注塑模斜推杆机构强度分析及其结构尺寸研究

曾 信，杜群贵

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

注塑模斜推杆机构强度分析及其结构尺寸研究

曾 信，杜群贵

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

采用ANSYS有限元分析方法分析了圆形截面斜推杆和方形截面斜推杆的应力状况，通过试验数据对比分析了两者的强度性能。以单个几何参数为变量使用APDL语言建立了有限元参数化分析模型，研究了各个几何参数与方形截面斜推杆的强度关系，为模具设计制造过程中选用斜推杆类型和几何参数提供了理论参考。

模具设计；斜推杆；ANSYS；强度分析

0 引言

在我国，模具工业被称为“工业之母”[1]。随着工业生产的快速增长，它已成为国家重点支持的高新技术产业。由于国内模具企业采用较为传统的“设计-加工-装配-试模-修模-再试模”的生产方式设计制造模具，与国外先进发达国家相比，国内模具表现出精度较低、寿命较短、设计制造周期较长、成本较高等劣势[2]，严重削弱了我国高端模具在国际市场上的竞争力。

斜推杆机构是注塑模中最为常见的侧向抽芯机构,它常用于制品内侧存在凹槽或凸起结构并且强行推出型芯时会损坏制品的场合。在脱模过程中，前后模打开，斜推杆在由液压缸带动的推杆底板的推动下开始顶出制品。由于斜推杆与开模方向有一定的倾斜夹角，所以在顶出的过程中，斜推杆做斜向运动，斜向运动分解成一个沿脱模方向的垂直运动和一个脱离制品内侧面的侧向运动。达到一定的行程后，斜推杆中的胶位就会完全脱离斜推杆，实现侧向抽芯[3]。

由于工作条件极为复杂，合模状态下整个模具承受锁模力作用，强大的预应力将使模架、行位等其他结构镶件产生预变形，这些变形会将斜推杆包裹在对斜推杆起导向作用的模板滑槽内；工作过程中模具温度较高且变化幅度较大，也会使斜推杆产生内部热应力；润滑不良会增大斜推杆与导滑槽的摩擦力，不利于斜推杆被顺利推出完成抽芯运动；由于制造加工、装配等方面的因素也会造成斜推杆在导滑槽内运动受阻。一旦斜推杆运动受阻，轻则加速斜推杆的磨损烧蚀，重则出现压弯甚至折断现象，严重影响整套模具的使用寿命，增加模具的使用维修成本，大大降低制品生产厂家的生产效率，因此研究如何提高斜推杆机构的强度具有重要意义。

本文采用通用有限元分析软件ANSYS 10.0对模具中常见的两种截面斜推杆—圆形截面斜推杆和方形截面斜推杆进行危险工况下的静强度分析，并且对方形截面斜推杆机构采用ANSYS参数化设计编程语言APDL开发出以其各个几何参数为变量的参数化分析程序，分析出各个几何参数与斜推杆强度的关系，为模具设计过程中选择斜推杆类型和几何参数提供了可靠的理论依据,具有相当程度的现实意义。如图1为带有斜推杆抽芯机构的注塑模结构简图，图2为本文分析的斜推杆受力简图。

图1 注塑模结构剖视图

图2 斜推杆受力简图与几何参数说明

1 ANSYS有限元分析建模计算

ANSYS中有限元模型的建立包括几何模型的建立和单元网格的划分两个过程。斜推杆结构一般具有对称性，为了节省计算机资源提高分析速度，采用轴对称模型来进行分析建模，并且忽略结构中存在的运水孔、螺纹孔以及各种圆角特征等，其几何模型较为简单，直接在ANSYS中采用自底向上的建模方法建立了结构几何参数如表1所示的两种截面斜推杆的几何模型，将边界条件和载荷情况加载在几何模型上，选用具有20节点的二次单元SOLID95，采用扫描网格划分技术离散化网格划分斜推杆和模板[4]。选用目标单元TARGE170和接触单元CONTA174定义斜推杆与模板导滑槽之间带摩擦的面接触，其中斜推杆面为接触面，导滑槽面为目标面，摩擦系数为0.2。斜推杆一般选取弹性模量为210GPa，泊松比为0.3的美国01系列进口钢材。

表1 两种截面斜推杆建模几何参数

其中L1：方形截面长度（mm）；L2：方形截面宽度（mm）；D：圆形截面直径（mm）；α：斜推杆倾角（°）；H：斜推杆外伸出模板导滑槽垂直高度（mm）；B：模板导滑槽厚度（mm）。在斜推杆底部施加沿脱模方向大小为3000N的液压缸推力对模型进行静力学分析，计算得出圆截面斜推杆与方形截面斜推杆的Von Mise应力云图如图3所示。从图中可以看出，圆截面斜推杆最大应力为323MPa，方形截面斜推杆的最大应力为219MPa，均发生在斜推杆与模板导滑槽底部接触处，此结果与实际生产过程中测试的结果较为一致。由此可知，当结构几何参数一致的情况下，方形截面斜推杆的强度性能要明显优于圆截面斜推杆。

