注塑机锁模弹性螺母结构设计与分析

李博怀 刘宏 张远波



注塑机锁模弹性螺母结构设计与分析

李博怀 刘宏 张远波

（东华机械有限公司）

注塑机主要失效原因是螺母与拉杆配合处疲劳断裂。通过改变螺母截面积、设计缷力槽的方向，控制螺母与拉杆轴向变形量，减轻螺母与拉杆配合处的应力集中现象。经过有限元试验，在采用弹性螺母后，设计工况下的最大平均应力降低为87.7 Mpa，比普通螺母降低51.78%，均方差为5.3 MPa，仅为普通螺母的18.34%。可有效降低拉杆因应力集中而疲劳断裂的机率，提高零件的使用寿命，对整机的稳定性起到积极有效的作用。

注塑机；弹性螺母；有限元计算

0　引言

目前注塑机的运行速度越来越快，如何保证重要部件的强度，延长使用寿命是制造企业最关心的问题之一[1]。拉杆是承载锁模力的重要部件，其主要失效原因为螺母与拉杆配合处的应力集中导致疲劳断裂[2]。现在常见的解决拉杆断裂的方法有：1) 选择泊松比不同的材质配合，螺母一般使用纯铜制造，材料成本较高[3]；2) 单配螺母的每个牙距，但加工难度大、生产效率低、成品率不高，只能用于高端机型[4]。当前使用有限元计算对设计方案进行初步分析试验已成为趋势[5]，本文提出变截面的弹性螺母，使用有限元计算最优螺母截面积，实现低成本降低应力集中问题。

1　注塑机锁模工作机理与弹性螺母设计

1.1注塑机锁模工作机理

注塑机合模装置机理图如图1所示，包括锁模液压缸、拉杆、锁模机构、锁模螺母、动模板、定模板和进料孔。合模装置工作时，动模板由拉杆导向高速移动，其两侧底部装有可调整高度的滑脚承力；在锁模时合模装置静止，拉杆与螺母配合处受沿轴向、往定模板方向的锁模力L。

受锁模力影响，螺母内螺纹沿轴向、往液压缸方向拉伸，拉杆外螺纹沿轴向、往定模板方向拉伸。

标准螺母的预紧力在螺母与拉杆配合的各牙上分布不均匀，存在严重的应力集中现象，严重影响其工作寿命。螺母与拉杆配合处锁模状态结构图如图2所示。

图1　注塑机合模装置机理图

图2　螺母与拉杆配合处锁模状态结构图

1.2弹性螺母设计

弹性螺母的设计原理是通过改变螺母截面积的大小来控制轴向变形量，从而将螺母的应力平均到各牙上。图3为弹性螺母与拉杆配合处锁模状态结构图，图4为弹性螺母的关键参数设计图。

图3　弹性螺母与拉杆配合处锁模状态结构图

图4　弹性螺母的关键参数设计图

图4中R1、R3为缷力槽。由于这2处均是形状的突变处，在结构设计时，应力一般会集中在此。在这2处设计缷力槽可有效降低应力集中。R2为大圆弧，此圈弧可使螺母截面积的大小按一定的关系变化。此外，圈弧大小可以通过有限元分析对比，取最优值。为保证结构的可靠性，R1、R2、R3在加工时需保证其表面光洁度达到Ra1.6。

2　有限元计算试验与分析

采用SolidWorks软件按上述关键参数建立如图5所示的弹性螺母3D模型。

图5　弹性螺母3D模型

通过SolidWorks Simulation有限元计算软件，以设计工况的锁模力为边界条件，分别对弹性螺母、普通螺母进行有限元计算，图6(a)、图6 (b)分别为普通螺母、弹性螺母的有限元计算结果。

(a)普通螺母

(b)弹性螺母

图6螺母有限元计算结果

可以看出弹性螺母、普通螺母的峰值应力分别为276.9 Mpa、381.5 Mpa，峰值应力降低了约27.41%；峰值应力分别集中在螺母与拉杆配合处第1个牙的前1个牙上、螺母与拉杆配合处第1个牙上。且弹性螺母配合时，各螺纹应力相对均匀，能将整体受力较均匀地分布在各个牙上，有效分散应力。

图7(a)、图7 (b)分别为普通螺母与弹性螺母的各牙轴向位移图。可以看出，弹性螺母各牙的位移斜率、总体位移均比普通螺母大。

螺母平均牙面应力如表1所示。普通螺母各牙面的最大平均应力值为182.0 Mpa，均方差为28.9 Mpa。由数据表明普通螺母的应力集中在第1个牙上，易导致疲劳断裂失效。

采用弹性螺母后，最大平均应力为87.7 Mpa，比普通螺母降低51.78%，均方差为5.3 MPa，仅为普通螺母的18.34%。最大应力在第10个牙上，表明弹性螺母分散应力效果明显。

图7 螺母牙轴向位移图

表1　各种螺母平均牙面应力表 (单位：MPa)

3　结语

通过弹性螺母改变截面积，实现轴向变形量控制，从而将螺母的应力分散到各牙上，有效解决实际生产应用过程中遇到的拉杆与螺母配合处断裂的难题，在两板注塑机中得到广泛的应用，并获得国家实用新型专利授权[6]。但其结构特性体积比普通螺母大，日后若能突破此点，将会在注塑机上得到更广泛的应用。

[1] 史新民.故障树分析法在注塑机液压系统维修中的应用[J]. 机床与液压,2014,42(13):186-188.

[2] 王崴,徐浩,马跃,等.振动工况下螺栓连接自松弛机理研究[J].振动与冲击,2014,33(22):198-202.

[3] 何山,邓贤远,江爱华,等.基于线性累积损伤的金属结构全场疲劳分析技术[J].自动化与信息工程,2016,37(2):32-35.

[4] 魏喆,谭建荣,冯毅雄.广义性能驱动的机械产品方案设计方法[J].机械工程学报,2008,44(5):1-10.

[5] 李占山,程可,陆晓峰.顶推螺栓预紧连接数值模拟及结构参数影响分析[J].固体火箭技术,2014,37(4):556-562.

[6] 李博怀,陈绪明,邹波,等.一种用于两板注塑机抱闸的弹性螺母结构:中国, ZL201420160902.7 [P].2014-09-10.

Structure Design and Analysis of Elastic Nut for Injection Molding Machine

Li Bohuai Liu Hong Zhang Yuanbo

(Donghua Machinery Co., Ltd.)

Fatigue fracture between nut and rod is the main failure mode of injection molding machine. A nut with changing cross-sectional area and unloading force groove was designed to control axial deformation and reduce stress concentration phenomenon. Through finite element testing, after the elastic nut adopted, the maximum average stress is reduced by 87.7Mpa which is 51.78% lower than that of the common nut, in the design condition. The mean square deviation is 5.3MPa, which is only about 18.34% of the ordinary nut. Elastic nut could effectively reduce stress concentration and fatigue fracture probability, improve the service life of nut and rod parts, improve the stability of the whole machine.

Injection Molding Machine; Elastic Nut; Finite Element Method

李博怀，男，1983年生，本科，主要从事注塑机设计工作。

刘宏，男，1983年生，本科，工程师，主要从事注塑机设计工作。

张远波，男，1983年生，大专，工程师，主要从事注塑机设计工作。