注射合模机立柱应力分析和结构改进

李佳玥 钱才富 段若 朱大韶 陈剑波

摘要：

针对某注射合模机立柱螺纹根部开裂问题，采用ANSYS Workbench建立单根立柱有限元模型，对某三梁四柱式注射合模机进行强度分析，得到立柱与螺母啮合处的应力大小和分布。在轴向载荷作用下，应力峰值出现在立柱与螺母啮合的第一个螺纹处，其中轴向应力分量最大；若在立柱与螺母啮合的第一个螺纹处进行圆弧过渡，可有效降低应力集中；与无圆弧半径比较，当过渡圆弧半径r=7 mm时，最大von Mises等效应力下降46%。

关键词：

注射合模机； 立柱； 应力； 有限元

中图分类号： TG76

文献标志码： B

Stress analysis and structure improvement on

column of injection molding machine

LI Jiayue1， QIAN Caifu1， DUAN Ruo1， ZHU Dashao2， CHEN Jianbo2

（1. Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China；

2. Yuyao Huatai Rubber Machinery Co.， Ltd.， Yuyao 315400， Zhejiang， China）

Abstract：

As to the issue that the column of injection molding machine broke at the screw thread root， ANSYS Workbench is used to build a finite element model of single column， and the strength of a threebeams and fourcolumns injection molding machine is analyzed. The stress intensity and distribution on the

coupling zone of the column and screw are obtained. It is found that， under the action of axial forces， peak stresse occurs at the first screw of the column， and the axial stress is the maximum one； the stress concentration would efficiently decreased with a transition arc made at the first screw； when the radius of transition arc is 7 mm， the maximum von Mises equivalent stress reduces 46% compared with that without a transition arc.

Key words：

injection molding machine； column； stress； finite element

0 引 言

注射合模机是橡胶注射成型的核心设备，工作时机身承受不均匀的合模载荷。工程实践表明，注射合模机的主要失效形式為立柱与螺母接触螺纹所在截面发生疲劳断裂，这种破坏形式与轴力在啮合螺纹上产生的应力大小和分布密切相关，也与立柱螺纹尺寸和结构有关。[1]目前，很多学者对螺栓连接件强化工艺进行大量研究，得到强化加工的方法以及强化参数与疲劳寿命的相关规律，并制定相关行业标准。[2]在航空工业领域，立柱和螺母上的螺纹采用冷镦加工。[3]为加强螺纹根部的强度，改善螺纹上载荷分布不均的现象，在加工过程中对螺纹部分进行喷丸处理，或经过热处理后将螺纹滚压成型，加强螺纹根部残余压缩应力以提高抗疲劳强度，改善设备的使用寿命。[45]研究表明：螺纹底部圆弧半径的大小直接影响其抗疲劳强度性能[6]，圆弧半径较大的螺栓抗疲劳性能明显高于圆弧半径较小的螺栓。

针对某注射合模机立柱螺纹根部疲劳断裂的问题，采用ANSYS Workbench对注射合模机进行整体分析，建立单根立柱有限元模型，得到立柱螺纹上的应力大小和分布，并提出结构改进措施。

1 注射合模机整机应力分析

注射合模机结构复杂，在建立整机模型时，若将4根立柱和螺母的螺纹全部建模分析，因涉及接触非线性问题，计算时间长，故收敛难度较大。因此，在整机分析时，不考虑立柱和螺母上的螺纹，将立柱与螺母连成一体，先重点分析立柱中间部位的受力，然后再分析单根立柱，模拟立柱和螺母上的螺纹并相互接触。立柱另一端的受力取自前面的整体分析，单根立柱分析关注的重点为立柱与螺母接触处螺纹上的应力。在设定合模力作用下进行注射合模机整机分析，得到的整机von Mises等效应力分布云图见图1。由于未考虑螺纹，立柱与螺母连接处的应力是不真实的，但立柱中部的受力是真实的，轴向力大小为750 kN、弯矩为6.58×105 N·mm。

