梁韶祥

摘要：二板式注塑機(jī)向大型機(jī)發(fā)展，其抱閘螺母和導(dǎo)柱間各接觸齒受力不均，會使零件應(yīng)力集中和變形過大而導(dǎo)致鎖模機(jī)構(gòu)失效。本文在考慮到導(dǎo)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(shè)計(jì)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(dāng)調(diào)節(jié)，從而減少抱閘螺母的最大應(yīng)力，并使最大應(yīng)力移至抱閘螺母中段齒上。變齒距設(shè)計(jì)使應(yīng)力分布均勻，減少材料的使用要求，提升機(jī)器可靠性。

關(guān)鍵詞：變齒距;有限元分析;應(yīng)力集中;應(yīng)力分布均勻;導(dǎo)柱;抱閘螺母;二板機(jī)

1. 二板機(jī)抱閘螺母和導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)和受力情況

1.1抱閘螺母和導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)

如圖1所示，1表示抱閘螺母，2表示動模板，3表示導(dǎo)柱，也是鎖模大油缸活塞桿。抱閘螺母可在導(dǎo)柱有齒段范圍內(nèi)不同位置合閘，導(dǎo)柱上各齒做成固定齒距S0，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)模具厚度變化的要求，而抱閘螺母齒距可適當(dāng)變化。

1.2抱閘螺母和導(dǎo)柱受力情況

鎖模起高壓時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)柱兩者齒面接觸并傳遞鎖模力，導(dǎo)柱受力拉長，以動模板為基準(zhǔn)，從右側(cè)第一個(gè)接觸齒開始往左，導(dǎo)柱被拉長，導(dǎo)柱各接觸齒從右側(cè)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(dǎo)柱受力拉長從右側(cè)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(dǎo)柱的最大應(yīng)力在右側(cè)第一個(gè)接觸齒的根部，其中螺母最大應(yīng)力右側(cè)第一接觸齒根部圓弧面附近。因?qū)е芰L變形和螺母受擠壓變形，使從右側(cè)第一個(gè)接觸齒開始往左，第二……第n個(gè)齒接觸力逐漸減少，n越大，接觸力越小，最大應(yīng)力集中在第一個(gè)接觸齒，后續(xù)齒數(shù)再多也不能改變第一齒的應(yīng)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(cè)最后一個(gè)接觸齒），將使鎖模力更均勻分布到各個(gè)接觸齒上，降低零件最大應(yīng)力值。

2.抱閘螺母變齒距優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1材料選擇及熱處理

導(dǎo)柱受大負(fù)載拉伸，一般選擇綜合力學(xué)性能高的合金鋼，40Cr調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)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(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，具有高強(qiáng)度和心部高韌性的優(yōu)良綜合力學(xué)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(shí)變形小，調(diào)質(zhì)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(dǎo)柱直徑大，通過變齒距優(yōu)化設(shè)計(jì)可減小最大應(yīng)力并使應(yīng)力分布均勻，主要考慮各齒的抗剪強(qiáng)度，故材料性能強(qiáng)度要求相對低，可選擇45鋼調(diào)質(zhì)，其價(jià)格低供應(yīng)充足，調(diào)質(zhì)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(jī)械設(shè)計(jì)普遍采用Solidworks建模，接著采用其有限元分析插件Simulation進(jìn)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(jìn)行導(dǎo)柱和抱閘螺母的三維建模，為簡化分析，切短導(dǎo)柱，只保留抱閘螺母與導(dǎo)柱接觸的有齒段。抱閘螺母上下各一半，裝配在導(dǎo)柱上，重合配合在左側(cè)螺母最后一齒與導(dǎo)柱齒接觸面，其余齒不需做配合，因變齒距設(shè)計(jì)的其余齒初始狀態(tài)是不接觸的，有一點(diǎn)間隙量。壓縮與分析無關(guān)的小螺紋孔和潤滑孔道，一些與分析無關(guān)的邊緣倒角圓角也需壓縮以提高分析效率。

b. 新建算例，設(shè)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(jié)果。當(dāng)軟彈簧選項(xiàng)被激活時(shí)，在自由的面和節(jié)點(diǎn)添加很軟的彈簧（軟到對變形沒有影響），以取消由于計(jì)算誤差帶來的剛體運(yùn)動。慣性卸除也是由于計(jì)算誤差，會有微小的不平衡力出現(xiàn)，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(shè)置是為了分析正常進(jìn)行。

c. 選取兩零件的材料，導(dǎo)入材料屬性。如抱閘螺母采用調(diào)質(zhì)的45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，填入其材料屬性，如彈性模量，泊松比，抗剪模量，質(zhì)量密度，調(diào)質(zhì)后的張力強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度等。

d. 設(shè)置連接，導(dǎo)柱齒與螺母齒接觸面設(shè)置為無穿透;

e. 設(shè)置外部載荷：

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

②.導(dǎo)柱在動模板側(cè)端面（切斷面）均勻加載1/4機(jī)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(wǎng)格，設(shè)置必要的網(wǎng)格控制，特別是導(dǎo)柱和螺母齒根部需確保網(wǎng)格品質(zhì)。網(wǎng)格品質(zhì)不符合要求會使運(yùn)算結(jié)果有偏差甚至分析失敗。

g. 運(yùn)算求解。

h. 對結(jié)果進(jìn)行分析，找出抱閘螺母最大應(yīng)力值及其位置，對比各齒根部的應(yīng)力值，找出相對變形位移最大的齒，優(yōu)化抱閘螺母模型，更改齒距。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)使受力端的第一齒最大應(yīng)力減少，需使S1>S2>……>S7=S0，最大應(yīng)力移至抱閘螺母中段齒需使S4-S3>S7-S1或S3-S2>S7-S1，適當(dāng)調(diào)大中段齒的齒距。如不滿足目標(biāo)要求，需多次重復(fù)直到目標(biāo)達(dá)成。

3.加工因素對變齒距設(shè)計(jì)的影響

設(shè)計(jì)出來的變齒距參數(shù)是可能是比較小的數(shù)據(jù)，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(shí)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(bào)廢，而放寬則有可能達(dá)不到變齒距的目的。結(jié)合加工狀況保證合理的齒距公差是可實(shí)施的，故設(shè)計(jì)方面需保證合理的齒距公差才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)?？紤]因加工因素導(dǎo)致實(shí)際零件變形過大而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，加工方面需盡量減少由于加工引起的內(nèi)部應(yīng)力積聚和去除調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，千方百計(jì)減少零件由于加工引起的變形。抱閘螺母和導(dǎo)柱加工流程參考如下：

粗加工→去應(yīng)力退火→半精加工→調(diào)質(zhì)→去應(yīng)力回火→精加工→齒面氮化處理。后期時(shí)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(jié)語

考慮到負(fù)載下零件的變形，盡可能減少負(fù)載零件的應(yīng)力集中，使應(yīng)力分布均勻，減少材料的使用要求，提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的可靠性。變齒距設(shè)計(jì)可推廣到其它多接觸面，接觸變形大，應(yīng)力集中的零部件設(shè)計(jì)，利用有限元分析工具找出應(yīng)力集中部位，改變設(shè)計(jì)尺寸以降低最大應(yīng)力值，使應(yīng)力分布均勻，對機(jī)械設(shè)計(jì)有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] DS SOLIDWORKS公司，陳超祥，胡其登. SOLIDWORKS Simulation高級教程（2018版）[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2] 崔忠圻，覃耀春. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 第2版. 機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] 王興天，注塑工藝與設(shè)備[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.