注射合模機立柱應力分析和結構改進

李佳玥 錢才富 段若 朱大韶 陳劍波

摘要：

針對某注射合模機立柱螺紋根部開裂問題，采用ANSYS Workbench建立單根立柱有限元模型，對某三梁四柱式注射合模機進行強度分析，得到立柱與螺母嚙合處的應力大小和分布。在軸向載荷作用下，應力峰值出現在立柱與螺母嚙合的第一個螺紋處，其中軸向應力分量最大；若在立柱與螺母嚙合的第一個螺紋處進行圓弧過渡，可有效降低應力集中；與無圓弧半徑比較，當過渡圓弧半徑r=7 mm時，最大von Mises等效應力下降46%。

關鍵詞：

注射合模機； 立柱； 應力； 有限元

中圖分類號： TG76

文獻標志碼： B

Stress analysis and structure improvement on

column of injection molding machine

LI Jiayue1， QIAN Caifu1， DUAN Ruo1， ZHU Dashao2， CHEN Jianbo2

（1. Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China；

2. Yuyao Huatai Rubber Machinery Co.， Ltd.， Yuyao 315400， Zhejiang， China）

Abstract：

As to the issue that the column of injection molding machine broke at the screw thread root， ANSYS Workbench is used to build a finite element model of single column， and the strength of a threebeams and fourcolumns injection molding machine is analyzed. The stress intensity and distribution on the

coupling zone of the column and screw are obtained. It is found that， under the action of axial forces， peak stresse occurs at the first screw of the column， and the axial stress is the maximum one； the stress concentration would efficiently decreased with a transition arc made at the first screw； when the radius of transition arc is 7 mm， the maximum von Mises equivalent stress reduces 46% compared with that without a transition arc.

Key words：

injection molding machine； column； stress； finite element

0 引 言

注射合模機是橡膠注射成型的核心設備，工作時機身承受不均勻的合模載荷。工程實踐表明，注射合模機的主要失效形式為立柱與螺母接觸螺紋所在截面發生疲勞斷裂，這種破壞形式與軸力在嚙合螺紋上產生的應力大小和分布密切相關，也與立柱螺紋尺寸和結構有關。[1]目前，很多學者對螺栓連接件強化工藝進行大量研究，得到強化加工的方法以及強化參數與疲勞壽命的相關規律，并制定相關行業標準。[2]在航空工業領域，立柱和螺母上的螺紋采用冷鐓加工。[3]為加強螺紋根部的強度，改善螺紋上載荷分布不均的現象，在加工過程中對螺紋部分進行噴丸處理，或經過熱處理后將螺紋滾壓成型，加強螺紋根部殘余壓縮應力以提高抗疲勞強度，改善設備的使用壽命。[45]研究表明：螺紋底部圓弧半徑的大小直接影響其抗疲勞強度性能[6]，圓弧半徑較大的螺栓抗疲勞性能明顯高于圓弧半徑較小的螺栓。

針對某注射合模機立柱螺紋根部疲勞斷裂的問題，采用ANSYS Workbench對注射合模機進行整體分析，建立單根立柱有限元模型，得到立柱螺紋上的應力大小和分布，并提出結構改進措施。

1 注射合模機整機應力分析

注射合模機結構復雜，在建立整機模型時，若將4根立柱和螺母的螺紋全部建模分析，因涉及接觸非線性問題，計算時間長，故收斂難度較大。因此，在整機分析時，不考慮立柱和螺母上的螺紋，將立柱與螺母連成一體，先重點分析立柱中間部位的受力，然后再分析單根立柱，模擬立柱和螺母上的螺紋并相互接觸。立柱另一端的受力取自前面的整體分析，單根立柱分析關注的重點為立柱與螺母接觸處螺紋上的應力。在設定合模力作用下進行注射合模機整機分析，得到的整機von Mises等效應力分布云圖見圖1。由于未考慮螺紋，立柱與螺母連接處的應力是不真實的，但立柱中部的受力是真實的，軸向力大小為750 kN、彎矩為6.58×105 N·mm。

