浅谈注塑机合模装置主要构件的有限元分析及优化设计

欧阳辛雨（佛山市顺德区震德塑料机械有限公司，广东 佛山 528300）



浅谈注塑机合模装置主要构件的有限元分析及优化设计

欧阳辛雨
（佛山市顺德区震德塑料机械有限公司，广东 佛山 528300）

摘要：随着社会经济水平的不断提高，塑料的应用深入到人们生活生产的各个方面，成为现代社会中不可或缺的一部分。其中，注塑机是塑料制品制作过程中最为重要的成型设备，关系着塑料制品的质量以及整个塑料行业的长远发展。本文将就注塑机合模装置主要构件的有限元进行浅谈分析，并对此提出几点优化设计的建议。

关键词：注塑机；合模装置；主要构件；优化设计

注塑机最重要的机械部件是合模装置，其中模板作为合模装置中的核心零件，有着至关重要的作用。前模板和动模板需要在注塑机使用过程中固定模具、定位运动导向，但因承受着弯曲应力作用且受力复杂，会对塑料制品的最终成型造成影响[1]。一直以来，对注塑机模板的设计都是基于操作人员的以往经验，对比参照其他模板而进行尺寸比例和结构的设计。这种模板设计方式，不能完全发挥合模装置的价值，也不能完全体现出材料的强度，甚而会影响注塑机的生产以及塑料制品的质量。因此，对注塑机合模装置中的模板进行优化设计势在必行。

1　注塑机和注塑机合模装置概述

1.1注塑机

注塑机作为一种塑料成型设备就是将热固性塑料或者热塑性塑料成型模具制成塑料制品[1]。因为它具有能够一次成型出精度高且形状复杂的塑料制品，所以是现今世界上发展最快、应用最多的成型设备。该设备广泛应用于汽车机械、医疗用品以及生活用品等各个方面。

1.2注塑机合模装置

合模装置作为注塑机的核心部件，它的作用是使模具可以可靠闭合并实现预定的行动流程，为操作时提供必要的锁模能力以及成型时的顶出力。其组成部分包括：前模板、后模板、动模板、拉杆、合模机构、顶出装置以及安全门[1]。要注意到的是，模板是整个合模装置中最重要的零件，对合模装置的优化分析，就是对模板的优化分析。

2　注塑机模板的失效形式

合模装置中的所有部件都会在注塑机使用过程中受到循环应力影响，尤其是合模装置中的模板、拉杆以及曲轴，在不断地循坏作用下最终会因疲劳破坏导致合模装置效力丧失。因为模板是注塑机合模装置中的核心零件，除了重量占据合模装置的大部分比例外，成本也是如此。所以，当合模装置中的模板发生破裂的话，那么整个生产都会受到影响。一般，注塑机模板的材料采用的是性能较好的球墨铸铁，这种类型的材料性价比高，会使注塑机的全部成本及性能保持在一个合理的水平。

但是，不可避免的是，即使预先设计并计算好了模板的厚度和强度，仍然会有模板失效的情况出现。例如，曲轴式注塑机的合模装置中轴杆具有强大的锁模能力，但因其弹性变形较大，往往会在应力集中位置出现裂痕[1]。

在以往，设计注塑机合模装置的模板时，通常是由设计人员的以往经验结合传统计算方法来进行分析设计的。这种方式较为简单，模型设计也比较粗糙，最后的结果也是导致注塑机的成本提高且不一定能达到预期效果。近年来，随着技术的发展，设计人员开始探索新的设计方法。于是，有限元技术与拓扑优化技术得到大力推广，将其运用到模板设计中受到越来越多设计人员的推崇。

3　注塑机模板的有限元分析

有限元分析能够使设计人员知道零件的脆弱位置，并且了解到应力的具体分布情况。通过这些信息来满足机械零部件的应力分布，从而延长注塑机的使用寿命，提高实用价值。利用有限元分析对注塑机合模装置零件结构进行过尺寸优化、形状优化的，最终实现真正的计算机辅助设计，让产品性能达到最佳[3]。

