到調模螺母的應變和應力分別如圖7和圖8所示，調模螺母前端部分應力最為集中，圖9表示螺母危險點最大內應力達180 MPa，已經超過材料彈性模量130 MPa。為了安裝方便，在螺母前端還設計了一定傾角，這在一定程度上將減小螺母前端的厚度，加大了咬合的風險。

圖5　 注塑機調模與鎖模組件

圖6　 注塑機調模螺母

圖7　 注塑機調模螺母位移應變

圖8　 等效應力

圖9　 注塑機調模螺母危險點

4　結論

（1） 在螺紋副的傳遞過程中，由于機身模架與模具不平行或雙曲肘機構旋轉運動副磨損等原因，拉桿與螺母易發生咬合，應力集中最嚴重的點為螺母與拉桿嚙合的第一扣合處，仿真分析最大應力處與實際咬合處點相一致，說明本文有限元接觸分析模型是正確的，分析結果可靠。

（2） 根據仿真結果分析，調模螺母前端伸出過長后，伸長部分的應變明顯增加，將使螺母與拉桿嚙合過程中受力不均，發生咬合現象。故，設計時應考慮將調模螺母前端伸出減小。另外，由于螺母與拉桿的螺紋根部加工誤差，使螺紋傳遞過程中常常只有前面幾個螺紋起到傳遞力的作用，故，控制此類重點加工精度尤為重要。

［1］ MICHAELI W， HEBNER S， KLAIBER F. Geometrical accuracy and optical performance of injection moulded and injection compression moulded plastic parts［J］. CIRP Annals-Manufacturing Technology， 2007， 56（1）： 545～548.

［2］ Aggarwal R， Black S A， Hance A， Darzi A， Cheshire NJW（2006） Virtual reality simulation training can improve inexperienced surgeons’ endovascular skills. Eur J Vasc Endovasc Surg 31：588～592.

［3］ Zhou H M， Shi S， Ma B （2009） A virtual injection molding system based on numerical simulation. Int J Adv Manuf Technol 40：297～306.

［4］ Kao YC， Tsai JP， Cheng HY， Chao CC （2011） Development of a virtual reality wire electrical discharge machining system for operation training. Int J Adv Manuf Technol 54：605～618.

［5］ KOVACS J G， SIKLO B. Test method development for deformation analysis of injection moulded plastic parts［J］. Polymer Testing，2011， 30（5）： 543～547.

［6］ 萬蕾， 孫璐， 楊耀東. 接頭螺紋咬死失效原因分析［J］， 測試分析，2015（1）：77～81.

［7］ SASIKUMAR C， SRIKANTH S， DAS S K. Analysis of premature failure of a tie bar in an injection molding machine［J］. Engineering Failure Analysis， 2006， 13（8）：1 246～1 259.

［8］ SUN S H.Optimum topology design for the stationary platen of a plastic injection machine［J］. Computers in Industry，2004， 55（2）：147～158.

［9］ 方棟， 陳繼志. 高強度螺栓螺紋根部應力集中的有限元分析［J］.材料開發與應用，2007，22（2）：37～39.

［10］ DING L P， TAN J R， WEI Z， et al.Multi-objective performance design of injection molding machine via a new multi-objective algorithm［J］. International Journal of Innaovative Computing Information and Control，2011，7（7A）：3 939～3 949.

［11］ 苗德華，等. 鋼軌螺栓結構參數對其強度的影響［J］. 天津工程師范學院，2006， 16（2） ：5～7.

（R-03）

業界推進“以塑代木”工作 助力塑料模板應用

為推動塑料模板應用人大議案辦理工作，聽取產業鏈上下游企業建議，工信部委托相關人員對相關企業進行了調研，在與各樹脂生產企業交流過程中，大家紛紛表示，受下游市場消費不足影響，整個PVC行業存在較大困難。各企業將積極參與到相關政策中去，助力“以塑代木”工作、倡導塑料模板等綠色建材應用，有效化解PVC產能過剩問題，盡可能貼近供給側改革要求。

5月末，木材節約發展中心副主任、中國基建物資租賃承包協會會長喻迺秋，副處長、常務副秘書長沈長生在中國氯堿工業協會副秘書長張鑫、江蘇金材科技有限公司總經理陳飛武的陪同下，分別調研了內蒙古中谷礦業有限責任公司、內蒙古烏海化工有限公司、內蒙古君正能源化工股份有限公司、寧夏英力特化工股份有限公司、寧夏博格節能科技有限公司，并與寧夏回族自治區人大副主任楊勇、銀川市委常委、副市長畢俊生座談。

內蒙古中谷礦業和烏海化工是鴻達興業集團旗下子公司，年產PVC樹脂可達60萬t；君正集團PVC樹脂年產48萬t；英力特公司年產PVC樹脂26萬t。在與各樹脂生產企業交流過程中，大家紛紛表示，受下游市場消費不足影響，整個PVC行業存在較大困難。2015年行業PVC設計產能為2 498萬t，而實際開工率只有68%，且利潤空間已被嚴重壓縮，部分企業處于虧損邊緣。

在調研寧夏博格公司時，胡春波表示，塑料模板經過近幾年的發展，技術成熟度已經日趨完善。但由于從國家層面推廣力度不夠、缺乏相關扶持政策等因素影響，塑料模板行業企業在生產經營過程中還存在重重困難。

喻迺秋在座談時指出，我國是木材資源匱乏的國家，隨著2017年國內天然林全面禁止商業性采伐的實施，木材資源供需矛盾將進一步加劇。在全社會開展節材代木工作，倡導以其他材料替代木材的使用，意義重大。同時，我國又是塑料生產大國，開展“以塑代木”具有基礎和條件。十二屆四次全國人民代表大會期間，木節中心等單位聯絡5個代表團41位全國人大代表聯名提出《全面推進建筑施工領域綠色建材應用，促進循環經濟發展》的人大議案，并協助新疆代表團、江西代表團同期提出建議。全國人大常委會接受建議后高度重視，要求工信部、住建部、商務部、財政部會同辦理。本次調研就是要聽取各企業對辦理工作的建議，將于6 月18～20日在黃石召開的全國“以塑代木”綠色發展峰會，各部委相關領導還將蒞臨會議，聽取各企業家建議。

調研過程中，各企業代表就人大議案辦理工作提出了很多建設性意見，木材節約中心將會同中國基建物資租賃承包協會進行整理，并上報各部委相關負責人。

摘編自“中國塑料機械網”

Theoretical analysis and simulation of cracked mould adjusting nut of kiloton injection molding machine

TH137

1009-797X（2016）14-0053-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.017

左強（1986-），男，博士后，主要從事機械電子控制方向的研究。

2016-05-12