2 单根立柱有限元分析

2.1 有限元模型

单根立柱几何模型见图2，包括立柱和螺母，其中立柱上部带有螺纹。螺纹端考察2种连接结构形式：一种是螺柱上螺纹与光杆无圆弧过渡，也就是常见的过渡；另一种是在立柱与螺母啮合的第一个螺纹位置设计圆弧过渡形式，圆弧半径为r（见图3）。为正常划分网格并保证网格质量，将模型中的螺纹简化为等间距同心圆，这种简化会导致前几圈螺纹受力较大，偏于保守。

采用SOLID186实体单元对三维实体结构模型进行网格划分，此单元由20个节点结合而成，每个节点有x、y和z等3个方向的平移自由度，单元具有塑形、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变等特征。立柱和螺母的材料参数见表1。

2.2 边界条件和载荷的施加

有限元模型中的约束和载荷必须符合实际情况。单根立柱有限元载荷和约束见图4。在立柱中间截面上施加750 kN的轴向力和6.58×105 N·mm的弯矩。在螺母下端面施加轴向和周向移动约束，并保持径向移动自由（见图5）。立柱与螺母螺纹间采用摩擦接触，摩擦因数取0.15。

2.3 立柱应力分布

计算立柱应力可反映其抗疲劳断裂能力。由于疲劳裂纹通常出现在最大拉应力处，因此观察立柱上各向最大拉应力，同时计算最大von Mises等效应力。螺纹根部无圆弧过渡的立柱螺纹处von Mises等效应力分布云图见图6，不同半径圆弧过渡的立柱螺纹处von Mises等效应力分布见图7～13，立柱

上的最大应力都出现在第一个螺纹根部。

2.4 圆弧过渡半径的影响

不同圆弧过渡半径立柱上的最大von Mises等效应力和最大三向拉应力见表2。由此可知，随着螺纹根部过渡圆弧半径的增大，最大von Mises等效应力减小，当r=7 mm时，最大von Mises等效应力仅为无过渡圆弧值的54%。在r>5 mm后，最大von Mises等效应力减小的趋势明显变缓，说明过渡圓弧有助于降低第一个螺纹处的最大应力，但效果有限。

3 结 论

对某注射合模机进行应力分析，得到如下主要结论：

（1）在进行合理假设后，对注射合模机进行整机有限元分析，得到立柱中部的受力和变形，为立柱与螺母间螺纹啮合分析奠定基础。

（2）在轴向载荷作用下，应力峰值出现在立柱与螺母啮合的第一个螺纹处。在3个方向应力分量中，轴向应力分量最大。

（3）在立柱和螺母啮合的第一个螺纹处进行圆弧过渡，可以有效降低应力集中。当过渡圆弧半径r=7 mm时，最大von Mises等效应力下降46%。

参考文献：

[1] 张晓， 黄杰， 陆斌， 等. 螺栓轴向载荷、螺母结构以及螺栓直径对螺牙根部应力影响的有限元分析[J]. 电子测试， 2014（10）： 9496.

[2] 夏春和. 螺纹根部圆角滚压强化对螺纹疲劳寿命的影响[J]. 航空制造技术， 2014（S1）： 5658.

[3] 周佳成. 提高螺纹连接件抗拉疲劳寿命的方法[J]. 科技通报， 2005， 21（4）： 434 436. DOI： 10.3969/j.issn.10017119.2005.04.013.

[4] 何安莉. 螺纹零件疲劳破坏[J]. 航空标准化， 1979（4）： 4752.

[5] 罗亚军. 螺纹联接疲劳寿命的关键要素分析与应用[J]. 机械管理开发， 2011（2）： 8991. DOI： 10.3969/j.issn.1003773X.2011.02.035.

[6] 于源. 抗疲劳的MJ螺纹及其标准[J]. 机械工人（冷加工）， 1997（1）： 1619.

（编辑 付宇靓）