ANSYS软件是一种集结构分析、传热学分析、流体分析、电磁分析、声学分析、爆破分析于一体的有限元软件[3]。利用该软件，对注塑机进行分析，了解应力的实际情况，对合模装置中的模板进行结构优化，为注塑机的改进提供可能。

4　注塑机合模装置优化设计

4.1肘杆式合模装置的优化设计

双曲肘合模装置运动特性好，行程比大且成本低，等等优势使得它在具体生产中被大量应用。不过，这种合模装置设计较为复杂，其中会涉及到几何学、运动学及动力学等多门科学，而且机台结构中有许多制约条件，都使得设计难度加深。可以将肘杆式合模装置的设计要求归纳为这五点：①具有相当大的增力倍数，以实现同油缸推力的合模力；②具有能保持运行平稳的速度特性；③确保速度达标，以实现高效益；④具有合适的刚强度，防止注后胀模；⑤保证整体结构紧凑、质量轻[4]。为达到这些要求、解决这些问题，唯有对肘杆式合模装置进行设计优化。

在设计肘杆式合模装置时，要达到的上述设计要求与合模装置的几何尺寸以及位置有着重要关系，这关乎着合模装置的运动分析。因此，建立起一个正确合理且符合合模装置运动特性和力学特性的计算公式是极其重要的，这是注塑机合模装置优化设计的基础，为数学模型的搭建提供依据。可喜的是，近年来不少专家学者在研究了注塑机合模装置的运行后，结合其特性进行分析，应用现代设计理念对注塑机合模装置进行了优化设计。

4.2全液压式合模装置的优化设计

全液压式合模装置包括单杠液压式、多缸液压式以及两板直压式[3]。不同的种类有着不同的优缺点。其中，单杠液压式是最为传统的，其优点是合模精度高、开模力大。但是却也具有容易泄露、体积过大、升压慢、耗能大的缺点。于是，为了解决单杠式注塑机的这些缺点，两板直压式就被创造出来了。虽然两板直压式注塑机解决了那些缺点，但由于自身难度系数较大，并未马上得到广泛应用。

要注意到的是，液压系统的能源浪费问题较为严重。在注塑机合模、注射、保压冷却、开模顶出过程中，液压系统的压力和流量是随之发生规律变化的。一个工作循环周期中，由于其实际压力和实际流量发生差异，就会造成能源浪费的情况发生。

随着电动机变频技术的日益发展，液压控制技术也得到更多认可和应用。将电动变频技术与液压式注塑机相结合，促进注塑机更进一步的发展。接入变频器的注塑机，更有利于控制其生产过程。同时变频液压式注塑机通过使注塑机工作所要用到的液压油流量和压力成正比，不仅使效率得到较大提升，而且还可以节能降耗、减少成本，避免造成不必要的浪费[3]。这种优化设计较好的达到了解决液压式注塑机的能源浪费问题的目的。

5　结束语

综上所述，注塑机的应用是顺应时代的发展。不可否认，塑料作为现代生活的必需品，其工艺性能标志着这个国家技术水平的发展情况。因此，注塑机合模装置的优化升级刻不容缓。这需要我国的相关从业者能够善于学习、勇于创新，不管是在合模装置的主要构件上，还是在施工工艺上都需要有专研精神，利用优化技术来改进注塑机合模装置中的不足之处，以促进整个塑料行业的发展。

参考文献：

[1] 张恩光. 注塑机模板的有限元分析及拓扑优化设计[D].华南理工大学，2013.

[2] 李晓卫，周刚，金志明，庄俭，张亚军，王林，汪雄伟. 基于有限元分析和实验的注塑机定模板[J]. 塑料，2013,01:78～80.

[3] 郑元清. 注塑机合模机构及模板设计的优化分析[J]. 科技传播，2013,14:102～103

[4] 岳钦杨,周宏伟,林武. 大型注塑机的合模机构分析[J]. 中国塑料，2013,06:97～100.

(P-01)

Finite element analysis and optimization design of main components for clamping device of injection molding machine

中图分类号：TQ320.5

文章编号：1009-797X(2016)12-0046-02

文献标识码：B

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.019

作者简介：欧阳辛雨（1987-），女，2009年毕业于华中科技大学，现任助理工程师，从事于注塑机的机械设计。

收稿日期：2016-05-28