图3 圆截面(左)与方形截面(右)斜推杆应力云图

2 结构尺寸与斜推杆强度的关系研究

利用ANSYS参数化设计编程语言APDL编写了分别以L1、L2、H、α等几何参数为单个变量，而其他几何参数为常量的方形截面斜推杆强度专用计算程序，经循环计算得出在单位推力（1N）下斜推杆的最大等效应力数据，将其导入Matlab拟合绘制出在单位推力作用下斜推杆最大应力值与单个几何参数的关系曲线，分别如图4、图5、图6、图7所示。

在方截面斜推杆的横截面长度L1较小时，增大L1能有效地降低斜推杆的应力，但当L1达到一定尺寸时，增大L1对降低应力效果逐渐趋缓。

图4 单位推力下斜推杆最大应力与横截面长度L1的关系

图5 单位推力下斜推杆最大应力与横截面宽度L2的关系

在方截面斜推杆横截面宽度L2较小时，增大L2能非常明显地降低应力，提高斜推杆的强度。但当其达到一定尺寸后，效果趋缓。L2与L1在影响斜推杆强度方面作用趋势一致，但L2的影响度更大，L2增大一个单位比L1增大一个单位能更多地降低斜推杆的应力。

图6 单位推力下斜推杆最大应力与外伸高度H的关系

斜推杆应力与H呈正线性关系，这与材料力学理论很好的吻合。H越大，推力对斜推杆产生的弯矩也越大，会产生更大的弯曲应力。

斜推杆应力与倾斜角α也呈正线性关系。斜推杆倾斜角α越大，液压缸推力在斜推杆截面方向的分力也越大，力臂越长，对斜推杆产生的弯矩也越大。

3 数据分析及设计建议

根据以上数据分析，为了降低斜推杆在工作过程中受到的应力，提高斜推杆的强度，在模具设计时可以从以下四个方面优化模具脱模结构：

1）当空间和成本等因素可以接受的情况下，应优先使用方形截面斜推杆机构以提高强度，延长模具使用寿命。

图7 单位推力下斜推杆最大应力与倾角α的关系

2）在空间结构允许的情况下，尽量加大斜推杆横截面尺寸。斜推杆横截面宽度L2在降低斜推杆应力方面比横截面长度L1的作用要明显，所以设计时可选择L2＞L1的长方形截面斜推杆。

3）在满足侧向抽芯的行程要求下，尽量减小斜推杆外伸长度H。条件允许的话可以将斜推杆的侧向受力点下移，如在靠近斜推杆末端处增加导向块。在斜推杆较长且单薄，或倾斜角较大的情况下，可以采用二段式斜推杆的方法以提高寿命。

4）在满足侧向抽芯的情况下，斜推杆的倾斜角尽量选用较小角度，α一般不大于15度，对斜推杆倾斜角的设计原则是能小不大。选用较小的倾斜角α也能降低斜推杆在导滑槽中发生摩擦自锁的可能性。

4 结论

本文采用ANSYS有限元分析方法对模具中使用极为广泛的斜推杆机构进行了静强度分析，分析结果与实际生产过程中反馈的经验情况一致。并且以各个几何参数为单个变量建立了斜推杆机构有限元分析的参数化模型，研究了各个几何参数与斜推杆强度的关系，为模具中斜推杆机构的设计生产提供了可靠的理论支撑与指导，也为CAE仿真技术在模具结构分析上的应用提供了思路。

[1] 欧麦嘉, 周泽宇, 等. 现代注塑模设计与制造[M]. 北京：电子工业出版社, 2008： 188-189.

[2] 孙锡红. 我国塑料模具发展现状与发展建议[J]. 电加工与模具, 2010： 31-33.

[3] 张维和. 注塑模具设计实用教程[M]. 北京： 化学工业出版社, 2008： 143-148.

[4] 张朝晖. ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M]. 北京： 机械工业出版社, 2010： 55-61.

The strength analysis and structure size research on injection mold's lifter

ZENG Xin, DU Qun-gui

O242.21；TG241

B

1009-0134(2011)5(下)-0078-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).23

2010-12-14

曾信（1987－），男，湖南涟源人，在读硕士研究生，研究方向为机电产品的现代设计方法、CAE仿真分析。