二板機抱閘螺母變齒距設計技術研究

梁韶祥

摘要：二板式注塑機向大型機發展，其抱閘螺母和導柱間各接觸齒受力不均，會使零件應力集中和變形過大而導致鎖模機構失效。本文在考慮到導柱受力拉長和螺母受擠壓的變形的因素上，用有限元分析工具，采用抱閘螺母變齒距設計的方式，抱閘螺母受力端的第一齒與第二齒的距離>第二齒與第三齒的距離，齒距變化量適當調節，從而減少抱閘螺母的最大應力，并使最大應力移至抱閘螺母中段齒上。變齒距設計使應力分布均勻，減少材料的使用要求，提升機器可靠性。

關鍵詞：變齒距;有限元分析;應力集中;應力分布均勻;導柱;抱閘螺母;二板機

1. 二板機抱閘螺母和導柱結構和受力情況

1.1抱閘螺母和導柱結構

如圖1所示，1表示抱閘螺母，2表示動模板，3表示導柱，也是鎖模大油缸活塞桿。抱閘螺母可在導柱有齒段范圍內不同位置合閘，導柱上各齒做成固定齒距S0，以實現適應模具厚度變化的要求，而抱閘螺母齒距可適當變化。

1.2抱閘螺母和導柱受力情況

鎖模起高壓時，導柱在大油缸作用下向右移動，抱閘螺母受擠壓緊靠在動模板上。假定抱閘螺母各齒距固定S1=S2=……=Sn=S0（n=3，4，5，6，7），抱閘螺母和導柱兩者齒面接觸并傳遞鎖模力，導柱受力拉長，以動模板為基準，從右側第一個接觸齒開始往左，導柱被拉長，導柱各接觸齒從右側第一接觸齒開始向左變形位移逐漸增大。抱閘螺母各接觸齒受向右的擠壓力，螺母各接觸齒受力由于導柱受力拉長從右側第一接觸齒開始向左逐漸減少。利用有限元分析工具，螺母和導柱的最大應力在右側第一個接觸齒的根部，其中螺母最大應力右側第一接觸齒根部圓弧面附近。因導柱受力拉長變形和螺母受擠壓變形，使從右側第一個接觸齒開始往左，第二……第n個齒接觸力逐漸減少，n越大，接觸力越小，最大應力集中在第一個接觸齒，后續齒數再多也不能改變第一齒的應力集中，使零件容易失效。若改變抱閘螺母各齒的齒距，使S1>S2>……>Sn=S0（n=3，4，…，n為左側最后一個接觸齒），將使鎖模力更均勻分布到各個接觸齒上，降低零件最大應力值。

2.抱閘螺母變齒距優化設計

2.1材料選擇及熱處理

導柱受大負載拉伸，一般選擇綜合力學性能高的合金鋼，40Cr調質后具有良好的綜合力學性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性，Cr能增加鋼的淬透性，油淬使工件變形、開裂傾向小，提高鋼的強度和回火穩定性，具有高強度和心部高韌性的優良綜合力學性能。更高一級的42CrMo合金鋼，因Cr鋼有第二類回火脆性，含Mo可降低第二類回火脆性，淬火時變形小，調質后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力。42CrMo合金鋼熱處理推薦850°C油淬，580°C回火，空冷。

抱閘螺母受擠壓，外形尺寸相對導柱直徑大，通過變齒距優化設計可減小最大應力并使應力分布均勻，主要考慮各齒的抗剪強度，故材料性能強度要求相對低，可選擇45鋼調質，其價格低供應充足，調質前硬度不高易切削加工，45鋼熱處理推薦840°C水淬，510°C回火。

2.2有限元分析步驟

目前有多種有限元分析工具，機械設計普遍采用Solidworks建模，接著采用其有限元分析插件Simulation進行分析，本文主要用上述方法，其它有限元分析工具的分析原理也是相同的。