2 單根立柱有限元分析

2.1 有限元模型

單根立柱幾何模型見圖2，包括立柱和螺母，其中立柱上部帶有螺紋。螺紋端考察2種連接結構形式：一種是螺柱上螺紋與光桿無圓弧過渡，也就是常見的過渡；另一種是在立柱與螺母嚙合的第一個螺紋位置設計圓弧過渡形式，圓弧半徑為r（見圖3）。為正常劃分網格并保證網格質量，將模型中的螺紋簡化為等間距同心圓，這種簡化會導致前幾圈螺紋受力較大，偏于保守。

采用SOLID186實體單元對三維實體結構模型進行網格劃分，此單元由20個節點結合而成，每個節點有x、y和z等3個方向的平移自由度，單元具有塑形、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變等特征。立柱和螺母的材料參數見表1。

2.2 邊界條件和載荷的施加

有限元模型中的約束和載荷必須符合實際情況。單根立柱有限元載荷和約束見圖4。在立柱中間截面上施加750 kN的軸向力和6.58×105 N·mm的彎矩。在螺母下端面施加軸向和周向移動約束，并保持徑向移動自由（見圖5）。立柱與螺母螺紋間采用摩擦接觸，摩擦因數取0.15。

2.3 立柱應力分布

計算立柱應力可反映其抗疲勞斷裂能力。由于疲勞裂紋通常出現在最大拉應力處，因此觀察立柱上各向最大拉應力，同時計算最大von Mises等效應力。螺紋根部無圓弧過渡的立柱螺紋處von Mises等效應力分布云圖見圖6，不同半徑圓弧過渡的立柱螺紋處von Mises等效應力分布見圖7～13，立柱

上的最大應力都出現在第一個螺紋根部。

2.4 圓弧過渡半徑的影響

不同圓弧過渡半徑立柱上的最大von Mises等效應力和最大三向拉應力見表2。由此可知，隨著螺紋根部過渡圓弧半徑的增大，最大von Mises等效應力減小，當r=7 mm時，最大von Mises等效應力僅為無過渡圓弧值的54%。在r>5 mm后，最大von Mises等效應力減小的趨勢明顯變緩，說明過渡圓弧有助于降低第一個螺紋處的最大應力，但效果有限。

3 結 論

對某注射合模機進行應力分析，得到如下主要結論：

（1）在進行合理假設后，對注射合模機進行整機有限元分析，得到立柱中部的受力和變形，為立柱與螺母間螺紋嚙合分析奠定基礎。

（2）在軸向載荷作用下，應力峰值出現在立柱與螺母嚙合的第一個螺紋處。在3個方向應力分量中，軸向應力分量最大。

（3）在立柱和螺母嚙合的第一個螺紋處進行圓弧過渡，可以有效降低應力集中。當過渡圓弧半徑r=7 mm時，最大von Mises等效應力下降46%。

參考文獻：

[1] 張曉， 黃杰， 陸斌， 等. 螺栓軸向載荷、螺母結構以及螺栓直徑對螺牙根部應力影響的有限元分析[J]. 電子測試， 2014（10）： 9496.

[2] 夏春和. 螺紋根部圓角滾壓強化對螺紋疲勞壽命的影響[J]. 航空制造技術， 2014（S1）： 5658.

[3] 周佳成. 提高螺紋連接件抗拉疲勞壽命的方法[J]. 科技通報， 2005， 21（4）： 434 436. DOI： 10.3969/j.issn.10017119.2005.04.013.

[4] 何安莉. 螺紋零件疲勞破壞[J]. 航空標準化， 1979（4）： 4752.

[5] 羅亞軍. 螺紋聯接疲勞壽命的關鍵要素分析與應用[J]. 機械管理開發， 2011（2）： 8991. DOI： 10.3969/j.issn.1003773X.2011.02.035.

[6] 于源. 抗疲勞的MJ螺紋及其標準[J]. 機械工人（冷加工）， 1997（1）： 1619.

（編輯 付宇靚）