Simulation有限元分析步驟：

a. 采用Solidworks軟件進行導柱和抱閘螺母的三維建模，為簡化分析，切短導柱，只保留抱閘螺母與導柱接觸的有齒段。抱閘螺母上下各一半，裝配在導柱上，重合配合在左側螺母最后一齒與導柱齒接觸面，其余齒不需做配合，因變齒距設計的其余齒初始狀態是不接觸的，有一點間隙量。壓縮與分析無關的小螺紋孔和潤滑孔道，一些與分析無關的邊緣倒角圓角也需壓縮以提高分析效率。

b. 新建算例，設置算例屬性，編輯屬性激活軟彈簧和慣性卸除。因Simulation的固定約束作用在零件面上會使約束面剛化，影響分析結果。當軟彈簧選項被激活時，在自由的面和節點添加很軟的彈簧（軟到對變形沒有影響），以取消由于計算誤差帶來的剛體運動。慣性卸除也是由于計算誤差，會有微小的不平衡力出現，對沒有完全約束的模型會有微小的擾動，激活慣性卸除以消除擾動。以上設置是為了分析正常進行。

c. 選取兩零件的材料，導入材料屬性。如抱閘螺母采用調質的45鋼，查機械設計手冊，填入其材料屬性，如彈性模量，泊松比，抗剪模量，質量密度，調質后的張力強度和屈服強度，抗拉強度，疲勞強度等。

d. 設置連接，導柱齒與螺母齒接觸面設置為無穿透;

e. 設置外部載荷：

①.抱閘螺母與動模板接觸面均勻加載1/4機器鎖模力的載荷，接觸面是抱閘螺母上下兩個接觸面，方向由動模板水平指向抱閘螺母。

②.導柱在動模板側端面（切斷面）均勻加載1/4機器鎖模力的載荷，方向由螺母水平指向動模板。以上兩載荷力方向是相反的，裝配體受力平衡。

f. 劃分網格，設置必要的網格控制，特別是導柱和螺母齒根部需確保網格品質。網格品質不符合要求會使運算結果有偏差甚至分析失敗。

g. 運算求解。

h. 對結果進行分析，找出抱閘螺母最大應力值及其位置，對比各齒根部的應力值，找出相對變形位移最大的齒，優化抱閘螺母模型，更改齒距。根據設計目標使受力端的第一齒最大應力減少，需使S1>S2>……>S7=S0，最大應力移至抱閘螺母中段齒需使S4-S3>S7-S1或S3-S2>S7-S1，適當調大中段齒的齒距。如不滿足目標要求，需多次重復直到目標達成。

3.加工因素對變齒距設計的影響

設計出來的變齒距參數是可能是比較小的數據，相鄰齒可能只有0.05mm的齒距變化。由于零件尺寸是有公差范圍的，實際零件會多少有一定的偏差，壓縮齒距的公差范圍會使加工成本提高或超差報廢，而放寬則有可能達不到變齒距的目的。結合加工狀況保證合理的齒距公差是可實施的，故設計方面需保證合理的齒距公差才能實現設計目標。考慮因加工因素導致實際零件變形過大而達不到設計要求，加工方面需盡量減少由于加工引起的內部應力積聚和去除調質產生的內應力，千方百計減少零件由于加工引起的變形。抱閘螺母和導柱加工流程參考如下：

粗加工→去應力退火→半精加工→調質→去應力回火→精加工→齒面氮化處理。后期時效處理和裝配前檢查零件齒距尺寸是否超出公差范圍。

4.結語

考慮到負載下零件的變形，盡可能減少負載零件的應力集中，使應力分布均勻，減少材料的使用要求，提高整個機構的可靠性。變齒距設計可推廣到其它多接觸面，接觸變形大，應力集中的零部件設計，利用有限元分析工具找出應力集中部位，改變設計尺寸以降低最大應力值，使應力分布均勻，對機械設計有重要的參考意義。

參考文獻：

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